CN105445892A - 一种大惯量双光学镜头快速切换机构 - Google Patents

一种大惯量双光学镜头快速切换机构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大惯量双光学镜头快速切换机构，包括摆臂、连杆、转轮、基座、导轨组件、变速驱动机构以及位置传感器，所述变速驱动机构包括电机和变速箱；转轮在变速驱动机构的驱动下朝某一方分向恒速旋转，通过连杆带动摆臂往复摆动，摆臂上面装有需要切换的光学镜头，其成像光路与摆臂的极限位置对应，当摆臂摆到该极限位置后由位置传感器给予电机停机信号，从而完成光学镜头的切换。该机构的特点是针对尺寸大、结构重、大惯量的光学镜头切换速度快，能够有效地消除过冲，无需专门的定位和锁定机构，光学镜头切换后便能精确定位和自锁。

Description

一种大惯量双光学镜头快速切换机构
技术领域：
本发明涉及光学变焦技术，具体地说，是指一种对大惯量双光学镜头实现快速切换的方法和机构。
背景技术：
为了在同一套设备中满足较大视场和较高分辨率的不同要求，人们发明了光学变焦技术，其基本原理是：沿轴向移动光学系统中的某一组镜片，以改变光学系统的焦距，与此同时，按一定的函数关系移动另一组镜片进行补偿，以保持光学系统的焦面位置和成像质量不变。由于这类变焦光学系统包含变倍组、补偿组和前后固定组，镜片数量要比定焦系统的多一倍以上，导致光学透过率降低，能量随镜片数的增加而损失，因此这类系统在对能量要求敏感的设备中无法使用。
另一种方法是采用两套定焦光学镜头通过切换的方式来实现对设备不同焦距和视场的需求，切换速度必须足够快，以免目标在切换过程中丢失，镜头切换有如下多种方式。
一是采用平移的方式，这对于较小的光学镜头是可行的，但在尺寸较大的双光学镜头切换时，由于移动距离大，而速度又受到平稳和精确定位的要求限制，最终切换时间往往难以满足要求。
对于尺寸较大的双光学镜头如果采用旋转或摆动的方式来切换，其转动角度相对较小，但这类镜头一般都比较重，且布局需服从光路而使得重心和回转中心不重合，从而转动惯量较大，驱动速度不宜过快，否则会出现过冲；若依靠齿轮传动因齿隙的存在而难以精确定位，总之它们都需要借助编码器确定位置和专门的辅助锁定结构，从而增加了机构的复杂度。
发明内容：
本发明的目的是提供一种对大惯量双光学镜头实现快速切换的方法和机构，针对尺寸大、结构重、大惯量的光学镜头快速完成切换，并由于机构本身的运动特性，能够有效地消除过冲，无需专门的定位和锁定机构，光学镜头切换后便能精确定位和自锁。
本发明的设计方案如下：
根据本发明的一种大惯量双光学镜头快速切换机构，包括基座9、摆臂2、连杆12、转轮7、导轨组件6、变速驱动机构8，以及位置传感器4，其特征在于，所述基座9为本切换机构的支承部件，俯视为一近似扇形体结构，小端开有轴承孔，装有一对向心推力球轴承16；大端装有导轨组件6，该导轨组件6为圆弧形导轨，其圆心与轴承的转轴中心重合；在轴承孔两侧装有一鞍形器件座10，上面装有探测器1；所述摆臂2位于基座9上方，一端通过大平键15、转轴17与基座9上的轴承16连接，另一端与导轨组件6连接；摆臂2上面装有本机构的实际负载，即需要切换的大视场光学镜头3和小视场光学镜头5，它们与探测器1组成的成像光路分别与摆臂2的两极限位置对应；摆臂能绕转轴17在导轨6上平滑摆动，其负载通过导轨组件6被传递到基座9上，光学镜头在随摆臂2转动而切换的同时，由于导轨6的卸荷作用使光轴保持在水平面的精度；在与摆臂2两极限位置对应的基座9上还分别装有位置传感器4，当摆臂2摆到任一极限位置时由该处的位置传感器4给予驱动电机8-1停机信号，从而完成光学镜头的切换；所述连杆12位于基座9和摆臂2的中间，其两端均装有小型滚动轴承13，一端通过轴销11-1与上面摆臂2连接，另一端通过轴销11-2与下面转轮7连接；所述转轮7位于连杆12下方，通过小平键14与变速驱动机构8的出轴固连，当转轮7朝某一方分向恒速旋转时，通过连杆12带动摆臂2往复摆动，完成其上光学镜头的切换；所述变速驱动机构8安装在基座9上，其出轴的中心，也即转轮7的轴心应与当摆臂2处于极限位置时连杆12两端的转轴中心三点共线。
进一步，所述导轨组件6为圆弧形滚动导轨，它包括上导轨6-1、下导轨6-3和滚珠6-2，上导轨6-1圆心角由下导轨6-3的圆心角与本切换机构摆角之差确定。
进一步，所述变速驱动机构8包括驱动电机8-1和变速箱8-2，驱动电机8-1为直流无刷电机，变速箱8-2为蜗轮蜗杆变速箱或它与其它类型变速箱的组合，输出级采用单头的蜗轮蜗杆变速箱以保证变速驱动机构8自锁，是否与其它类型的变速箱组合则根据传动比的需要。
进一步，所述位置传感器4为轻触式开关，当摆臂2运动到开关所在位置时，触发相应的轻触式开关，使得驱动电机8-1停止工作。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种大惯量双光学镜头快速切换机构，根据摆臂2摆动的两个极限位置确定大小两视场光学镜头3、5的光轴，在设备光校时调整镜头后侧的探测器1以及两光轴位置满足光学系统成像的要求，当摆臂2运动到极限位置处于换向的临界点时，其速度为零，这时可方便地使切换机构避免过冲并精确定位。
进一步，转轮7的轴心设置在摆臂2两极限位置与连杆12连接端点的延长线上，如忽略连杆12两端滚动轴承13的摩擦力，在水平面内连杆12为二力杆，当摆臂2在极限位置时外界的扰动力将通过连杆12作用到转轮7上，但由于该外力通过转轮7的轴心而不能使其转动；加上转轮7由于安装在蜗轮蜗杆变速箱8-2的出轴上本身具有自锁功能，因此该机构无论是大视场还是小视场光学镜头处于工作状态时均可自锁。
由此可见，本发明一种大惯量双光学镜头快速切换机构，避免了双镜头快速切换时的过冲现象，能够精确定位和自锁，无需专门的定位和锁定机构，从而简化了结构。
附图说明：
图1为本发明一种大惯量双光学镜头快速切换机构的主视图，为使视图简洁，略去了小视场光学镜头5后侧的大视场光学镜头3，并在视图下侧采用了局部剖视。
图2为该机构的俯视图。
图3为图2俯视图略去了部分零件，包括大、小视场光学镜头3、5，探测器1，器件座10上部，摆臂2以及上导轨6-1和滚珠6-2。
1—探测器，2—摆臂，3—大视场光学镜头，4—位置传感器，5—小视场光学镜头，6—导轨组件，7—转轮，8—变速驱动机构，9—基座，10—器件座，11—轴销，12—连杆，13—滚动轴承，14—小平键，15—大平键，16—向心推力球轴承，17—转轴。
具体实施方式：
下面根据图1～图3给出本发明一个较好实施例，并予以详细描述，以便本技术领域的技术人员更易于理解本发明的结构特征和功能特色，而不是用来限定本发明的范围。
如图1～图3所示，本发明实施例提供的一种大惯量双光学镜头快速切换机构包括：基座9、摆臂2、连杆12、转轮7、导轨组件6、变速驱动机构8以及位置传感器4；所述基座9俯视为一近似扇形体结构，小端开有轴承孔，装有一对单列向心推力球轴承16，型号为46105，正排列；大端装有导轨组件6，该导轨组件6为圆弧形导轨，其圆心与轴承16的转轴中心重合；在轴承孔两侧装有一鞍形器件座10，上面装有探测器1；所述摆臂2位于基座9上方，一端通过大平键15、转轴17与基座9上的轴承16连接，另一端与导轨组件6连接；摆臂2上面装有需要切换的大视场光学镜头3和小视场光学镜头5，它们与探测器1组成的成像光路分别与摆臂2的两极限位置对应；在与摆臂2两极限位置对应的基座9上还分别装有位置传感器4；所述连杆12位于基座9和摆臂2的中间，其两端均装有一单列向心球轴承13，型号1000098，一端轴承通过轴销11-1与上面摆臂2连接，另一端轴承通过轴销11-2与下面转轮7连接；所述转轮7位于连杆12下方，通过小平键14与基座9上变速驱动机构8的出轴固连。
进一步，所述导轨组件6为圆弧形滚动导轨，它包括上导轨6-1、下导轨6-3和滚珠6-2，上导轨6-1和下导轨6-3分别与摆臂2及基座10固连。本实施例导轨6滚道半径330mm，上导轨6-1圆心角55°，下导轨6-3圆心角90°，滚珠6-2直径6mm。
进一步，所述变速驱动机构8包括电机8-1和变速箱8-2，驱动电机8-1为直流无刷电机，额定电压24V，功率50W，转矩46.6mN.m，转速10400rpm；变速箱8-2采用蜗轮蜗杆变速箱加行星齿轮箱组合的形式，总变速比725:1。
下面阐述本发明实施例核心零件的设计原则：如图3所示：摆臂2转轴中心为A，有效长度AB，转轮7中心为O，有效半径OC，连杆12有效长度BC。在结构允许的情况下，AB应尽可能长，这有利于改善整个机构的受力情况，由两光学镜头3、5的结构尺寸和分别与探测器1成像的光学要求确定摆臂2需要的摆角Θ，摆臂2由一极限位置AB顺时针摆动Θ角后到达另一极限位置AC，转轮7有效直径＝BC，中心O必须在BC的延长线上，且OC应≥BC/2，摆臂2处于AB或AC两极限位置时，连杆12在BC或CD位置，力的作用线通过转轮7中心O；且因摆臂2恰处于换向的临界点，所以摆动速度必为零。
在本实施例中，AB＝210mm；BC＝125mm；OC＝62.5mm；Θ＝35°。
本发明一种大惯量双光学镜头快速切换机构的工作过程如下：当摆臂2处于AB位置时，小视场镜头5与探测器1组成成像光路，此时转轮7中心O在连杆12两端点BC投影的延长线上，机构自锁；如需要切换到大视场镜头3时，电机8-1通过变速箱8-2驱动转轮7转动，旋转180°后摆臂2达到AC位置，触发轻触式开关4-2使电机8-1停止工作，大视场镜头3与探测器1组成成像光路，此时转轮7中心O在连杆12两端点CD投影线上，机构自锁。
本实施例的实际特性为：机构俯视投影近似为一扇形体结构，其半径350mm，扇形角90°，总高100mm；机构摆臂2上装有大视场和小视场两套光学镜头3、5，探测器1通过器件座10安装在机构基座9上，摆臂2在两极限位置时大、小视场两套光学镜头3、5分别与探测器1组成成像光路；两极限位置夹角35°，整个转动部分重量达15kg，转动惯量约9700kg.cm2，本实施例在1秒钟内完成双光学镜头的切换。

Claims (4)

1.一种大惯量双光学镜头快速切换机构，包括基座(9)、摆臂(2)、连杆(12)、转轮(7)、导轨组件(6)、变速驱动机构(8)，以及位置传感器(4)，其特征在于，
所述的基座(9)为本切换机构的支承部件，俯视为一近似扇形体结构，小端开有轴承孔，装有一对向心推力球轴承(16)；大端装有导轨组件(6)，该导轨组件(6)为圆弧形导轨，其圆心与轴承(16)的转轴中心重合；在轴承孔两侧装有一鞍形器件座(10)，上面装有探测器(1)；
所述的摆臂(2)位于基座(9)上方，一端通过大平键(15)、转轴(17)与基座(9)上的轴承(16)连接，另一端与导轨组件(6)连接；摆臂(2)上面装有本机构的实际负载，即需要切换的大视场光学镜头(3)和小视场光学镜头(5)，它们与探测器(1)组成的成像光路分别与摆臂(2)的两极限位置对应；摆臂能绕转轴(17)在导轨(6)上平滑摆动，其负载通过导轨组件(6)被传递到基座(9)上，光学镜头在随摆臂(2)转动而切换的同时，由于导轨(6)的卸荷作用使光轴保持在水平面的精度；在与摆臂(2)两极限位置对应的基座(9)上还分别装有位置传感器(4)，当摆臂(2)摆到任一极限位置时由该处的位置传感器(4)给予驱动电机(8-1)停机信号，从而完成光学镜头的切换；
所述的连杆(12)位于基座(9)和摆臂(2)的中间，其两端均装有小型滚动轴承(13)，一端通过轴销(11-1)与上面摆臂(2)连接，另一端通过轴销(11-2)与下面转轮(7)连接；
所述的转轮(7)位于连杆(12)下方，通过小平键(14)与变速驱动机构(8)的出轴固连，当转轮(7)朝某一方分向恒速旋转时，通过连杆(12)带动摆臂(2)往复摆动，完成其上光学镜头的切换；所述变速驱动机构(8)安装在基座(9)上，其出轴的中心，也即转轮(7)的轴心应与当摆臂(2)处于极限位置时连杆(12)两端的转轴中心三点共线。
2.根据权利要求1所述的一种大惯量双光学镜头快速切换机构，其特征在于：所述导轨组件(6)为圆弧形滚动导轨，它包括上导轨(6-1)、下导轨(6-3)和滚珠(6-2)，上导轨(6-1)圆心角由下导轨(6-3)的圆心角与本切换机构摆角之差确定。
3.根据权利要求1所述的一种大惯量双光学镜头快速切换机构，其特征在于：所述变速驱动机构(8)包括驱动电机(8-1)和变速箱(8-2)，驱动电机(8-1)为直流无刷电机，变速箱(8-2)为蜗轮蜗杆变速箱或它与其它类型变速箱的组合，输出级采用单头的蜗轮蜗杆变速箱以保证变速驱动机构(8)自锁，是否与其它类型的变速箱组合则根据传动比的需要。
4.根据权利要求1所述的一种大惯量双光学镜头快速切换机构，其特征在于：所述的位置传感器(4)为轻触式开关，当摆臂(2)运动到开关所在位置时，触发相应的轻触式开关，使得驱动电机(8-1)停止工作。
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