CN105446054B - 一种用于航空相机的小型化调焦机构 - Google Patents

一种用于航空相机的小型化调焦机构 Download PDF

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一种用于航空相机的小型化调焦机构属于航空光学遥感装备调焦技术领域，目的在于解决现有技术存在的结构复杂、机构轴向尺寸大和系统自锁性能受制于调焦行程和旋转筒的旋转角度比值以及凸轮导销易磨损的问题。本发明包括：支撑结构，支撑结构为L型结构；设置在支撑结构侧壁上的导向部件，调焦对象一侧通过导向部件相对支撑结构在光轴方向滑动；与调焦对象另一侧紧固联接的凸轮从动件；与凸轮从动件单侧接触的凸轮，凸轮通过两个轴承固定在支撑结构上，凸轮从动件通过两个和凸轮的推力共平面的复位弹簧与支撑结构连接；通过销接方式连接在凸轮端部的轴角传感器；和通过过渡支座固定在支撑结构上的电机，电机输出端通过齿轮传动带动凸轮转动。

Description

一种用于航空相机的小型化调焦机构
技术领域
本发明属于航空光学遥感装备调焦技术领域，具体涉及一种用于航空相机的小型化调焦机构。
背景技术
在航空工作环境下，温度和压力会随季节、工作地点、高度、天气状况等因素而发生大幅度变化，从而引起相机系统焦距的改变。此外，实际工作中，相机的照相距离会随载体的工作高度和载荷的视轴指向改变而快速变化，使得能够成清晰像的实际像面位置会发生变化。因而，为克服温度、压力和照相距离等复杂因素变化对系统成像质量的影响，高精度的快速动态调焦是确保航空相机高质量成像的重要技术途径之一。
目前，航空相机的调焦途径主要分为两大类，一种是通过驱动机构移动焦面组件实现调焦；另一种是通过移动系统中间的光学元件实现调焦。调焦机构一般由导向部件、减速系统、运动转化部件、自锁部件、驱动电机和位置传感器6个部分组成。其中导向部件主要实现调焦对象在既定方向上的运动约束；减速系统、运动转化部件、自锁部件共同构成了调焦机构的传动系统，实现了系统减速、旋转运动向直线运动的运动方式转化以及调焦对象的位置自锁；驱动电机和位置传感器分别为动力源和位置感知测量元件。常用的航空相机调焦机构结构配置形式包括：
1)齿轮减速系统串联蜗轮蜗杆和盘形凸轮的传动系统，导向部件采用直线导轨，位置测量采用轴角传感器；
2)由齿轮带动刻有凹槽的圆柱凸轮，这种配置方式既可将电机的旋转运动转化为调焦对象的轴向运动，又可实现位置自锁。通过轴角传感器测量圆柱凸轮的角位移实现调焦对象的位置测量。直线导向功能由固定筒和轴向移动筒之间的圆柱副实现；
3)由步进电机带动滚珠丝杠直接驱动调焦对象进行直线运动，导向部件采用直线导轨。位置测量由串联于步进电机上的轴角编码器来实现。
第一种配置形式的调焦机构既可用于焦面调焦，也可用于中间光学元件调焦。具有调焦精度高、适用范围广、工作可靠等优点，其缺点是结构复杂、体积大、传动效率低。第二种配置形式多用于中小口径的透射式变焦距镜头，具有结构紧凑的优点，其缺点有二：1)系统自锁性能受制于调焦行程和旋转筒的旋转角度比值；2)凸轮导销易磨损。第三种配置形式优点是适用于大的调焦行程、结构相对简单，缺点是丝杠长度方向尺寸大，为保证工作可靠性，丝杠的轴向尺寸不能太小。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于航空相机的小型化调焦机构，解决现有技术存在的结构复杂、机构轴向尺寸大和系统自锁性能受制于调焦行程和旋转筒的旋转角度比值以及凸轮导销易磨损的问题。
为实现上述目的，本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构包括：
支撑结构，所述支撑结构为L型。
设置在支撑结构侧壁上的导向部件，调焦对象一侧通过导向部件相对于支撑结构在光轴方向滑动；
与调焦对象另一侧紧固联接的凸轮从动件；
与所述凸轮从动件单侧接触的凸轮，所述凸轮通过两个轴承固定在支撑结构上，所述凸轮从动件通过两个和凸轮推力共平面的复位弹簧与支撑结构连接；
通过销接方式连接在凸轮端部的轴角传感器；
和通过过渡支座固定在支撑结构上的电机，所述电机输出端通过齿轮传动带动凸轮转动。
所述支撑结构包括支撑板、弹簧挂钩A、压板、轴系支座、弹簧挂钩B；所述轴系支座固定在支撑板上，弹簧挂钩A和弹簧挂钩B固定在所述轴系支座上，所述凸轮从动件通过两个所述复位弹簧分别与弹簧挂钩A和弹簧挂钩B连接，所述凸轮通过轴承固定在轴系支座上，所述轴角传感器通过压板固定在所述轴系支座上。
所述导向部件包括导轨、滑块和滑块调整垫，所述滑块和滑块调整垫通过螺钉固定在支撑板侧壁上，所述导轨和调焦对象通过螺钉紧固联接，所述导轨和所述滑块之间形成直线导向副，所述导轨和滑块之间设有滚珠。
所述导轨、滑块和滑块调整垫包括两组，两组所述导轨平行设置。
所述凸轮为偏心凸轮。
所述调焦对象的直线位置f(θ)与凸轮转角θ之间满足以下正弦关系：
f(θ)＝e·sinθ (θ∈[-90°,+90°])
其中：e为凸轮旋转中心和几何中心的偏心量；θ为凸轮转角。
两个所述复位弹簧的力学性能和位置参数需要满足以下关系：
其中：Δx1O和Δx2O为凸轮零位时，即θ＝0°时，凸轮推力分别与两根复位弹簧拉力在X方向上的间距；
Δy1和Δy2为整个行程范围内凸轮推力分别与两根复位弹簧拉力在Y方向上的间距；
Fs1和Fs2为两根复位弹簧的拉力。
本发明的有益效果为：本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构通过齿轮传动带动偏心凸轮驱动调焦对象，利用串联于凸轮轴系上的轴角传感器进行调焦对象的位置测量，由于从测角传感器到调焦对象处仅有凸轮一个运动传递环节，因此，这种配置方式使测量模型的累积误差小。
本发明提出的调焦机构采用了凸轮单侧接触工作方式，利用复位弹簧消除凸轮从动件与凸轮之间在往复运动过程中的间隙。支撑结构设计为L型，导向部件和传动系统分别配置于调焦对象的两侧并与支撑结构相连。通过这种结构配置方式可有效降低调焦机构的设计空间占比，为调焦对象提供了更大的可用设计空间。
附图说明
图1为本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构的整体结构示意图；
图2为本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构的结构原理图；
图3为本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构中凸轮转角向调焦对象直线运动转化原理图；
图4为本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构中外力影响分析示意图；
图5为本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构中双复位弹簧布置方案图；
其中：1、支撑结构，1-1、支撑板，1-2、弹簧挂钩A，1-3、压板，1-4、轴系支座，1-5、弹簧挂钩B，2、导向部件，2-1、导轨，2-2、滑块，2-3、滑块调整垫，3、调焦对象，4、轴角传感器，5、凸轮，6、凸轮从动件，7、轴承，8、齿轮传动，9、电机，10、复位弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1，本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构包括：
支撑结构1，所述支撑结构1为L型结构；
设置在支撑结构1侧壁上的导向部件2，调焦对象3一侧通过导向部件2相对支撑结构1在光轴方向滑动；
与调焦对象3另一侧紧固联接的凸轮从动件6；
与所述凸轮从动件6单侧接触的凸轮5，所述凸轮5通过两个轴承7固定在支撑结构1上，所述凸轮从动件6通过两个和凸轮5的推力共平面的复位弹簧10与支撑结构1连接；
通过销接方式连接在凸轮5端部的轴角传感器4；
和通过过渡支座固定在支撑结构1上的电机9，所述电机9输出端通过齿轮传动8带动凸轮5转动。
所述支撑结构1包括支撑板1-1、弹簧挂钩A1-2、压板1-3、轴系支座1-4、弹簧挂钩B1-5；所述轴系支座1-4固定在支撑板1-1上，弹簧挂钩A1-2和弹簧挂钩B1-5固定在所述轴系支座1-4上，所述凸轮从动件6通过两个所述复位弹簧10分别与弹簧挂钩A1-2和弹簧挂钩B1-5连接，所述凸轮5通过轴承7固定在轴系支座1-4上，所述轴角传感器4通过压板1-3固定在所述轴系支座1-4上。
所述导向部件2包括导轨2-1、滑块2-2和滑块调整垫2-3。装调过程中，通过研修四个滑块调整垫2-3来调整两根导轨在调焦运动方向上的平行度和共面度。调整完成后，所述滑块2-2和滑块调整垫2-3通过螺钉固定在支撑板1-1的侧壁上，所述导轨2-1和调焦对象3通过螺钉紧固联接，所述导轨2-1和所述滑块2-2之间形成直线导向副，通过设置在所述导轨2-1和滑块2-2之间的滚珠来减小摩擦阻力。
所述导轨2-1、滑块2-2和滑块调整垫2-3包括两组，两组所述导轨2-1平行设置。
参见附图2，本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构的导向部件2固定于与支撑结构1上，对调焦对象3实现直线运动约束。凸轮从动件6与调焦对象3之间紧固联接，凸轮从动件6与凸轮5单侧接触，通过连接于支撑结构1上的复位弹簧10对凸轮从动件6进行预紧。凸轮5通过两个轴承7固定于支撑结构1上，固定于支撑结构1上的电机9通过齿轮传动8带动凸轮5转动，从而实现了由电机9输出运动的减速、凸轮5角位移测量以及旋转运动向直线运动的转化，通过凸轮5轮廓的设计使得调焦对象3的直线运动与凸轮5的角位移具有一一对应关系。
参见附图3，凸轮5采用了偏心凸轮5，调焦对象3的直线运动与凸轮5转角运动转化原理。调焦对象3的直线位置f(θ)与凸轮5转角θ符合公式(1)所示的正弦关系：
f(θ)＝e·sinθ (θ∈[-90°,+90°]) (1)
其中：e为凸轮5旋转中心和几何中心的偏心量；θ为凸轮5的转角。
使用过程中，凸轮5转角θ控制在小于[-90°,+90°]范围以内。从图3所示的规律可看出，当凸轮5转角θ在+90°或-90°附近时，曲线斜率变小，式(1)的测量灵敏度降低。所以，为提高测量灵敏度，一般会将偏心凸轮5的偏心量e设计取值大于半调焦行程。
当凸轮5的偏心量e大于3～5倍半调焦行程时，凸轮5转角θ可控制在中间位置的很小角度范围内，此时公式(1)可简化为如下式所示的线性关系：
f(θ)＝e·θ (θ∈[-θb,+θb]) (2)
其中：θb(θb<90°)为调焦半行程所对应的凸轮5转角。
为了减小结构尺寸，本发明的凸轮从动件6和凸轮5之间采取了单侧接触方案。为保证凸轮5在正负转角范围内，机构始终有效工作，需要采用复位弹簧10预紧方式来保证凸轮从动件6和凸轮5之间有效接触。复位弹簧10的布置方式对该调焦机构的直线运动精度有着重要影响。
参见附图4，作用于凸轮从动件6上的外力主要有三个：调焦对象3和凸轮从动件6的重力G、凸轮5推力Fcam和复位弹簧10拉力Fs。其中重力会使调焦对象3产生公式(3)所示的倾覆力矩Mz：
Mz＝G·l (3)
其中：l为调焦对象3和凸轮从动件6构成的整体的质心距导轨2-1的距离。
这一倾覆力矩Mz会被两组导轨2-1的约束力所抵消，不会对调焦对象3的直线运动精度造成大的影响，即Z向。
凸轮5推力Fcam和复位弹簧10拉力Fs会自然满足力的平衡，如果复位弹簧10布置不当会产生额外的力偶矩分量Mx和My，它们会对调焦对象3的直线运动精度造成大的影响，即Z向。
参见附图5，本发明提出了一种行之有效的双复位弹簧10解决方案，为确保导向精度，复位弹簧10的力学性能和位置参数需要需满足如下条件：
其中：Δx1O和Δx2O为凸轮5零位时，即θ＝0°时，凸轮5推力分别与两根复位弹簧10拉力在X方向上的间距；
Δy1和Δy2为整个行程范围内凸轮5推力分别与两根复位弹簧10拉力在Y方向上的间距；
Fs1和Fs2为两根复位弹簧10的拉力。
由力的合成原理可知，要使凸轮5推力Fcam和两个复位弹簧10的拉力Fs1、Fs2三个力的合力偶矩为零，需要满足两个基本条件：1)两根复位弹簧10的拉力大小相等、方向相同；2)两根复位弹簧10的拉力与凸轮5推力共平面，且复位弹簧10的拉力对称分布于凸轮5推力的两侧。第一个条件可通过选择两根刚度相同的复位弹簧10来保证。由于整个调焦行程中凸轮5推力Fcam的作用点会在X方向上小范围内变动，因而，上述所提及的“两根复位弹簧10的拉力与凸轮5推力共平面”条件难以严格满足。但是，按照公式(4)的方式将两根复位弹簧10相对于凸轮5零位时的凸轮5推力方向对称布置，可使得整个调焦行程中，内凸轮5推力和复位弹簧10拉力所组成力系的合力偶矩最小化，从而可使调焦对象3的直线运动精度影响因素最小化。

Claims (7)

1.一种用于航空相机的小型化调焦机构，其特征在于，包括：
支撑结构(1)，所述支撑结构(1)为L型结构；
设置在支撑结构(1)侧壁上的导向部件(2)，调焦对象(3)一侧通过导向部件(2)相对支撑结构(1)在光轴方向滑动；
与调焦对象(3)另一侧紧固联接的凸轮从动件(6)；
与所述凸轮从动件(6)单侧接触的凸轮(5)，所述凸轮(5)通过两个轴承(7)固定在支撑结构(1)上，所述凸轮从动件(6)通过两个和凸轮(5)的推力共平面的复位弹簧(10)与支撑结构(1)连接；
通过销接方式连接在凸轮(5)端部的轴角传感器(4)；
和通过过渡支座固定在支撑结构(1)上的电机(9)，所述电机(9)输出端通过齿轮传动(8)带动凸轮(5)转动。
2.根据权利要求1所述的一种用于航空相机的小型化调焦机构，其特征在于，所述支撑结构(1)包括支撑板(1-1)、弹簧挂钩A(1-2)、压板(1-3)、轴系支座(1-4)、弹簧挂钩B(1-5)；所述轴系支座(1-4)固定在支撑板(1-1)上，弹簧挂钩A(1-2)和弹簧挂钩B(1-5)固定在所述轴系支座(1-4)上，所述凸轮从动件(6)通过两个所述复位弹簧(10)分别与弹簧挂钩A(1-2)和弹簧挂钩B(1-5)连接，所述凸轮(5)通过轴承(7)固定在轴系支座(1-4)上，所述轴角传感器(4)通过压板(1-3)固定在所述轴系支座(1-4)上。
3.根据权利要求2所述的一种用于航空相机的小型化调焦机构，其特征在于，所述导向部件(2)包括导轨(2-1)、滑块(2-2)和滑块调整垫(2-3)，所述滑块(2-2)和滑块调整垫(2-3)通过螺钉固定在支撑板(1-1)侧壁上，所述导轨(2-1)和调焦对象(3)通过螺钉紧固联接，所述导轨(2-1)和所述滑块(2-2)之间形成直线导向副，所述导轨(2-1)和滑块(2-2)之间设有滚珠。
4.根据权利要求3所述的一种用于航空相机的小型化调焦机构，其特征在于，所述导轨(2-1)、滑块(2-2)和滑块调整垫(2-3)包括两组，两组所述导轨(2-1)平行设置。
5.根据权利要求1所述的一种用于航空相机的小型化调焦机构，其特征在于，所述凸轮(5)为偏心凸轮。
6.根据权利要求1所述的一种用于航空相机的小型化调焦机构，其特征在于，所述调焦对象(3)的直线位置f(θ)与凸轮(5)转角θ之间满足以下正弦关系：
f(θ)＝e·sinθ(θ∈[-90°,+90°])
其中：e为凸轮(5)旋转中心和几何中心的偏心量；θ为凸轮(5)转角。
7.根据权利要求6所述的一种用于航空相机的小型化调焦机构，其特征在于，两个所述复位弹簧(10)的力学性能和位置参数满足以下关系：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;x</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>O</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;x</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>O</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;y</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;y</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>F</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中：
Δy1和Δy2为整个行程范围内凸轮(5)的推力分别与两个复位弹簧(10)拉力在Y方向上的间距，所述Y方向为所述凸轮(5)的旋转轴线方向，所述凸轮(5)的旋转轴线正交于所述调焦对象(3)的运动方向；
Δx1O和Δx2O为凸轮(5)零位时，即凸轮(5)转角θ＝0°时，凸轮(5)推力分别与两根复位弹簧(10)拉力在X方向上的间距，所述X方向与所述调焦对象(3)的运动方向以及所述Y方向正交；
Fs1和Fs2为两根复位弹簧(10)的拉力。
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Design and Analysis of Auto-focus Assembly for Spaceborne Remote Sensing Camera;Wei Chen et al.;《2011 International Conference on Electronics,Communications and Control(ICECC)》;20111231;第4234-4236页 *
一种航空画幅遥感相机调焦机构的设计;张继超 等;《光学仪器》;20070430;第29卷(第2期);第50-54页 *
双波段航空相机红外调焦机构的设计;聂品 等;《红外》;20100910;第31卷(第9期);第6-8页 *
空间遥感相机调焦机构设计;丁亚林 等;《光学 精密工程》;20010228;第9卷(第1期);第35-38页 *
航天立体测绘相机调焦机构的设计与实验研究;张海青 等;《机械设计与制造》;20090430(第04期);第57-59页 *

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