CN107608049B - 一种高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构，用于实现光学系统中某一镜组的径向旋转切入、切出功能。通过旋转驱动装置带动切换镜组旋转，从而实现切换镜组在光路中的切入、切出；通过支承连杆将切换镜组与滑块、直线导轨相连，提供辅助支承，提高了动态条件下切换镜组的稳定性；通过对曲柄滑块机构角度的设计，实现在滑块处施加较小的锁定电磁力即可克服切换镜组的不平衡力矩。本镜组切换机构，通过在旋转径向切换机构上增加支承连杆、滑块和直线导轨，在不影响原切换运动的情况下，有效改善了镜组的支承刚度和锁止作用，提高了振动、冲击等条件下切换镜组的工作可靠性。

Description

一种高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构

技术领域

本发明属于光学仪器技术领域，涉及一种高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构，主要针对带有镜组切入、切出需求的光学系统，如变倍镜组、滤光镜组等，可以提供较高的镜组支承刚度和锁止性能。

背景技术

光学系统经常需要在光路中插入或者移出部分镜组，以实现不同的功能或性能。例如搜索跟踪设备的光学系统通过变倍镜组的切换以实现不同的视场和分辨率，告警设备的光学系统通过不同滤光片的切换实现不同波段的单独探测，绝大多数红外光学系统都需要通过一个均温挡片的插入以实现非均匀校正功能。

根据镜组切入和切出光学系统的方式不同，可分为旋转切换式和平移切换式两种。例如径向旋转切换式变倍机构多数用在双视场变倍光学系统中，旋转切换式变倍机构绕着回转轴旋转，使得变倍镜组切入或切出光学系统。平移切换式变倍机构是将变倍透镜组沿着垂直系统光轴的方向平移，切入或切出光学系统，实现视场切换(变倍)。

在振动条件下工作的镜组切换机构，不论是旋转切换式还是平移切换式，镜组的支承刚度对于系统的性能都有重要的影响。平移切换式可以为镜组提供多个支承臂，但是会带来结构空间尺寸大，驱动元器件多且复杂，完成变倍时间较长等缺点。而旋转切换式机构通常只有一个镜组支承臂，在对镜组支承刚度较敏感的系统中，会大大限制其应用范围。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构，针对传统旋转切换式机构支承刚度差的问题，基于曲柄滑块构型，提供了一种简单可靠，支承刚度高的光学镜组切换机构，通过增加一组支承连杆，大大提高了切换镜组的支承刚度，同时通过对曲柄滑块机构角度的设计，改善了切换镜组的锁止性能。

技术方案

一种高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构，其特征在于包括旋转驱动装置1、切换镜组2、支承连杆3、滑块4、直线导轨5、电磁铁6及接近传感器7；切换镜组2的一端与旋转驱动装置1的驱动轴固定连接，另一端与支承连杆3通过连杆轴和轴承相连，两者可以绕轴中心相对旋转；支承连杆3与滑块4通过滑块轴和轴承相连，两者可以绕轴中心相对旋转；使用时，旋转驱动装置1和直线导轨5根据使用要求用螺钉固定于被使用件的壳体上，两个接近传感器7固定于滑块4的两个极限位置，与滑块4上的到位感应块设有感应距离。

所述的旋转驱动装置1包括电机壳11、电机12、转接衬套13、驱动轴14、轴承衬套15、轴承16和限位螺钉17；电机12的定子固定于电机壳11上，电机12的转子通过转接衬套13与驱动轴14固连，驱动轴14与电机壳11之间装有轴承16，轴承16的内圈与驱动轴14固连，轴承16的外圈通过轴承衬套15与电机壳11相连，电机壳11上带有限位结构，限位螺钉17拧入限位结构上的螺纹孔中。

所述的切换镜组2包括镜组支架21、光学镜组22和连杆轴23；光学镜组22装配于镜组支架21一端的镜框内，连杆轴23位于镜框的侧边。

所述的支承连杆3包括连杆31、第一轴承32和第二轴承33；两组轴承分别位于连杆31两端的轴承孔内。

所述滑块4包括滑块体41、滑块轴42和到位感应块43；滑块轴42位于滑块体41上表面，到位感应块43固定于滑块体41的侧面。

所述直线导轨5为任意形式的直线运动部件，包括：滚轮直线导轨、圆柱直线导轨或滚珠直线导轨。

所述的电磁铁6为直流螺线管电磁铁，安装于直线导轨5的两端，吸引面朝向滑块方向。

所述接近传感器7包括霍尔元件71、压板72和传感器支架73；霍尔元件71圆形长条状，通过压板72压紧固定于传感器支架73的沟槽内。

本发明的高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构通过旋转驱动装置1实现切换镜组2在光路中的切入、切出；通过镜组支架21和连杆31共同提高光学镜组22的支承刚度；通过曲柄滑块机构和电磁铁6实现光学镜组的可靠锁止。

有益效果

本发明提出的一种高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构，用于实现光学系统中某一镜组的径向旋转切入、切出功能。通过旋转驱动装置带动切换镜组旋转，从而实现切换镜组在光路中的切入、切出；通过支承连杆将切换镜组与滑块、直线导轨相连，提供辅助支承，提高了动态条件下切换镜组的稳定性；通过对曲柄滑块机构角度的设计，实现在滑块处施加较小的锁定电磁力即可克服切换镜组的不平衡力矩。本镜组切换机构，通过在旋转径向切换机构上增加支承连杆、滑块和直线导轨，在不影响原切换运动的情况下，有效改善了镜组的支承刚度和锁止作用，提高了振动、冲击等条件下切换镜组的工作可靠性。

本发明的优点为：

1、基于旋转切换方式实现光学镜组的切入、切出，结构空间尺寸小；

2、基于支承连杆，显著改善了光学镜组的结构支承刚度；

3、通过对曲柄滑块机构的设计，减小了所需锁止力，保证镜组的可靠锁止。

附图说明

图1是本发明实例的结构组成图；

图2是本发明实例处于切入位置时与光学系统的装配结构图；

图3是本发明实例处于切出位置时与光学系统的装配结构图；

图4是旋转驱动装置的组成与剖面结构图；

图5是切换镜组的组成图；

图6是支承连杆、滑块、直线导轨和电磁铁的组成图；

图7是接近传感器的组成图；

图中，1-旋转驱动装置，2-切换镜组，3-支承连杆，4-滑块，5-直线导轨，6-电磁铁，7-接近传感器，11-电机壳，12-电机，13-转接衬套，14-驱动轴，15-轴承衬套，16-轴承，17-限位螺钉，21-镜组支架，22-光学镜组，23-连杆轴，31-连杆，32-轴承，33-轴承，41-滑块体，42-滑块轴，43-到位感应块，71-霍尔元件，72-压板，73-传感器支架。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的目的是通过如下措施来达到：一种高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构，包括旋转驱动装置、切换镜组、支承连杆、滑块、直线导轨、电磁铁及接近传感器。旋转驱动装置又由电机壳、电机、转接衬套、驱动轴、轴承衬套、轴承和限位螺钉组成。电机的定子固定于电机壳上，转子通过转接衬套与驱动轴进行固连，驱动轴与一组轴承内圈连接，轴承的外圈通过轴承衬套与电机壳相连。电机壳体上带有限位结构，限位螺钉拧入限位结构上的螺钉孔中，并不同控制旋入的深度精确调节限位位置。整个旋转驱动装置用螺钉固定于外部壳体上。切换镜组由镜组支架、光学镜组和连杆轴组成。旋转驱动装置的驱动轴与镜组支架固定连接，从而可带动整个切换镜组绕轴中心旋转。光学镜组装配于镜组支架一端的镜框内。与驱动轴平行的另一跟连杆轴位于镜框附近，并通过支承连杆上的轴承与支承连杆形成转动副连接。支承连杆的另一端又通过轴承与滑块上的滑块轴形成转动幅连接。滑块由滑块体、滑块轴和到位感应块组成，滑块轴位于滑块体上表面，与驱动轴和连杆轴均平行，到位感应块固定于滑块体的侧面。滑块可沿直线导轨做直线滑动，直线导轨自身用螺钉固定于外部壳体上。直线导轨可为任意形式高精度直线运动部件，如滚轮直线导轨、圆柱直线导轨和滚珠直线导轨等。直线导轨的两端各装配有一个磁铁，电磁铁为直流螺线管电磁铁，吸引面朝向滑块方向。接近传感器自身用螺钉固定于外部壳体上，与其他零部件无机械接触，接近传感器位置靠近滑块运动的两个极限位置，并与滑块上的到位感应块保持一定的感应距离。

本发明实现镜组切换的主要原理为：旋转驱动装置中的电机可驱使驱动轴旋转，从而带动切换镜组做圆弧运动，实现切换镜组在光路中的切入和切出。驱动轴、切换镜组、支承连杆、滑块和直线导轨组成一个曲柄滑块机构。支承连杆、滑块和直线导轨的作用为给切换镜组提供附加的结构支撑，同时不干扰切换镜组正常的旋转切换运动，也不对系统光路产生任何遮挡。

本发明实现镜组限位的主要原理为：切换镜组主要有工作和切出两个极限位置，其中工作位置一般需要有最高的定位精度，光学镜组在光路中的位置偏差将对系统性能产生直接影响。同时由于电磁铁的作用范围有限，切出位置也必须保证一定的定位精度，以保证锁止的可靠性。旋转驱动装置带有两个限位结构，限位结构的初始角度根据切换镜组的运动范围初步确定。限位结构上各带有一个螺纹通孔，限位螺钉从通孔内拧入。在实际装配过程中，根据切换镜组的实际定位位置，调节两个限位螺钉的拧入深入，使得螺钉头精确抵在切换镜组的镜组支架上，以保证限位的精确性。

在切换镜组到达限位位置时，为了防止切换镜组在电机带动下直接撞向限位螺钉，设置了两个接近传感器。对于曲柄滑块机构，滑块的位置和曲柄的角度具有直接的对应关系。在滑块的两个极限位置附近分别设置一个接近传感器，接近传感器采用非接触的霍尔元件来感应滑块上的到位感应块。到位感应块需选择能触发霍尔效应的材料制成，一种典型的到位感应块材料为：不锈钢2Cr13。当接近传感器被触发后，电机将进行减速操作，当切换镜组抵靠在限位螺钉上，电机检测到被堵转后，电机下电，电磁铁上电进行锁止。

需要说明的是，理论上曲柄的旋转角度和滑块的位置并不总是一一对应的，这将对接近传感器被触发时，控制系统的判断产生影响。一种优选的方案是对曲柄滑块机构的尺寸和旋转角度进行限定，保证工作范围内两者是一一对应的。其他可选的方案为采用多个接近传感器，同时感应滑块的位置和运动方向，由控制系统对是否为接近限位位置进行判断。

本发明实现镜组锁止功能的主要原理为：对于传统的旋转切换机构，由于光学镜组质量靠近悬臂外端，而锁止装置为了不遮挡光路，一般设置在旋转轴附近，两者力臂相差较大。在振动条件下，需要的锁止力远大于光学镜组产生的不平衡力。

而对于曲柄滑块机构，可以通过一定的限定条件，保证在极限位置处所需的锁止力不大于光学镜组产生的不平衡力。对于不同尺寸的曲柄滑块机构，限定的条件有所差别，一种优选的方案为：

1保证曲柄的长度不大于直线导轨与驱动轴的垂直距离；

2同时保证工作范围内，滑块的位置总位于驱动轴心与直线导轨垂线的一侧。

在直线导轨的两端设置电磁铁，当切换镜组抵达限位位置时，根据电机的旋转方向，对应端的电磁铁上电，吸引滑块产生电磁锁止力，保证在振动不平衡力矩作用下，切换镜组不会产生偏离。

具体实施例：

如图1、图2和图3所示，旋转驱动装置1、直线导轨5和接近传感器7需独立安装于设备外部壳体上，装配时相互之间的位置可能需要进行调节。

如图4所示，所述的旋转驱动装置1由电机壳11、电机12、转接衬套13、驱动轴14、轴承衬套15、轴承16和限位螺钉17组成。电机壳11是整个旋转驱动装置1的主要结构件，电机12的定子固定于电机壳11上，两者一般为螺纹联接。电机12的转子通过转接衬套13与驱动轴14联接。力矩较小时，驱动轴14与转接衬套13可用过盈配合，力矩较大时，需增加平键传递力矩。转接衬套13与电机12转子为螺纹联接。驱动轴14与电机壳11之间通过轴承16进行装配，轴承16可选成对的角接触轴承或者深沟球轴承。电机壳11上带有限位结构，限位结构的初始位置根据切换镜组2的工作范围大体确定，限位结构上带有螺纹通孔，限位螺钉17拧入限位结构上的螺纹孔中，在实际装配时，根据切换镜组2的实际定位位置调整限位螺钉17的拧入深度，保证切换镜组2的精确定位。

如图5所示，所述的切换镜组2由镜组支架21、光学镜组22和连杆轴23组成。光学镜组22装配于镜组支架21一端的镜框内，连杆轴23位于镜框附近。切换镜组2实际为曲柄滑块机构中的曲柄，一端与驱动轴14进行固定连接，在电机12和驱动轴14带动下，可绕驱动轴14中心进行旋转。切换镜组2另外一端通过连杆轴23和支承连杆3相连，两者绕连杆轴23的中心可自由转动。

如图6所示，所述支承连杆3由连杆31、第一轴承32和第二轴承33组成，两组轴承分别位于连杆31两端的轴承孔内。所述滑块4由滑块体41、滑块轴42和到位感应块43组成，滑块轴42位于滑块体41上表面，到位感应块43固定于滑块体41的侧面。轴承31和第一轴承32的作用为减小连杆轴23和滑块轴42处的转动摩擦力，同时提高轴系的回转精度。滑块体41和直线导轨5为精密的直线运动副配合，可选的直线导轨形式有：滚轮直线导轨、圆柱直线导轨和滚珠直线导轨等。所述的电磁铁6为直流螺线管电磁铁，装配于直线导轨5的两端，吸引面朝向滑块方向。实际装配中，在确定了切换镜组2的实际限位位置后，安装电磁铁6。保证电磁铁6与滑块体41之间具有较小的作用间隙，但是不互相接触，以防影响切换镜组2的定位精度。

如图7所示，所述的接近传感器7由霍尔元件71、压板72和传感器支架73组成，霍尔元件71形状为圆形长条状，可通过压板72压紧固定于传感器支架73的沟槽内。实际装配中，在确定了切换镜组2的实际限位位置后，安装接近传感器7，接近传感器7与实际限位之间的距离由切换机构的控制算法确定。同时调整接近传感器7上霍尔元件71与滑块4上到位感应块43之间的距离，保证到位感应块43能灵敏触发霍尔元件71，但是又互不接触，以防运动过程中到位感应块43撞坏霍尔元件71。

将切换机构装配入光学系统过程中，首先将旋转驱动装置1、切换镜组2、支承连杆3、滑块4、直线导轨5进行装配，并在系统中确定旋转驱动装置1的安装位置并固定在设备外部壳体上。在系统光路中，将切换镜组2调整至工作位置，调节并紧固对应的限位螺钉17，将切换镜组2调整至切出位置，调节并紧固对应的限位螺钉17。精细调整直线导轨5的安装位置，保证整个运动过程的平顺和稳定，将直线导轨5固定在设备外部壳体上。将电磁铁6装配到直线导轨5上，将接近传感器7固定在设备外部壳体上，保证对应的工作间隙。

高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构的典型应用场合有：机载光电搜索跟踪系统、机载高空可见光侦查设备，机载告警设备，机载对抗设备等。

Claims (8)

1.一种高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构，其特征在于包括旋转驱动装置(1)、切换镜组(2)、支承连杆(3)、滑块(4)、直线导轨(5)、电磁铁(6)及接近传感器(7)；切换镜组(2)的一端与旋转驱动装置(1)的驱动轴固定连接，另一端与支承连杆(3)通过连杆轴和轴承相连，两者可以绕轴中心相对旋转；支承连杆(3)与滑块(4)通过滑块轴和轴承相连，两者可以绕轴中心相对旋转；使用时，旋转驱动装置(1)和直线导轨(5)根据使用要求用螺钉固定于被使用件的壳体上，两个接近传感器(7)固定于滑块(4)的两个极限位置，与滑块(4)上的到位感应块设有感应距离。

2.根据权利要求1所述高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构，其特征在于：所述的旋转驱动装置(1)包括电机壳(11)、电机(12)、转接衬套(13)、驱动轴(14)、轴承衬套(15)、轴承(16)和限位螺钉(17)；电机(12)的定子固定于电机壳(11)上，电机(12)的转子通过转接衬套(13)与驱动轴(14)固连，驱动轴(14)与电机壳(11)之间装有轴承(16)，轴承(16)的内圈与驱动轴(14)固连，轴承(16)的外圈通过轴承衬套(15)与电机壳(11)相连，电机壳(11)上带有限位结构，限位螺钉(17)拧入限位结构上的螺纹孔中。

3.根据权利要求1所述高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构，其特征在于：所述的切换镜组(2)包括镜组支架(21)、光学镜组(22)和连杆轴(23)；光学镜组(22)装配于镜组支架(21)一端的镜框内，连杆轴(23)位于镜框的侧边。

4.根据权利要求1所述的高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构，其特征在于：所述的支承连杆(3)包括连杆(31)、第一轴承(32)和第二轴承(33)；两组轴承分别位于连杆(31)两端的轴承孔内。

5.根据权利要求1所述的高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构，其特征在于：所述滑块(4)包括滑块体(41)、滑块轴(42)和到位感应块(43)；滑块轴(42)位于滑块体(41)上表面，到位感应块(43)固定于滑块体(41)的侧面。

6.根据权利要求1所述的高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构，其特征在于：所述直线导轨(5)为滚轮直线导轨、圆柱直线导轨或滚珠直线导轨形式的直线运动部件。

7.根据权利要求1所述的高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构，其特征在于：所述的电磁铁(6)为直流螺线管电磁铁，安装于直线导轨(5)的两端，吸引面朝向滑块方向。

8.根据权利要求1所述的高刚度曲柄滑块光学镜组切换机构，其特征在于：所述接近传感器(7)包括霍尔元件(71)、压板(72)和传感器支架(73)；霍尔元件(71)圆形长条状，通过压板(72)压紧固定于传感器支架(73)的沟槽内。

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