CN108563004B - 光轴高稳定的三组联动连续变焦机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光轴高稳定的三组联动连续变焦机构，能够保证长焦距、高变倍比光学系统变焦过程中及振动、冲击、温度试验前后的光轴高稳定。该变焦机构中，变焦凸轮两端均设置有滚动轴承、调节隔圈和双锁紧螺母，直线导杆组件采用了两组共计四根导杆与三个滑架配合：变倍组滑架和像差稳定组滑架共同在第一长导杆和第二长导杆上沿轴向滑动，补偿组滑架在第一短导杆和第二短导杆上沿轴向滑动；变倍组滑架、补偿组滑架和像差稳定组滑架均设置有长直线轴承配合的长圆孔和短直线轴承配合的近似圆的短“一”字孔，分别对应于相应的两根导杆，其中长直线轴承以及长圆孔用于减小视轴跳动，近似圆的短“一”字孔用于防止滑架旋转及卡死。
Description
技术领域
本发明属于光电仪器技术领域，具体涉及一种三组联动连续变焦机构。
背景技术
机载光电稳定平台中，均会配备连续变焦光学系统。连续变焦光学系统可以根据目标的作用距离和大小，实时连续调整焦距，使目标始终清晰成像于监视尺寸内，完成对目标的持续捕获跟踪。现代光电稳定平台对目标跟踪、测量、作用距离及其它特殊任务精度指标要求越来越高，连续变焦光学系统的焦距、变倍比及光轴稳定性指标随之增加。目前常见的连续变焦机构均由两组运动镜组联动实现变焦，这种变焦机构适用于中短焦距，低变倍比的光学系统。对于长焦距、高变倍比的光学系统，两组联动结构形式则需要更大的空间尺寸且其像差很难校正。
传统的两组连续变焦机构，其运动镜组均单独在不同导轨组上滑动，运动镜组数量的增加会导致导轨组数量的增加，其变倍过程中及振动、冲击、温度试验前后的光轴的高稳定性更加难以保证。光轴稳定性的高低直接影响光学系统的成像质量，进而影响系统的整体性能。
三组运动镜组联动的结构形式可以很好的压缩长焦距、高变倍比的光学系统空间尺寸，且其像差更容易控制。但是，三组运动镜组联动的结构形式对于运动镜组之间的光轴重合性有更高的要求，其光轴稳定性也较难控制，对于结构件的加工和整机的装调水平都有较高要求，并非简单的由两组联动增加一组运动镜组，目前尚未见三组运动镜组联动的结构设计。
另外，常见的两组运动镜组连续变焦机构，例如专利文献CN201310321160“像面高稳定的电动连续变焦机构”中所公开的，其变焦光组和补偿光组分别通过第一镜筒和第二镜筒在变焦内筒内滑动实现变焦，第一镜筒外圆与第二镜筒外圆与变焦内筒配合作为滑动轨道。为了保证滑动轨道的配合精度，要求变焦内筒的内圆具有很高的圆柱度，在此前提下，在装配过程需对配合面进行研磨，既要保证运动过程中运动光组的较小跳动，又要保证运动的流畅度，因此研磨程度较难把握，失败率较高。同时，为了减小光轴的跳动，通常的做法是沿长配合面，但对于这种结构，沿长配合面必然会导致结构上的干涉，若是三组联动，配合面的长度将进一步压缩，其光轴的稳定性将难以保证。
发明内容：
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种光轴高稳定的三组联动连续变焦机构，能够保证长焦距、高变倍比光学系统变焦过程中及振动、冲击、温度试验前后的光轴高稳定。
为实现上述目的，本发明的解决方案如下：
该光轴高稳定的三组联动连续变焦机构，包括主镜筒、变焦凸轮、导向销钉组件、直线导杆组件、光学镜组以及相应的滑架；在主镜筒内，所述滑架与直线导杆组件套接滑动配合；主镜筒的筒壁开设有让位槽，导向销钉组件在该让位槽处垂直插入主镜筒内与滑架固定；变焦凸轮安装于主镜筒外壁，变焦凸轮上设置有曲线形式的导向限位槽，导向销钉组件与导向限位槽紧密配合，使得在变焦凸轮的旋转作用下导向销钉组件带动光学镜组以及相应的滑架沿轴向直线移动实现变焦过程；有别于现有技术的是：
所述光学镜组以及相应的滑架包括沿轴向依次设置的变倍组滑架及变倍镜组、补偿组滑架及补偿镜组、像差稳定组滑架及像差稳定镜组；
所述变焦凸轮两端均设置有滚动轴承、调节隔圈和双锁紧螺母，其中滚动轴承主要由轴承内环、轴承外环、保持架和钢珠组成；轴承内环的外圆与变焦凸轮紧密配合，轴承外环的内圆与主镜筒紧密配合，钢珠分别与轴承内环45°斜面和轴承外环45°斜面接触，形成轴承滚道，调节隔圈用于调节变焦凸轮轴向位置，双锁紧螺母压紧轴承外环，以限制变焦凸轮在转动时沿轴向移动；
所述直线导杆组件采用了两组共计四根导杆与三个滑架配合：变倍组滑架和像差稳定组滑架共同在第一长导杆和第二长导杆上沿轴向滑动，补偿组滑架在第一短导杆和第二短导杆上沿轴向滑动；变倍组滑架、补偿组滑架和像差稳定组滑架均设置有长直线轴承配合的长圆孔和短直线轴承配合的近似圆的短“一”字孔，分别对应于相应的两根导杆，其中长直线轴承以及长圆孔用于减小视轴跳动，近似圆的短“一”字孔用于防止滑架旋转及卡死。
基于以上基本解决方案，本发明还进一步作了如下优化：
主镜筒的内壁沿圆周方向固定设置有四组凸耳，与四根导杆一一对应；凸耳开设有轴向的通孔，通孔轴心与主镜筒中心轴平行，凸耳通孔内圆与导杆外圆配作以固定导杆的径向位置，导杆两端安装垫片，通过两个螺钉拉紧于凸耳上。
补偿组滑架在对应于第一长导杆和第二长导杆经过位置开设有让位槽。除了设置让位槽这种方式外，也可以采用对长导杆在相应位置作足够的形变以绕过补偿组滑架等其他让位结构，基本上也能够满足实际工作要求。
变倍组滑架和/或像差稳定组滑架在对应于第一短导杆和第二短导杆经过位置开设有让位槽。除了设置让位槽这种方式外，也可以采用对短导杆在相应位置作足够的形变以绕过补偿组滑架等其他让位结构，基本上也能够满足实际工作要求；而且，由于是短导杆，实际上只需变倍组滑架和像差稳定组滑架之任一作让位结构设置。
导向销钉组件主要由销钉座、销钉套和螺钉组成，销钉座穿过变焦凸轮的导向限位槽，拧紧于滑架上；销钉套从外侧套接在销钉座上，通过螺钉紧固，与所述导向限位槽微过盈配作，以避免导向销钉组件在变焦过程中产生轴向晃动。
销钉座选用不锈钢材料，销钉套选用聚酰亚胺或者聚甲醛材料。
第一长导杆、第一短导杆、第二长导杆和第二短导杆整体依次沿圆周方向等间隔设置。
近似圆的短“一”字孔在与镜组轴心连线方向的径向尺寸为最大径向尺寸，相比其正交方向延伸0.1mm。
变焦凸轮、主镜筒、变倍组滑架、补偿组滑架、像差稳定组滑架均采用7075‐T6超硬铝，外表面均喷砂、阳极氧化并发黑。
术语解释：
长导杆：(相对于所述短导杆)较长的导杆。
短导杆：(相对于所述长导杆)较短的导杆。
长直线轴承：(相对于所述短直线轴承)轴向尺寸较长的轴承。
短直线轴承：(相对于所述长直线轴承)轴向尺寸较短的轴承。
长圆孔：(相对于短“一”字孔)轴向尺寸更长的截面为圆形的通孔。
近似圆的短“一”字孔：(相对于长圆孔)轴向尺寸更短的通孔，截面近似圆形(即最大径向尺寸与最小径向尺寸之差很小)。
本发明具有以下有益效果：
通过三组镜组、两组导杆的结构形式，实现了长焦距、高变倍比光学系统变焦过程中及振动、冲击、温度试验前后的光轴高稳定。
变焦凸轮两端设置滚动轴承，以保证其与主镜筒同轴且减小摩擦力；变倍组滑架和像差稳定组滑架共同在第一长导杆和第二长导杆上沿轴向滑动，补偿组滑架在第一短导杆和第二短导杆上沿轴向滑动。
变倍组滑架、补偿组滑架和像差稳定组滑架均设置有长直线轴承配合的长圆孔及安装有短直线轴承的短“一”字孔，长直线轴承减小视轴跳动，短“一”字孔防止镜组旋转及卡死。
附图说明
图1是一个实施例的A‐A剖视结构示意图，A‐A剖面位置参见图5。
图2是实施例的B‐B剖视结构示意图；B‐B剖面位置参见图5。
图3为主镜筒的示意图。
图4为变焦凸轮的示意图。
图5是图1和图2的端面结构示意图。
图6是滚动轴承结构示意图。
图7是一个实施例的内部结构立体示意图。
图8是滑架的侧视图(以图7的变倍组滑架为例)，左图中位于上方的是长圆孔、位于下方的是短“一”字孔；右图是对左图的局部3:1放大。
图9是导向销钉组件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示，光轴高稳定的三组联动连续变焦机构包括：变焦凸轮1、主镜筒2、变倍组滑架3、变倍镜组4、补偿组滑架5、补偿镜组6、像差稳定组滑架7、像差稳定镜组8和导向销钉组件25。变焦凸轮上设置有曲线形式的导向限位槽，导向销钉组件与导向限位槽紧密配合，使得在变焦凸轮的旋转作用下导向销钉组件带动光学镜组以及相应的滑架沿轴向直线移动实现变焦过程(变倍组滑架和像差稳定组滑架共同在第一长导杆和第二长导杆上沿轴向滑动，补偿组滑架在第一短导杆和第二短导杆上沿轴向滑动)。
变焦凸轮1、主镜筒2、变倍组滑架3、补偿组滑架5、像差稳定组滑架7采用7075‐T6超硬铝，外表面均喷砂、阳极氧化并发黑。
主镜筒2内壁沿圆周均匀分布第一凸耳2‐1、第二凸耳2‐2、第三凸耳2‐3、第四凸耳2‐4这四组凸耳，角度公差90°±3′，与四根导杆一一对应，如图5所示。凸耳开设有轴向的通孔，通孔轴心与主镜筒中心轴平行，凸耳通孔内圆与导杆外圆配作以固定导杆的径向位置，导杆两端安装垫片，通过两个螺钉拉紧于凸耳上。每组凸耳均通过慢走丝加工内孔，保证内孔轴线与主镜筒2中心线平行度0.01mm，凸耳内孔直径与导杆外径配作，间隙小于0.01mm。
变焦凸轮1两端设置有滚动轴承9、调节隔圈和双锁紧螺母，滚动轴承9主要由轴承内环9‐1、轴承外环9‐2、保持架9‐3和钢珠9‐4组成，如图6所示。轴承内环外圆与变焦凸轮紧密配合，轴承外环内圆与主镜筒紧密配合，钢珠分别与轴承内环45°斜面和轴承外环45°斜面接触，形成轴承滚道；调节隔圈用于调节变焦凸轮轴向位置，双锁紧螺母压紧轴承外环，以限制变焦凸轮在转动时沿轴向移动。变焦凸轮通过齿轮驱动在主镜筒上转动，左右两端两个滚动轴承保证变焦凸轮与主镜筒同轴，且减小摩擦力。
具体来说，轴承内环9‐1、轴承外环9‐2、保持架9‐3采用青铜材料，钢珠9‐4选用2mm直径标准件。轴承内环9‐1外圆与变焦凸轮1配作，间隙不大于0.01mm，轴承外环9‐2内圆与主镜筒配作，间隙不大于0.01mm，钢珠9‐4分别与轴承内环9‐1的45°斜面和轴承外环9‐2的45°斜面接触，形成轴承滚道，斜面粗糙度0.8。调节隔圈10用于调节变焦凸轮1轴向位置，双锁紧螺母11压紧轴承外环，保证变焦凸轮1转动平稳流畅且轴向窜动不大于0.01mm。
直线导杆组件12包括第一长导杆12‐1、第一垫片12‐2、第一螺钉12‐3、第二长导杆12‐4、第二垫片12‐5、第二螺钉12‐6、第一短导杆12‐7、第三垫片12‐8、第三螺钉12‐9、第二短导杆12‐10、第四垫片12‐11、第四螺钉12‐12，如图7所示。长导杆选用THK公司定制光轴LM4，长度190mm，直线度0.005mm，短导杆选用THK公司定制光轴LM4，长度100mm，直线度0.004mm。
如图7、图8所示，变倍组滑架上设置有与第一长直线轴承配合的长圆孔以及安装有第一短直线轴承的短“一”字孔；补偿组滑架上设置有与第二长直线轴承配合的长圆孔以及安装有第二短直线轴承的短“一”字孔；像差稳定组滑架上设置有与第一长直线轴承配合的长圆孔以及安装有第一短直线轴承的短“一”字孔。图8中右边放大示意近似圆的短“一”字孔的径向偏移量约0.1mm(近似圆的短“一”字孔在与镜组轴心连线方向的径向尺寸为最大径向尺寸，相比其正交方向延伸0.1mm)。
变倍组滑架3与变倍镜组4定心安装，并通过四个螺钉4‐1紧固。变倍组滑架上开设有让位槽(对应于短导杆经过位置)。变倍组滑架上设置有与变焦凸轮曲线槽配合的导向销钉组件。变倍组滑架3上设置有一对与第一长直线轴承配合的长圆孔，通过左右两端两个轴承压圈将其压紧。第一长直线轴承与第一长导杆配合，形成滑动副。该滑动副起主要支撑作用，并限制变倍组滑架的径向位移，较长的配合面可以减小变倍组滑架在运动过程中的倾斜和跳动。变倍组滑架3还设置有一对指向镜组轴心的近似圆的短“一”字孔，第一短直线轴承安装在短“一”字孔内，两端轴承压圈并不压紧第一短直线轴承。第一短直线轴承可在短“一”字孔内沿径向微量移动。第一短直线轴承与第二长导杆配合，形成滑动副。该滑动副主要限制变倍组滑架绕光轴的旋转，短“一”字孔可防止变倍组滑架在运动过程中因两长导杆不平行，直线度较差及滑架加工误差而导致卡死。具体来说：长圆孔直径8mm与第一长直线轴承13配作，间隙不大于0.01mm，第一长直线轴承13选用型号LM4‐L，长度23mm，其与第一长导杆12‐1配合间隙0.005mm。两个轴承压圈14将其压紧。近似圆的短“一”字孔的径向偏移量约0.1mm，第一短直线轴承15沿径向最大有±0.05mm位移量，轴承压圈16并不压紧。第一短直线轴承15选用型号LM4，长度12mm，其与第二长导杆12‐4配合间隙0.005mm。
补偿组滑架5与补偿镜组6定心安装，并通过四个螺钉6‐1紧固。补偿组滑架上开设有让位槽(对应于长导杆经过位置)。补偿组滑架上设置有与变焦凸轮曲线槽配合的导向销钉组件。补偿组滑架5上设置有一对与第二长直线轴承配合的长圆孔，通过左右两端两个轴承压圈将其压紧。第二长直线轴承与第一短导杆配合，形成滑动副。该滑动副起主要支撑作用，并限制补偿组滑架的径向位移，较长的配合面可以减小补偿组滑架在运动过程中的倾斜和跳动。补偿组滑架上还设置有一对近似圆的短“一”字孔，第二短直线轴承安装在短“一”字孔内，两端轴承压圈并不压紧第二短直线轴承。第二短直线轴承可在短“一”字孔内沿径向微量移动。第二短直线轴承与第二短导杆配合，形成滑动副。该滑动副主要限制补偿组滑架绕光轴的旋转，短“一”字孔可防止补偿组滑架在运动过程中因两长导杆不平行，直线度较差及滑架加工误差而导致卡死。具体来说：长圆孔直径8mm与第二长直线轴承17配作，间隙不大于0.01mm，第二长直线轴承17选用型号LM4‐L，长度23mm，其与第一短导杆12‐7配合间隙0.005mm。两个轴承压圈18将其压紧。近似圆的短“一”字孔的径向偏移量约0.1mm，第二短直线轴承19沿径向最大有±0.05mm位移量，轴承压圈20并不压紧。第二短直线轴承19选用型号LM4，长度12mm，其与第二短导杆12‐10配合间隙0.005mm。
像差稳定组滑架7与像差稳定镜组8定心安装，并通过四个螺钉8‐1紧固。像差稳定组滑架上开设有让位槽(对应于短导杆经过位置)。像差稳定组滑架上设置有与变焦凸轮曲线槽配合的导向销钉组件。像差稳定组滑架上设置有一对与第三长直线轴承配合的长圆孔，通过左右两端两个轴承压圈将其压紧。第三长直线轴承与第一长导杆配合，形成滑动副。该滑动副起主要支撑作用，并限制像差稳定组滑架的径向位移，较长的配合面可以减小像差稳定组滑架在运动过程中的倾斜和跳动。像差稳定组滑架还设置有一对近似圆的短“一”字孔，第三短直线轴承安装在短“一”字孔内，两端轴承压圈并不压紧第二短直线轴承。第三短直线轴承可在短“一”字孔内沿径向微量移动。第三短直线轴承与第二长导杆配合，形成滑动副。该滑动副主要限制像差稳定组滑架绕光轴的旋转，短“一”字孔可防止像差稳定组滑架在运动过程中因两长导杆不平行，直线度较差及滑架加工误差而导致卡死。具体来说：像差稳定组滑架7上设置长圆孔与短“一”字孔。长圆孔直径8mm与第三长直线轴承21配作，间隙不大于0.01mm，第三长直线轴承21选用型号LM4‐L，长度23mm，其与第一长导杆12‐1配合间隙0.005mm。两个轴承压圈22将其压紧。近似圆的短“一”字孔的径向偏移量约0.1mm，第三短直线轴承23沿径向最大有±0.05mm位移量，轴承压圈24并不压紧。第三短直线轴承23选用型号LM4，长度12mm，其与第二长导杆12‐4配合间隙0.005mm。
滑架、导杆、轴承以及通孔的配合对应关系参见下表1：
表1
导向销钉组件25由销钉座25‐1、销钉套25‐2、螺钉25‐3组成，如图9所示。销钉座25‐1选用不锈钢材料，销钉套(25‐2)使用塑料材料(例如聚酰亚胺、白色聚甲醛等材料)。销钉座25‐1穿过变焦凸轮1曲线槽(导向限位槽)，拧紧于滑架上。销钉套25‐2从上方安装在销钉座25‐1上，可以方便地更换销钉套而不用拆装销钉座。销钉套25‐2与曲线槽微过盈配作，过盈量0.005mm，以消除在变焦过程中，各运动镜组轴向定位误差。
该实施例可用于焦距范围在18—540mm的30倍连续变焦镜头。
Claims (9)
1.光轴高稳定的三组联动连续变焦机构，包括主镜筒、变焦凸轮、导向销钉组件、直线导杆组件、光学镜组以及相应的滑架；在主镜筒内，所述滑架与直线导杆组件套接滑动配合；主镜筒的筒壁开设有让位槽，导向销钉组件在该让位槽处垂直插入主镜筒内与滑架固定；变焦凸轮安装于主镜筒外壁，变焦凸轮上设置有曲线形式的导向限位槽，导向销钉组件与导向限位槽紧密配合，使得在变焦凸轮的旋转作用下导向销钉组件带动光学镜组以及相应的滑架沿轴向直线移动实现变焦过程；
其特征在于：
所述光学镜组以及相应的滑架包括沿轴向依次设置的变倍组滑架及变倍镜组、补偿组滑架及补偿镜组、像差稳定组滑架及像差稳定镜组；
所述变焦凸轮两端均设置有滚动轴承、调节隔圈和双锁紧螺母，其中滚动轴承主要由轴承内环、轴承外环、保持架和钢珠组成；轴承内环的外圆与变焦凸轮紧密配合，轴承外环的内圆与主镜筒紧密配合，钢珠分别与轴承内环45°斜面和轴承外环45°斜面接触，形成轴承滚道，调节隔圈用于调节变焦凸轮轴向位置，双锁紧螺母压紧轴承外环，以限制变焦凸轮在转动时沿轴向移动；
所述直线导杆组件采用了两组共计四根导杆与三个滑架配合：变倍组滑架和像差稳定组滑架共同在第一长导杆和第二长导杆上沿轴向滑动，补偿组滑架在第一短导杆和第二短导杆上沿轴向滑动；变倍组滑架、补偿组滑架和像差稳定组滑架均设置有长直线轴承配合的长圆孔和短直线轴承配合的近似圆的短“一”字孔，分别对应于相应的两根导杆，其中长直线轴承以及长圆孔用于减小视轴跳动，近似圆的短“一”字孔用于防止滑架旋转及卡死。
2.根据权利要求1所述的光轴高稳定的三组联动连续变焦机构，其特征在于：所述主镜筒的内壁沿圆周方向固定设置有四组凸耳，与四根导杆一一对应；凸耳开设有轴向的通孔，通孔轴心与主镜筒中心轴平行，凸耳通孔内圆与导杆外圆配作以固定导杆的径向位置，导杆两端安装垫片，通过两个螺钉拉紧于凸耳上。
3.根据权利要求1所述的光轴高稳定的三组联动连续变焦机构，其特征在于：所述补偿组滑架在对应于第一长导杆和第二长导杆经过位置开设有让位槽。
4.根据权利要求1所述的光轴高稳定的三组联动连续变焦机构，其特征在于：所述变倍组滑架和/或像差稳定组滑架在对应于第一短导杆和第二短导杆经过位置开设有让位槽。
5.根据权利要求1所述的光轴高稳定的三组联动连续变焦机构，其特征在于：所述导向销钉组件主要由销钉座、销钉套和螺钉组成，销钉座穿过变焦凸轮的导向限位槽，拧紧于滑架上；销钉套从外侧套接在销钉座上，通过螺钉紧固，与所述导向限位槽微过盈配作，以避免导向销钉组件在变焦过程中产生轴向晃动。
6.根据权利要求5所述的光轴高稳定的三组联动连续变焦机构，其特征在于：所述销钉座选用不锈钢材料，销钉套选用聚酰亚胺或者聚甲醛材料。
7.根据权利要求1所述的光轴高稳定的三组联动连续变焦机构，其特征在于：所述第一长导杆、第一短导杆、第二长导杆和第二短导杆整体依次沿圆周方向等间隔设置。
8.根据权利要求1所述的光轴高稳定的三组联动连续变焦机构，其特征在于：所述近似圆的短“一”字孔在与镜组轴心连线方向的径向尺寸为最大径向尺寸，相比其正交方向延伸0.1mm。
9.根据权利要求1所述的光轴高稳定的三组联动连续变焦机构，其特征在于：变焦凸轮、主镜筒、变倍组滑架、补偿组滑架、像差稳定组滑架均采用7075‐T6超硬铝，外表面均喷砂、阳极氧化并发黑。
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