CN113803411A - 红外热像仪凸轮式变倍调焦系统双片薄齿轮错齿消隙机构 - Google Patents

红外热像仪凸轮式变倍调焦系统双片薄齿轮错齿消隙机构 Download PDF

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陈吕吉
杨庆华
张生全
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刘永杰
万启春
王海洋
杨林
徐瑞
许家森
林万宏
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Abstract

本发明涉及一种红外热像仪凸轮式变倍调焦系统双片薄齿轮错齿消隙机构，包括电机、第一齿轮、第二齿轮、扭簧和从动齿轮。第一齿轮固定连接电机的转轴，第二齿轮通过第一齿轮的齿轮轴间隙连接；第一齿轮和第二齿轮相配合的面留有扭簧的安装空间；第一齿轮和第二齿轮的齿轮盘上均设置有扭簧挂孔，扭簧的一端挂接在第一齿轮的扭簧挂孔内，其另外一端挂接在第二齿轮的扭簧挂孔内，第二齿轮自外向内贴近第一齿轮并从轴向固定住第二齿轮。通过旋转第一齿轮，让扭簧产生预紧力，通过把两片薄齿轮的齿进行错位的方式啮合在从动齿轮，用于消除齿轮正反旋转传递带来的间隙误差，达到多组透镜一起稳定高精度的相对运动。本机构具有结构简单、可靠性高等特点。

Description

红外热像仪凸轮式变倍调焦系统双片薄齿轮错齿消隙机构
技术领域
本发明涉及一种红外热像仪凸轮式变倍调焦系统双片薄齿轮错齿消隙机构，特别是一种双片微型齿轮错齿消隙机构，属于红外热像仪领域。
背景技术
国内外高精度红外热像仪的光学系统，大量运用凸轮式变焦光学系统，通过设计好的凸轮曲线槽驱动连接的透镜框带动透镜按照预先设计的曲线进行前后运动，从而实现光学系统多组透镜组合起来变倍和调焦的需要。
目前，凸轮式变倍和调焦机构一般通过齿轮之间传递实现。齿轮之间啮合太紧，导致低温齿轮卡死；啮合太松，导致间隙增大，将对高精度的瞄准红外热像仪带来误差，从而导致红外热像仪观瞄精度下降，并且增加伺服控制的难度，难以判断编码器的位置处于空回间隙中还是驱动了透镜已经运动。
中国专利CN102996757A公开了一种错齿调节扭簧力的双齿轮消隙结构，通过多根拉簧的方式产生预紧力，从而消除间隙。但是，由于拉簧挂在两片齿轮上，两片齿轮都必须留出拉簧本体和拉伸后的空间余量，导致齿轮过大，很难在小型化机构的微型薄齿轮传递上运用。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种红外热像仪凸轮式变倍调焦系统双片薄齿轮错齿消隙机构，用于红外热像仪所要求的小型化变倍调焦齿轮传递系统中，能够明显提高齿轮间传递间隙的消除效果，帮助提高齿轮的传递准确度，进而有效提高凸轮式变倍调焦系统上红外热像仪的观瞄精度，同时降低伺服控制的难度。
本发明实现上述目的的技术方案为：
一种红外热像仪凸轮式变倍调焦系统双片薄齿轮错齿消隙机构，包括：电机，第一齿轮，第二齿轮，扭簧和从动齿轮。所述第一齿轮和第二齿轮均设置有齿轮内孔；所述第一齿轮的齿轮内孔固定连接电机的转轴，该第一齿轮的与电机相连接的相对面设置有齿轮轴，该齿轮轴与第二齿轮的齿轮内孔间隙连接；所述第一齿轮和第二齿轮相配合的面留有扭簧的安装空间；所述第一齿轮和第二齿轮的齿轮盘上均设置有扭簧挂孔，所述扭簧的一端挂接在第一齿轮的扭簧挂孔内，其另外一端挂接在第二齿轮的扭簧挂孔内，所述第二齿轮自外向内贴近第一齿轮并从轴向固定住第二齿轮。所述第一齿轮与第二齿轮的模数、齿数和分度圆直径相同。使用时，通过旋转第一齿轮，让扭簧产生预紧力，通过把两片薄齿轮的齿进行错位的方式啮合在从动齿轮上，用于消除齿轮正反旋转传递带来的间隙误差，达到多组透镜一起稳定高精度的相对运动。
优选的，所述扭簧挂孔的圆心的位置为：在所述第一齿轮、第二齿轮上以其轴心为中心，以扭簧的中径Dm为直径的圆环上的与所述轴心呈一条直线的二个端点处。
优选的，所述第一齿轮和第二齿轮采用微型薄片直齿轮。
优选的，还包括用于固定连接第一齿轮与电机转轴的齿轮压块。
优选的，还包括用于卡在第一齿轮所设置的挡圈槽里的轴用挡圈，实现从轴向固定住第二齿轮。
本发明的机理及有益效果为：
本发明的扭簧的选择需要结合电机扭力、扭簧丝直径、扭簧中径、旋转角度等进行计算和确定，其旋转相应角度需要的扭力为：
Figure BDA0003253438790000021
式中：M：扭簧扭力；E：线材刚性模数；d1：簧丝直径；φ：旋转角度；Dm:扭簧中径；P：代表圆周率；N：有效圈数；R：负荷作用力臂。判断计算得到的扭簧的扭力是否能够满足所述电机的扭矩的要求。
通过结合摩擦阻力、转动惯量、电机扭矩等参数，可以给定出扭簧运行最大扭力，然后根据扭簧中径Dm、选取相应簧丝直径d1、相应材料(弹性模量E)。
该机构用于高精度红外视场切换结构的传递，齿轮需要通过准确的计算，结合分度圆直径、齿数比、提高齿轮精度，模数不拟过大，可以适当增加齿数，选取相应的模数，第一齿轮与第二齿轮的模数、齿数、分度圆直径必须相同，模数计算公式如下：
Figure BDA0003253438790000031
式中：d2：分度圆直径；Z：齿数。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
(1)本发明仅用一根扭簧，除了可以用于较大齿轮，也可在微型薄齿轮上应用；
(2)对于采用多根拉簧的方式，由于采用多根拉簧配合，使用时必须拉伸扭簧原长，多根扭簧的不一致性或者装配误差易造成拉簧拉力不均匀，在齿轮旋转过程中，易造成齿轮啮合错齿位置发生变化，产生间隙造成齿轮精度不一致；拉簧是受轴向拉力的螺旋扭簧，因多圈簧丝绕制而成，簧丝直径一般较细，拉伸力使每圈之间的间距增大，因拉簧形变需要恢复原长，故产生预紧力，其拉簧两端钩容易变形，长时间拉伸后可靠性较低，易疲劳导致拉簧失效。而本发明的扭簧圈数较少，簧丝直径较粗，其产生的是扭矩或旋转力，不容易产生疲劳而导致性能下降甚至失效，在微型高精度的齿轮消隙应用中可靠性比拉簧更高；因此，本机构具有结构简单、可靠性高等优点。
总之，本发明的机构用在高精度小型化要求的凸轮筒或者凸轮轴式红外变倍调焦消隙齿轮传递机构系统的热像仪上，能明显提高齿轮间传递间隙消除，提高齿轮传递准确度，提高凸轮式变倍调焦系统上红外热像仪的观瞄精度，并降低伺服控制难度，节省空间，达到小型化的要求。
附图说明
图1：本发明机构的组成示意图。
图2：双片齿轮消隙机构的结构示意图。
图3：第一齿轮结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为左视图。
图4：第二齿轮结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为左视图。
图5：扭簧的三维结构示意图。
图6：扭簧的二维尺寸示意图
图中：1-电机，2-第一齿轮，3-第二齿轮，4-扭簧，5-从动齿轮；6-齿轮压块；7-轴用挡圈，11-电机转轴，12-齿轮轴，13-扭簧挂孔，14-挡圈槽。
具体实施方式
实施例1
如图1-图5所示，一种红外热像仪凸轮式变倍调焦系统双片齿轮错齿消隙机构，包括：电机1，第一齿轮2，第二齿轮3，扭簧4和从动齿轮5，齿轮压块6，轴用挡圈7。所述第一齿轮2和第二齿轮3均设置有齿轮内孔；所述第一齿轮2的齿轮内孔通过齿轮压块6固定连接电机转轴11，该第一齿轮2与电机1相连接的相对面设置有齿轮轴12，该齿轮轴12与第二齿轮3的齿轮内孔间隙连接；所述第一齿轮2和第二齿轮3相配合的面留有扭簧4的安装空间；所述第一齿轮2和第二齿轮3的齿轮盘上均设置有扭簧挂孔13，所述扭簧4的一端挂接在第一齿轮的扭簧挂孔13内，其另外一端挂接在第二齿轮3的扭簧挂孔13内，所述第二齿轮3自外向内贴近第一齿轮2并用轴用挡圈7卡在第一齿轮2的挡圈槽14内，限制住第二齿轮3轴向移动位置；通过旋转第一齿轮3，让扭簧4产生预紧力，通过把两片薄齿轮的齿进行错位的方式啮合在从动齿轮5上，从而消除齿轮正反旋转传递带来的间隙误差，达到多组透镜一起稳定高精度的相对运动。
扭簧4选择时需要结合电机扭力、扭簧丝直径、扭簧中径、旋转角度等进行计算和确定，如图6所示，旋转相应角度需要的扭力：
Figure BDA0003253438790000041
式中：M：扭簧扭力；E：线材刚性模数；d1：簧丝直径；φ：旋转角度；Dm:扭簧中径；P：代表圆周率(例如取值3.1416)；N：有效圈数；R：负荷作用力臂。扭簧4选择时可以通过上式进行验算以确定其能够满足设计要求。
通过结合摩擦阻力、转动惯量、电机扭矩等参数，可以给定出扭簧运行最大扭力，然后根据扭簧中径Dm、选取相应簧丝直径d1、相应材料(线材刚性模数E)。
齿轮扭簧挂孔位置根据扭簧的中径Dm来设计：在齿轮上以轴心为中心，以扭簧的中径Dm为直径的两个端点处，在任一端点处可设计一个扭簧挂孔13(图2中设计了1个扭簧挂孔，图3、图4中设计了2个扭簧挂孔)，扭簧挂孔孔径略大于扭簧簧丝直径。安装扭簧4时，扭簧的一端安装在第一齿轮2的扭簧挂孔13内，其另一端安装在第二齿轮3的扭簧挂孔13内。这样，分别位于两个齿轮的两个扭簧挂孔用于支撑和固定扭簧的两端。
示例：
E：线材刚性模数；选用的扭簧用不锈钢钢丝E为19000kg/mm^2；d1：簧丝直径，拟选取d1＝0.8mm；φ：旋转角度，选取30°；Dm:扭簧中径，选取Dm＝0.8mm；P：代表圆周率(例如取值3.1416)；N：有效圈数取N＝0.8；R：负荷作用力臂R＝2；代入上述公式计算得出扭簧扭力
Figure BDA0003253438790000051
结合所选取的电机1的扭矩并换算出相应的电机输出的扭力并确定扭簧4的选择是否满足要求(例如，计算得出的扭簧扭力应该大于电机输出的扭力)。
该机构用于高精度红外视场切换结构的传递，齿轮需要通过准确的计算，结合分度圆直径、齿数比、提高齿轮精度，模数不拟过大，可以适当增加齿数，选取相应的模数，第一齿轮2与第二齿轮3的模数、齿数、分度圆直径必须相同，模数计算公式如下：
Figure BDA0003253438790000052
式中：d2：分度圆直径；Z：齿数；
示例：取分度圆直径d2＝18、齿数Z＝36，计算得到m＝0.5。

Claims (4)

1.一种红外热像仪凸轮式变倍调焦系统双片薄齿轮错齿消隙机构，其特征在于：
该机构包括电机(1)、第一齿轮(2)、第二齿轮(3)、扭簧(4)和从动齿轮(5)；所述第一齿轮(2)和第二齿轮(3)均设置有齿轮内孔；所述第一齿轮(2)的齿轮内孔固定连接电机转轴(11)，该第一齿轮(2)的与电机(1)相连接的相对面设置有齿轮轴(12)，该齿轮轴(12)与第二齿轮(3)的齿轮内孔间隙连接；
所述第一齿轮(2)和第一齿轮(3)相配合的面留有扭簧(4)的安装空间；所述第一齿轮(2)和第一齿轮(3)的齿轮盘上均设置有扭簧挂孔(13)，所述扭簧(4)的一端挂接在第一齿轮(2)的扭簧挂孔(13)内，其另外一端挂接在第二齿轮(3)的扭簧挂孔(13)内，所述第二齿轮(3)自外向内贴近第一齿轮(2)，并用轴用挡圈(7)卡在第一齿轮(2)的挡圈槽(14)内，限制住第二齿轮(3)轴向移动；
所述扭簧挂孔(13)的圆心的位置为：在所述第一齿轮(2)、第二齿轮(3)上以其轴心为中心，以扭簧的中径Dm为直径的圆环上的与所述轴心呈一条直线的二个端点处；
所述第一齿轮(2)与第二齿轮(3)的模数、齿数和分度圆直径相同；
所述第一齿轮(2)和第二齿轮(3)的齿轮模数m由下式计算得到：
Figure FDA0003253438780000011
式中：d2-分度圆直径；Z-齿数；
所述扭簧(4)的扭力由下式计算得到：
Figure FDA0003253438780000012
式中：M-扭簧扭力；E-线材刚性模数；d1-簧丝直径；φ-旋转角度；Dm-扭簧中径；P-代表圆周率；N-有效圈数；R-负荷作用力臂；判断计算得到的扭簧(4)的扭力是否能够满足所述电机(1)的扭矩的要求；
通过旋转第一齿轮(3)，让扭簧(4)产生预紧力，通过把两片薄齿轮的齿进行错位的方式啮合在从动齿轮(5)上，用于消除齿轮正反旋转传递带来的间隙误差。
2.根据权利要求1所述的红外热像仪凸轮式变倍调焦系统双片薄齿轮错齿消隙机构，其特征在于，所述第一齿轮(2)和第二齿轮(3)采用微型薄齿轮。
3.根据权利要求1所述的红外热像仪凸轮式变倍调焦系统双片薄齿轮错齿消隙机构，其特征在于，还包括用于固定连接第一齿轮(2)与电机转轴(11)的齿轮压块(6)。
4.根据权利要求1至3任一项所述的红外热像仪凸轮式变倍调焦系统双片薄齿轮错齿消隙机构，其特征在于，还包括用于卡在第一齿轮(2)所设置的挡圈槽(14)里的轴用挡圈(7)，实现轴向固定住第一齿轮(3)。
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