CN114236738B - 航空相机的调焦机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航空相机的调焦机构，包括机构框架、凸轮从动件、凸轮轴系、调焦电机组件和光学系统组件；机构框架整体为包围光学系统组件的U型的框架结构，机构框架包括一对相对布置的立板和垂直连接两个立板的连接板；光学系统组件的两侧分别和立板上下滑动连接；凸轮从动件为平行于立板布置的平板，平板与光学系统组件固定连接，平板开有矩形孔，凸轮轴系穿过矩形孔；凸轮轴系包括相互固定的凸轮和凸轮轴，凸轮轴由机构框架转动支撑，矩形孔的上表面与凸轮抵接；调焦电机组件集成在连接板上，调焦电机组件传动连接凸轮轴，调焦电机组件驱动凸轮转动，实现凸轮从动件上下滑动。本调焦机构轻量化，紧凑化且在航空相机低高空调焦中可靠性高。

Description

航空相机的调焦机构

技术领域

本发明涉及航空相机领域，尤其涉及航空相机的调焦机构。

背景技术

航空相机系统需要在低空和高空的飞行条件下完成清晰的成像任务。而对于不同的飞行高度，温度变化剧烈，航空相机系统中的组件由温度变化产生的变形和移位，会导致相机焦距变化，从而造成拍摄的照片模糊和失真等问题。因此，针对工作在高空和低空的航空相机系统，需要设置高空、低空两档调焦档位，两档自由切换以适应不同的飞行工况。

根据光学系统设计计算，由低空切换到高空的温度变化造成的焦距调整量为0.097mm，因此要求该调焦机构的行程为0.1mm，调焦精度为0.005mm。现有的申请日为2015年12月30日、申请号为CN201511018007.7、发明名称为《一种用于航空相机的小型化调焦机构》的中国发明专利，虽然能实现微小位移的调焦任务，但其采用的是单侧导轨L型布局，传动和导轨位于光学系统两侧，运动不平稳，调焦精度低，结构无法适应高空中的力热复杂环境。在航空相机系统中调焦量小，要求精度高，如果不能精准的控制调焦量，便会使相机无法工作在最佳状态，造成拍摄质量下降。

基于上述问题，亟需一种运动平稳的调焦机构。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种运动平稳、精度高的调焦机构。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

航空相机的调焦机构，包括机构框架、凸轮从动件、凸轮轴系、调焦电机组件和光学系统组件；

机构框架整体为包围光学系统组件的U型的框架结构，机构框架包括一对相对布置的立板和垂直连接两个立板的连接板；

光学系统组件的两侧分别和立板上下滑动连接；

凸轮从动件为平行于立板布置的平板且置于机构框架的内侧，凸轮从动件与光学系统组件固定连接，凸轮从动件开设有矩形孔，凸轮轴系穿过矩形孔；

凸轮轴系包括同轴相互固定的凸轮和凸轮轴，凸轮轴由机构框架转动支撑，矩形孔的上表面与凸轮抵接；

调焦电机组件集成在连接板上，调焦电机组件传动连接凸轮轴，调焦电机组件驱动凸轮转动，凸轮转动驱动凸轮从动件上下滑动。

进一步的，还包括传动齿轮系，传动齿轮系包括相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，调焦电机组件的输出轴同轴连接第一齿轮，第二齿轮固定在凸轮轴上；

调焦电机组件驱动第一齿轮转动，第一齿轮的转动带动第二齿轮转动，第二齿轮驱动凸轮转动。

进一步的，还包括两个固定在机构框架上的限位销，限位销的轴线垂直平板并分布在光学系统组件的两侧，限位销限制光学系统组件的滑动距离；

凸轮从动件、光学系统组件的两侧上均开设有供相应的限位销穿设的腰型孔，腰型孔的长度方向与光学系统组件的滑动方向一致。

进一步的，还包括固定在光学系统组件的两侧的直线滑动导轨，立板设有与直线滑动导轨滑配的滑块。

进一步的，凸轮从动件与凸轮形成等宽凸轮机构。

进一步的，凸轮轴系还包括角接触轴承和调焦编码器；角接触轴承的动子和调焦编码器的动子固连在凸轮轴上，角接触轴承的定子和调焦编码器定子与机构框架固连。

本发明能够取得以下技术效果：

本发明提供了一种轻量化，紧凑化且具有高精度的航空相机的调焦机构，相比于现有技术，调焦机构通过使用U型布局，降低了倾覆力矩，使得更小尺寸的导轨可以应用于该结构，并且通过两侧导轨的精度调节，使得调焦机构具有高的精度。此外，本发明通过凸轮机构可以精准控制光学系统的具体焦距；利用限位销，实现在低空和高空两个档位控制；本发明的重量轻，体积小，成本低，在航空相机低高空调焦中可靠性高。

附图说明

图1是本发明提供的调焦结构的立体结构示意图；

图2是本发明提供的调焦结构的俯视结构示意图；

图3是图2的A-A处的截面结构示意图；

图4是本发明公开的凸轮轴系的结构示意图；

图5是本发明公开的凸轮和凸轮从动件的运动原理图。

附图标记：

机构框架1、限位销2、直线滑动导轨3、凸轮从动件4、凸轮轴系5、凸轮轴51、角接触轴承52、调焦编码器53、传动齿轮系6、调焦电机组件7、光学系统组件8。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1-2所示，本发明提供了一种航空相机的调焦结构，包括机构框架1、凸轮从动件4、凸轮轴系5、调焦电机组件7和光学系统组件8。

机构框架1整体为从三面包围光学系统组件8的U型的框架结构，机构框架1包括一对相对布置的立板和垂直连接两个立板的连接板；

光学系统组件8的两侧分别和立板上下滑动连接；

凸轮从动件4为平行于立板布置的平板，置于光学系统组件8和立板之间。凸轮从动件4与光学系统组件8固定连接，如图3所示，凸轮从动件4开设有矩形孔，凸轮轴系5穿过矩形孔；

凸轮轴系5包括相互固定的凸轮和凸轮轴51，凸轮轴51由机构框架1转动支撑，矩形孔的上表面与凸轮抵接，凸轮同轴固套在凸轮轴51的外部；

调焦电机组件7集成在连接板上，调焦电机组件7传动连接凸轮轴51，调焦电机组件7驱动凸轮轴51转动从而实现凸轮转动，凸轮转动从而驱动凸轮从动件4上下滑动。凸轮的一圈的外轮廓距离凸轮轴的转动轴线的距离不一样，而因为凸轮从动件4与光学系统组件8为一个整体，二者的重力作用下矩形孔的上表面与凸轮抵接，凸轮转动会使不同区域的外轮廓与矩形孔的上表面接触，因凸轮轴的转动轴线的位置相对机构框架1不动，而不同区域的外轮廓会将矩形孔抬升到不同高度。

优选的，调焦电机组件7通过传动齿轮系6驱动凸轮轴51，传动齿轮系6包括相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，调焦电机组件7的输出轴同轴连接第一齿轮，第二齿轮同轴固定在凸轮轴51上，传动齿轮系6的材质为齿轮钢，第一齿轮和第二齿轮的传动比1：2，将调焦电机组件7的力矩传动到凸轮轴系5。凸轮轴51的一端是第二齿轮，其另一端是凸轮。

调焦电机组件7驱动第一齿轮转动，第一齿轮的转动带动第二齿轮转动，第二齿轮驱动凸轮转动。

优选的，调焦电机组件7的半径为10mm，长度为50.5mm，额定工作电压为24V，最高转速的调节范围为0～500转/分钟，外接24V电源。

优选的，两个固定在机构框架1上的限位销2作为限制装置，限位销2分布在光学系统组件8的两侧，且限位销2的轴线垂直于凸轮从动件4。凸轮从动件4和光学系统组件8的两侧这三个位置上均开设有限制限位销2滑动距离的腰型孔，腰型孔的长度方向与光学系统组件8的滑动方向一致。其中一个限位销2的一端垂直固定在其中一个立板上，该限位销2的另一端穿设到光学系统组件8的一侧的腰型孔；另一个限位销2的一端垂直固定在另一个立板上，该限位销2的另一端依次穿设到凸轮从动件4、光学系统组件8的另一侧腰型孔，凸轮从动件4的腰型孔和光学系统组件8的另一侧的腰型孔的位置对应。限位销2置于封闭的腰型孔内，这样光学系统组件8上下滑动时，腰型孔的上下方向上的两端运动到限位销2，限位销2限制凸轮从动件4和光学系统组件8的竖直方向行程。

优选的，调焦机构还包括固定在光学系统组件8的两侧的直线滑动导轨3，立板在框架结构的内侧设有与直线滑动导轨3滑配的滑块。这样实现了光学系统组件8和机构框架1的滑动连接。凸轮从动件4的材质为钛合金，凸轮从动件4与光学系统8连接，进而一起固连到直线滑动导轨3上，使凸轮从动件4和光学系统8只能沿导轨进行竖直方向的移动。通过调整导轨与水平面的垂直度和直线度，保证调焦的精度。

优选的，如图5所示，凸轮从动件4与凸轮形成等宽凸轮机构。

优选的，如图4所示，凸轮轴系5包括凸轮、凸轮轴51、角接触轴承52和调焦编码器53。凸轮轴51的材质为钛合金，保证与凸轮从动件的温度相容性。凸轮轴51和角接触轴承52动子和调焦编码器53动子固连在一起，角接触轴承52定子和调焦编码器53定子与机构框架1固连在一起。保证凸轮轴系与直线滑动导轨3的垂直度。

具体的，机构框架是U型布局，导轨面位于U型的两侧，机构框架的中间放置调焦电机组件7；凸轮轴系5从凸轮从动件4上穿过，凸轮轴51和凸轮从动件4配做，单边保留0.002mm的间隙，凸轮轴系包含调焦编码器53，通过凸轮行程和光学系统组件行程的标定，实施闭环控制。机构框架1的材质为钛合金。机构框架1的表面设置有镂空结构，减轻整体重量。直线滑动导轨3固定于U型框架内侧的两端。其中一个立板开孔通过轴承等常用连接件转动支撑凸轮轴系5，调焦电机组件7固定于U型框架内侧。

凸轮从动件4和光学系统组件8固定连接在一起，光学系统组件8的两侧均通过直线滑动导轨3和滑块保证其运动方向及直线度，凸轮从动件4的中间打矩形孔，矩形孔的内部穿有凸轮轴系5。凸轮轴系5由凸轮、凸轮轴51、角接触轴承52，凸轮轴51上固定有第二齿轮。调焦电机组件7连接第一齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合，将电机力矩传递到第二齿轮，从而控制凸轮运转，带动凸轮从动件4上下移动。在机构框架1上安装限位销2并在凸轮从动件4上打腰型孔，限制凸轮从动件4的运动行程。运行中，通过外部提供信号控制电机运动，达到负限位时为低空档位，反向运动到达正限位时为高空档位。凸轮从动件4及光学系统组件8的纵向调节范围可达到0～0.097mm。

工作时，上位机发送“低空”指令，调焦电机组件7正转，通过传动齿轮系6传动使凸轮轴系5顺时针运动，凸轮转动使凸轮从动件4和光学系统组件8沿导轨向下移动，直至抵达限位销2，调焦电机组件7保持上电，使光学系统组件稳定在低空档位。同样地，上位机发送“高空”指令，调焦电机组件7反转，通过传动齿轮系6传动使凸轮轴系5逆时针运动，凸轮转动使凸轮从动件4和光学系统组件8沿导轨向上移动，直至抵达限位销2，调焦电机组件7保持上电，使光学系统组件稳定在高空档位。凸轮从动件4与光学系统组件8之间的运动行程为0.1mm。

由于调焦系统轻质化和结构紧凑化的要求，选用直线滑动导轨和倾覆力矩较小，因此，U型布局相比其他布局，具有更均匀的力矩分布，在大冲击过载下，具有更小的调焦误差。同时，通过直线滑动导轨与光学系统组件的基准面垂直的调整，使得该调焦机构可以满足调焦误差小于0.005mm的设计要求。此外，调焦机构的驱动装置、即调焦电机组件7的轴线垂直于光学系统组件8的轴线，且调焦电机组件7位于机构框架1的内部，设置在连接板和光学系统组件8之间。有效的降低了调焦机构的体积，并缩短了传动距离。

本发明提供了一种凸轮式航空相机微小位移调焦机构，它能够精准地在低空和高空两档自由切换，实现小于0.1mm的调焦行程。U型布局的机构框架，在光学系统组件的两侧均布置有导轨，并将调焦电机组件7的轴线垂直立板，因此，本发明具有调焦精度高、重量轻和结构紧凑等特点，实现了高效且精确的航空相机调焦任务，得到了高质量的航空照片。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.航空相机的调焦机构，其特征在于，包括机构框架(1)、凸轮从动件(4)、凸轮轴系(5)、调焦电机组件(7)和光学系统组件(8)；

所述机构框架(1)整体为包围所述光学系统组件(8)的U型的框架结构，所述机构框架(1)包括一对相对布置的立板和垂直连接两个所述立板的连接板；

所述光学系统组件(8)的两侧分别和所述立板上下滑动连接；

所述凸轮从动件(4)为平行于所述立板布置的平板且置于所述机构框架(1)的内侧，所述凸轮从动件(4)与所述光学系统组件(8)固定连接，所述凸轮从动件(4)开设有矩形孔，所述凸轮轴系(5)穿过所述矩形孔；

所述凸轮轴系(5)包括同轴相互固定的凸轮和凸轮轴(51)，所述凸轮轴(51)由所述机构框架(1)转动支撑，所述矩形孔的上表面与所述凸轮抵接；

所述调焦电机组件(7)集成在所述连接板上，所述调焦电机组件(7)传动连接所述凸轮轴(51)，所述调焦电机组件(7)的轴线垂直于所述光学系统组件(8)的轴线，所述调焦电机组件(7)驱动所述凸轮转动，所述凸轮转动驱动所述凸轮从动件(4)上下滑动；

还包括传动齿轮系(6)，所述传动齿轮系(6)包括相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，所述调焦电机组件(7)的输出轴同轴连接所述第一齿轮，所述第二齿轮固定在所述凸轮轴(51)上；

所述调焦电机组件(7)驱动所述第一齿轮转动，所述第一齿轮的转动带动所述第二齿轮转动，所述第二齿轮驱动所述凸轮转动；

所述调焦机构还包括固定在所述光学系统组件(8)的两侧的直线滑动导轨(3)，所述立板设有与所述直线滑动导轨(3)滑配的滑块，所述凸轮从动件(4)设置在其中一侧直线滑动导轨(3)上。

2.根据权利要求1所述的航空相机的调焦机构，其特征在于，还包括两个固定在所述机构框架(1)上的限位销(2)，所述限位销(2)的轴线垂直所述凸轮从动件(4)并分布在所述光学系统组件(8)的两侧，所述限位销(2)限制所述光学系统组件(8)的滑动距离；

所述光学系统组件(8)的两侧、所述凸轮从动件(4)上均开设有供相应的限位销(2)穿设的腰型孔，所述腰型孔的长度方向与所述光学系统组件(8)的滑动方向一致。

3.根据权利要求1所述的航空相机的调焦机构，其特征在于，所述凸轮从动件(4)与所述凸轮形成等宽凸轮机构。

4.根据权利要求1所述的航空相机的调焦机构，其特征在于，所述凸轮轴系(5)还包括角接触轴承(52)和调焦编码器(53)；所述角接触轴承(52)的动子和所述调焦编码器(53)的动子与所述凸轮轴(51)固连，所述角接触轴承(52)的定子和所述调焦编码器(53)的定子与所述机构框架(1)固连。

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