直线步进电机在微型变焦机构中的应用

时间：2024-05-04

赵建川王鹏

摘要传统变焦距光学镜头的变焦机构通过凸轮实现焦距的改变，凸轮的转动带动变倍组和补偿组移动从而实现焦距的连续变化。但在两档切换的光学系统中，由于光学系统只要求在两个焦距位置成像，往往只需要移动一组镜头就能实现两个焦距位置的切换，特别是在本论文所应用的技术指标要求下：两档变焦时可移动镜头的位移量为4. 62mm，切换时间不大于0.2秒。如果采用传统的凸轮结构无法实现上述的技术指标要求，因此，本论文采用了一种新型的直线步进电机传动机构，既保证了切换时间的要求又满足了位移量的要求，同时又克服了传动力方向与位移方向不同轴所带来的卡滞现象。最终的实验结果表明两档切换镜头的切换时间满足指标要求，同时在两档快速切换及温度调焦时均未出现移动组卡滞现象，并且该直线步进电机传动机构控制两档位置的定位精度达到了0.006mm，保证了光学系统在两个焦距位置时成像清晰。

【关键词】变焦机构凸轮直线步进电机定位精度

传统变焦距光学镜头的变焦机构通过凸轮实现焦距的改变，凸轮的转动带动变倍组和补偿组移动从而实现焦距的连续变化。但在两档切换的光学系统中，由于光学系统只要求在两个焦距位置成像，往往只需要移动一组镜头就能实现两个焦距位置的切换，特别是在本论文所应用的技术指标要求下：两档变焦时可移动镜头的位移量为4.62mm，切换时间不大于0.2秒。如果采用传统的凸轮结构无法实现上述的技术指标要求，因此，本论文采用了一种新型的直线步进电机传动机构，既保证了切换时间的要求又满足了位移量的要求，同时又克服了传动力方向与位移方向不同轴所带来的卡滞现象。

1 传统变焦距结构

1.1 传统变焦距光学系统

传统的变焦距光学系统往往由前固定组，变倍组，补偿组，后固定组组成。

前固定组其作用是给系统提供固定的像;变倍组在变焦过程中多做线性运动，担负着系统的焦距连续变化的作用;补偿组则是补偿焦距连续变化时像面位置不变的作用;后固定组担负确定整个系统的焦距范圍。

1.2 传统变焦距机械结构形式

传统变焦距的结构形式主要是凸轮结构形式。凸轮圆周上有两组特定的曲线槽，一条是变倍曲线槽，往往是线性的。另一条是补偿曲线槽，非线性的。在凸轮机构中，有旋转电机，凸轮，主镜筒，导钉，移动镜座。通过旋转电机传递扭矩给凸轮，凸轮带动导钉在特定的曲线槽内运动，导钉又带动移动镜座在主镜筒内前后移动。移动镜座在主镜筒内的移动方式主要有两种，一种是滑架结构形式，一种是直线导轨形式。

1.2.1 滑架结构形式

滑架结构形式主要由凸轮，主镜筒，变倍滑架，导钉，旋转电机等组成。

滑架形式的特点结构简单，重量轻，高精度，但摩擦力大，滑架的刚度，与主镜筒的配合间隙要保证很好，否则径向晃动量大。适合直径在φ60以内的凸轮。

1.2.2 直线导轨结构形式

直线导轨结构形式主要由凸轮，主镜筒，移动镜座，直线导轨，导钉，直线轴承，滚珠，旋转电机等组成。

直线导轨的特点是移动镜座沿着固定在主镜筒上直线导轨移动，精度高，摩擦力小，但重量大，适合直径φ60以外的凸轮。

上述两种结构类型的变焦方式均不适用于论文所应用的技术指标要求，在两个焦距位置切换的时间满足不了0.2秒的要求。因此，将直线步进电机传动机构引入到变焦的结构设计中，从而实现了光学系统在两个焦距位置的快速切换。

2 直线步进电机变焦结构设计

2.1 光学系统结构

本文所设计的红外变焦距镜头安装在导引头上，由于红外热像仪在本系统中起着探测目标，跟踪目标并惯导、制导的作用，根据光学系统的设计结果，不但有变倍机构，还有无热化设计的温度调焦机构。而导弹飞行的时间仅为几分钟，这就要求变倍及温度调焦时间要迅速，时间不大于0.2秒。系统采用了焦距为85mm、140mm两档变倍结构，只要求在两个焦距位置成像，所以光学系统的补偿方式为光学补偿，只需要移动一组镜头就能实现两个焦距位置的切换。光学系统设计结果图如图l。

变倍组从85mm变到140mm时，移动的距离为4.62mm;温度变化从+20℃- +60℃时，温度调焦组向前移动的距离为0.3928mm，温度变化从+20℃ - -45℃时，温度调焦组向后移动的距离为0.65mm。

2.2 系统整体布局

从光学系统来看，无论是变倍还是温度调焦，光学镜片移动的距离的很小，因此我们选定了利用直线步进电机来驱动变倍和温度调焦。步进电机选用的是海顿size8系列，步长0.00635mm，步进精度可以满足系统的位置精度要求。其镜组前后位置直接由电控系统控制步进电机脉冲数实现，能够满足时间不大于0.2s。由于国内的直线步进电机体积较大，无法放入到这微型的系统中，只能放置于光路外，并且与光路平行。导致步进电机产生的作用力不能与滑架中心在同一轴线上。

2.3 直线步进电机传动结构设计

当直线步进电机启动时，直线步进电机螺杆会产生旋转方向上的一个力，使得滑架沿径向方向有微小移动，与主镜筒碰撞，产生卡滞现象。另一方面，由于步进电机产生的作用力不能与滑架中心在同一轴线上，会产生镜座在镜筒内在轴向方向倾斜，即而产生卡滞。为了解决上述两种现象，我们引用了一个圆柱形的轴作为导向杆。该结构由直线步进电机，导杆，拨叉，导钉，主镜筒，变倍镜座等组成。当直线步进电机通电时，因为导杆的存在，消除了拨叉的旋转，带动装有螺母的拨叉做直线往复运动，拨叉带动装有导钉的变倍镜座在主镜筒里前后移动。

同理，无热化设计温度调焦组也采用了这种结构。

该结构需要严格控制三个配合间隙：拨叉与圆柱形导杆之间的间隙，拨叉与导钉之间的间隙，滑架与主镜筒之间的间隙。

（1）拨叉与圆柱形导杆之间的间隙要比滑架与主镜筒之间的间隙略大一些，它起着平衡力矩的作用，使移动架能够平稳的向前移动。

（2）移动架与导钉之间的间隙，步进电机与螺母之间的间隙，这两个间隙如果过大，会影响像面的清晰。光学系统的离焦量为0.033mm，当变倍组定位误差超过0.015mm，调焦组定位误差超过O.Olmm时，像面会不清晰。所以要严格控制这两个间隙。如表l所示。

（3）主镜筒与调焦镜座之间的间隙，这个间隙影响到调焦过程中光轴的稳定性。

3 设计结果及实验验证

通过上述的设计与分析，我们成功地研制了利用直线步进电机传动机构作为焦距切换装置的两档快速切换红外镜头。

通过实验证明，光学系统焦距从85mm切换到140mm，时间为0.2秒，满足指标要求。同时，当光学系统焦距为85mm和140mm时成像质量清晰，可以看出移动组的定位精度是满足使用要求的。如图2所示。

4 结论

直线步进电机在各类变焦距镜头中的应用越来越广泛，本文正是利用直线步进电机运动速度快的优点设计了变焦系统中的传动机构，通过实验，验证了该结构的可行性，证明了利用直线步进电机作为驱动部件的传动机构在变焦系统中具有快速响应性，结构紧凑，定位精度高的优势，扩大了直线步进电机的应用范围。

参考文献

[1]张治中，李晓惕.变焦距镜头导向机构的类型[J].光学机械，1991 （05）：50-55.