一种用于航空相机的小型化调焦机构

摘要

一种用于航空相机的小型化调焦机构属于航空光学遥感装备调焦技术领域，目的在于解决现有技术存在的结构复杂、机构轴向尺寸大和系统自锁性能受制于调焦行程和旋转筒的旋转角度比值以及凸轮导销易磨损的问题。本发明包括：支撑结构，支撑结构为L型结构；设置在支撑结构侧壁上的导向部件，调焦对象一侧通过导向部件相对支撑结构在光轴方向滑动；与调焦对象另一侧紧固联接的凸轮从动件；与凸轮从动件单侧接触的凸轮，凸轮通过两个轴承固定在支撑结构上，凸轮从动件通过两个和凸轮的推力共平面的复位弹簧与支撑结构连接；通过销接方式连接在凸轮端部的轴角传感器；和通过过渡支座固定在支撑结构上的电机，电机输出端通过齿轮传动带动凸轮转动。

说明书

技术领域

本发明属于航空光学遥感装备调焦技术领域，具体涉及一种用于航空相机 的小型化调焦机构。

背景技术

在航空工作环境下，温度和压力会随季节、工作地点、高度、天气状况等 因素而发生大幅度变化，从而引起相机系统焦距的改变。此外，实际工作中， 相机的照相距离会随载体的工作高度和载荷的视轴指向改变而快速变化，使得 能够成清晰像的实际像面位置会发生变化。因而，为克服温度、压力和照相距 离等复杂因素变化对系统成像质量的影响，高精度的快速动态调焦是确保航空 相机高质量成像的重要技术途径之一。

目前，航空相机的调焦途径主要分为两大类，一种是通过驱动机构移动焦 面组件实现调焦；另一种是通过移动系统中间的光学元件实现调焦。调焦机构 一般由导向部件、减速系统、运动转化部件、自锁部件、驱动电机和位置传感 器6个部分组成。其中导向部件主要实现调焦对象在既定方向上的运动约束； 减速系统、运动转化部件、自锁部件共同构成了调焦机构的传动系统，实现了 系统减速、旋转运动向直线运动的运动方式转化以及调焦对象的位置自锁；驱 动电机和位置传感器分别为动力源和位置感知测量元件。常用的航空相机调焦 机构结构配置形式包括：

1)齿轮减速系统串联蜗轮蜗杆和盘形凸轮的传动系统，导向部件采用直线 导轨，位置测量采用轴角传感器；

2)由齿轮带动刻有凹槽的圆柱凸轮，这种配置方式既可将电机的旋转运动 转化为调焦对象的轴向运动，又可实现位置自锁。通过轴角传感器测量圆柱凸 轮的角位移实现调焦对象的位置测量。直线导向功能由固定筒和轴向移动筒之 间的圆柱副实现；

3)由步进电机带动滚珠丝杠直接驱动调焦对象进行直线运动，导向部件采 用直线导轨。位置测量由串联于步进电机上的轴角编码器来实现。

第一种配置形式的调焦机构既可用于焦面调焦，也可用于中间光学元件调 焦。具有调焦精度高、适用范围广、工作可靠等优点，其缺点是结构复杂、体 积大、传动效率低。第二种配置形式多用于中小口径的透射式变焦距镜头，具 有结构紧凑的优点，其缺点有二：1)系统自锁性能受制于调焦行程和旋转筒的 旋转角度比值；2)凸轮导销易磨损。第三种配置形式优点是适用于大的调焦行 程、结构相对简单，缺点是丝杠长度方向尺寸大，为保证工作可靠性，丝杠的 轴向尺寸不能太小。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于航空相机的小型化调焦机构，解决现有技 术存在的结构复杂、机构轴向尺寸大和系统自锁性能受制于调焦行程和旋转筒 的旋转角度比值以及凸轮导销易磨损的问题。

为实现上述目的，本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构包括：

支撑结构，所述支撑结构为L型。

设置在支撑结构侧壁上的导向部件，调焦对象一侧通过导向部件相对于支 撑结构在光轴方向滑动；

与调焦对象另一侧紧固联接的凸轮从动件；

与所述凸轮从动件单侧接触的凸轮，所述凸轮通过两个轴承固定在支撑结 构上，所述凸轮从动件通过两个和凸轮推力共平面的复位弹簧与支撑结构连接；

通过销接方式连接在凸轮端部的轴角传感器；

和通过过渡支座固定在支撑结构上的电机，所述电机输出端通过齿轮传动 带动凸轮转动。

所述支撑结构包括支撑板、弹簧挂钩A、压板、轴系支座、弹簧挂钩B；所 述轴系支座固定在支撑板上，弹簧挂钩A和弹簧挂钩B固定在所述轴系支座上， 所述凸轮从动件通过两个所述复位弹簧分别与弹簧挂钩A和弹簧挂钩B连接， 所述凸轮通过轴承固定在轴系支座上，所述轴角传感器通过压板固定在所述轴 系支座上。

所述导向部件包括导轨、滑块和滑块调整垫，所述滑块和滑块调整垫通过 螺钉固定在支撑板侧壁上，所述导轨和调焦对象通过螺钉紧固联接，所述导轨 和所述滑块之间形成直线导向副，所述导轨和滑块之间设有滚珠。

所述导轨、滑块和滑块调整垫包括两组，两组所述导轨平行设置。

所述凸轮为偏心凸轮。

所述调焦对象的直线位置f(θ)与凸轮转角θ之间满足以下正弦关系：

f(θ)＝e·sinθ(θ∈[-90°,+90°])

其中：e为凸轮旋转中心和几何中心的偏心量；θ为凸轮转角。

两个所述复位弹簧的力学性能和位置参数需要满足以下关系：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta x}}_{1O}={\mathrm{\Delta x}}_{2O}\\ {\mathrm{\Delta y}}_1={\mathrm{\Delta y}}_2\\ F_{s1}=F_{s2}\end{array}\right)$

其中：Δx_1O和Δx_2O为凸轮零位时，即θ＝0°时，凸轮推力分别与两根复位弹簧 拉力在X方向上的间距；

Δy₁和Δy₂为整个行程范围内凸轮推力分别与两根复位弹簧拉力在Y方向上 的间距；

F_s1和F_s2为两根复位弹簧的拉力。

本发明的有益效果为：本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构通过 齿轮传动带动偏心凸轮驱动调焦对象，利用串联于凸轮轴系上的轴角传感器进 行调焦对象的位置测量，由于从测角传感器到调焦对象处仅有凸轮一个运动传 递环节，因此，这种配置方式使测量模型的累积误差小。

本发明提出的调焦机构采用了凸轮单侧接触工作方式，利用复位弹簧消除 凸轮从动件与凸轮之间在往复运动过程中的间隙。支撑结构设计为L型，导向 部件和传动系统分别配置于调焦对象的两侧并与支撑结构相连。通过这种结构 配置方式可有效降低调焦机构的设计空间占比，为调焦对象提供了更大的可用 设计空间。

附图说明

图1为本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构的整体结构示意图；

图2为本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构的结构原理图；

图3为本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构中凸轮转角向调焦对 象直线运动转化原理图；

图4为本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构中外力影响分析示意 图；

图5为本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构中双复位弹簧布置方 案图；

其中：1、支撑结构，1-1、支撑板，1-2、弹簧挂钩A，1-3、压板，1-4、轴 系支座，1-5、弹簧挂钩B，2、导向部件，2-1、导轨，2-2、滑块，2-3、滑块调 整垫，3、调焦对象，4、轴角传感器，5、凸轮，6、凸轮从动件，7、轴承，8、 齿轮传动，9、电机，10、复位弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1，本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构包括：

支撑结构1，所述支撑结构1为L型结构；

设置在支撑结构1侧壁上的导向部件2，调焦对象3一侧通过导向部件2相 对支撑结构1在光轴方向滑动；

与调焦对象3另一侧紧固联接的凸轮从动件6；

与所述凸轮从动件6单侧接触的凸轮5，所述凸轮5通过两个轴承7固定在 支撑结构1上，所述凸轮从动件6通过两个和凸轮5的推力共平面的复位弹簧 10与支撑结构1连接；

通过销接方式连接在凸轮5端部的轴角传感器4；

和通过过渡支座固定在支撑结构1上的电机9，所述电机9输出端通过齿轮 传动8带动凸轮5转动。

所述支撑结构1包括支撑板1-1、弹簧挂钩A1-2、压板1-3、轴系支座1-4、 弹簧挂钩B1-5；所述轴系支座1-4固定在支撑板1-1上，弹簧挂钩A1-2和弹簧 挂钩B1-5固定在所述轴系支座1-4上，所述凸轮从动件6通过两个所述复位弹 簧10分别与弹簧挂钩A1-2和弹簧挂钩B1-5连接，所述凸轮5通过轴承7固定 在轴系支座1-4上，所述轴角传感器4通过压板1-3固定在所述轴系支座1-4上。

所述导向部件2包括导轨2-1、滑块2-2和滑块调整垫2-3。装调过程中， 通过研修四个滑块调整垫2-3来调整两根导轨在调焦运动方向上的平行度和共 面度。调整完成后，所述滑块2-2和滑块调整垫2-3通过螺钉固定在支撑板1-1 的侧壁上，所述导轨2-1和调焦对象3通过螺钉紧固联接，所述导轨2-1和所述 滑块2-2之间形成直线导向副，通过设置在所述导轨2-1和滑块2-2之间的滚珠 来减小摩擦阻力。

所述导轨2-1、滑块2-2和滑块调整垫2-3包括两组，两组所述导轨2-1平 行设置。

参见附图2，本发明的一种用于航空相机的小型化调焦机构的导向部件2固 定于与支撑结构1上，对调焦对象3实现直线运动约束。凸轮从动件6与调焦 对象3之间紧固联接，凸轮从动件6与凸轮5单侧接触，通过连接于支撑结构1 上的复位弹簧10对凸轮从动件6进行预紧。凸轮5通过两个轴承7固定于支撑 结构1上，固定于支撑结构1上的电机9通过齿轮传动8带动凸轮5转动，从 而实现了由电机9输出运动的减速、凸轮5角位移测量以及旋转运动向直线运 动的转化，通过凸轮5轮廓的设计使得调焦对象3的直线运动与凸轮5的角位 移具有一一对应关系。

参见附图3，凸轮5采用了偏心凸轮5，调焦对象3的直线运动与凸轮5转 角运动转化原理。调焦对象3的直线位置f(θ)与凸轮5转角θ符合公式(1)所 示的正弦关系：

f(θ)＝e·sinθ(θ∈[-90°,+90°])(1)

其中：e为凸轮5旋转中心和几何中心的偏心量；θ为凸轮5的转角。

使用过程中，凸轮5转角θ控制在小于[-90°,+90°]范围以内。从图3所示的规 律可看出，当凸轮5转角θ在+90°或-90°附近时，曲线斜率变小，式(1)的测 量灵敏度降低。所以，为提高测量灵敏度，一般会将偏心凸轮5的偏心量e设计 取值大于半调焦行程。

当凸轮5的偏心量e大于3～5倍半调焦行程时，凸轮5转角θ可控制在中间位 置的很小角度范围内，此时公式(1)可简化为如下式所示的线性关系：

f(θ)＝e·θ(θ∈[-θ_b,+θ_b])(2)

其中：θ_b(θ_b<90°)为调焦半行程所对应的凸轮5转角。

为了减小结构尺寸，本发明的凸轮从动件6和凸轮5之间采取了单侧接触方 案。为保证凸轮5在正负转角范围内，机构始终有效工作，需要采用复位弹簧10 预紧方式来保证凸轮从动件6和凸轮5之间有效接触。复位弹簧10的布置方式对 该调焦机构的直线运动精度有着重要影响。

参见附图4，作用于凸轮从动件6上的外力主要有三个：调焦对象3和凸轮从 动件6的重力G、凸轮5推力F_cam和复位弹簧10拉力F_s。其中重力会使调焦对象3 产生公式(3)所示的倾覆力矩M_z：

M_z＝G·l(3)

其中：l为调焦对象3和凸轮从动件6构成的整体的质心距导轨2-1的距离。

这一倾覆力矩M_z会被两组导轨2-1的约束力所抵消，不会对调焦对象3的直 线运动精度造成大的影响，即Z向。

凸轮5推力F_cam和复位弹簧10拉力F_s会自然满足力的平衡，如果复位弹簧10 布置不当会产生额外的力偶矩分量M_x和M_y，它们会对调焦对象3的直线运动精 度造成大的影响，即Z向。

参见附图5，本发明提出了一种行之有效的双复位弹簧10解决方案，为确保 导向精度，复位弹簧10的力学性能和位置参数需要需满足如下条件：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta x}}_{1O}={\mathrm{\Delta x}}_{2O}\\ {\mathrm{\Delta y}}_1={\mathrm{\Delta y}}_2\\ F_{s1}=F_{s2}\end{array}\right)---\left(4\right)$

其中：Δx_1O和Δx_2O为凸轮5零位时，即θ＝0°时，凸轮5推力分别与两根复位弹 簧10拉力在X方向上的间距；

Δy₁和Δy₂为整个行程范围内凸轮5推力分别与两根复位弹簧10拉力在Y方向 上的间距；

F_s1和F_s2为两根复位弹簧10的拉力。

由力的合成原理可知，要使凸轮5推力F_cam和两个复位弹簧10的拉力F_s1、F_s2三个力的合力偶矩为零，需要满足两个基本条件：1)两根复位弹簧10的拉力大 小相等、方向相同；2)两根复位弹簧10的拉力与凸轮5推力共平面，且复位弹 簧10的拉力对称分布于凸轮5推力的两侧。第一个条件可通过选择两根刚度相同 的复位弹簧10来保证。由于整个调焦行程中凸轮5推力F_cam的作用点会在X方向上 小范围内变动，因而，上述所提及的“两根复位弹簧10的拉力与凸轮5推力共平 面”条件难以严格满足。但是，按照公式(4)的方式将两根复位弹簧10相对于 凸轮5零位时的凸轮5推力方向对称布置，可使得整个调焦行程中，内凸轮5推力 和复位弹簧10拉力所组成力系的合力偶矩最小化，从而可使调焦对象3的直线运 动精度影响因素最小化。