挡片式光学视场开关设计

摘要：成像组件在进行非均匀性校正时，需要将光学视场遮挡。视场开关需满足大过载工作条件，本文设计一种挡片式视场开关，利用电机控制挡片的运动。设计一种圆柱扭转弹簧，保证视场开关在过载下的位置稳定。并通过试验证明该系统的可行性和可靠性。

关键词：视场开关 挡片 扭转弹1.引言

成像组件是红外成像系统的关键部件，但成像组件的非均匀性直接影响系统的质量，为了提高成像组件的成像质量。需要对成像组件进行非均匀性校正。为实现成像组件的非均匀性校正，需要在光路中插入一均匀的背景[1,2]。本设计在成像组件和光学系统之间安装一套视场开关装置，由一个挡片及相应的驱动装置组成。当需要对成像组件进行非均匀性校正时，挡片挡在光学系统与成像组件之间，校正完成后挡片撤出视场范围内。视场开关装置具有两个工作状态，即初始状态和校正状态。在进行非均匀性校正时挡片处于校正状态。视场开关不工作时，挡片位于初始状态，此时挡片不能遮挡光路。要求在校正状态下，挡片应该能够完全遮挡光路。

2.视场开关系统设计

视场开关系统包括电机驱动系统、挡片、弹簧、限位装置等。电机驱动挡片进入校正位置，弹簧保证挡片在初始位置的可靠性。系统的性能指标要求如下：a.驱动时间小于0.5s；b.视场开关装置以电机轴安装位置为中心配平，偏心量小于0.1mm；c.挡片开合角行程：>45o,计算按50o；

3.设计参数计算

3.1驱动力矩计算

根据系统性能指标可知，挡片运动时间T=0.2s，运动角行程50o，可以计算出挡片角加速度为2500o/s2。系统配平后的质量为6.7g，按照7g进行计算。绕转轴的偏心量为0.07mm，计算按0.1mm进行，档片绕电机转轴转动惯量J为11.5(g·cm2)，计算按12.00(g·cm2)[3]。电机的输出力矩ML=K*(M1+M2+ M3+M4)。

式中，K为裕度系数，取1.5；M1为不考虑弹簧力、摩擦及挡片不平衡力所需要的转矩；M1=J*α=1000*(12.00*1.0e-7)*(2500*2*pi/360)= 0.05mNm；

M2为弹簧在校正位置时的力矩；

M3为电机摩擦力矩；

M4为挡片不平衡力矩，在最大过载3g下不平衡力矩M4=m*a*r=0.024 mNm。

3.2弹簧设计

按负荷性质采用Ⅱ类弹簧，可满足受变负荷作用1000—100000次及冲击负荷。弹簧材料拟采用不锈钢丝1Cr18Ni9、最小工作负载P1为挡片初始位置的保持力矩，须保证挡片在振动冲击、加速滚转的条件下不脱离初始位置造成视场遮挡。最大工作负载Pn为挡片遮挡视场时的拉力，电机需能承受此拉力，同时考虑振动、冲击及滚转影响。

由电机的驱动力矩计算公式ML=K*(M1+M2+ M3+M4)可知，弹簧的最大力矩对应于电机最大输出力矩。最大力矩为0.33mNm，最小力矩为0.08mNm。选用Ⅱ型扭转弹簧进行设计，弹簧最大扭矩MSmax=0.33mNm，最小扭矩取为0.15 mNm，工作角度为50°。计算弹簧的最小直径为0.14mm。由上述计算可以看出，弹簧钢丝承受最大扭矩MSmax=0.33mNm所需要的最小弹簧直径为0.14mm，弹簧设计时只要保证弹簧直径大于0.14mm就能保证弹簧的强度。根据结构空间设计要求，弹簧直径选取为0.18mm。计算得到弹簧圈数n=6.19，对弹簧圈数进行圆整为6.25 [6]。

4.视场开关结构设计

视场开关结构设计需要考虑到弹簧与电机轴的安装连接方式、弹簧的固定以及初始角度的保证、弹簧的限位方式、档片的结构形式(考虑档片加工性、重量及刚性)以及开关结构的安装位置。挡片安装在转接盘上，转接盘通过连接套筒与电机输出轴相连。扭转弹簧套在连接套筒上，弹簧两端分别与电机套筒和转接盘相固定。转接盘与电机座上的弹簧安装孔在装配时保证一定的角度，保证弹簧的工作角度。转接盘上开有固定角度的槽，开槽与挡块相配合保证挡片的初始位置、校正位置以及工作角度。

档片材料采用铝合金，挡片厚度为0.5mm。挡片的设计需要考虑质量、强度和刚度三个方面。首先考虑具有减重的挡片结构，并利用patran对挡片进行有限元分析，分析挡片的一阶、二阶模态和挡片在12g过载条件下的最大变形量和最大应力[7]。挡片的一阶固有频率为147.5Hz，二阶固有频率为653Hz，最大过载12g时挡片端部最大变形量为0.18，根部最大应力为21.7MPa。

5.结论

本文设计了一种在过载条件下使用的挡片式视场开关结构，介绍了视场开关的基本结构、工作原理和基本指标参数。对视场开关的各组成部分进行参数计算和设计，设计了挡片结构、弹簧等视场开关结构。并对挡片结构进行有限元分析，验证了该结构在重量、强度和刚度上均满足设计要求。对弹簧进行了设计计算，设计了一种扭转弹簧，能够满足视场开关在大过载条件下的使用要求。最后利用Matlab对视场开关进行了仿真，仿真结果证明该系统设计的合理性和有效性。通过对结构的装调、试验证明该设计的有效性和合理性，该结构能够满足性能要求，在过载条件下能够满足设计要求。

参考文献：

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