一种快速响应的双视场切换机构的制作方法

本发明涉及弹载双视场红外成像载荷领域，具体涉及一种快速响应的双视场切换机构。

背景技术：

现有双视场红外光学系统中大/小视场的切换形式主要分两类：一类是通过变倍镜组及补偿镜组轴向间距的变化，进而改变光学系统的焦距值来实现不同视场的切换，这种轴向变倍形式切换时间较长、装配调整较复杂，并且参与成像的透镜数目较多，对系统的成像质量、透过率有一定的影响；另一类是通过变倍镜组在光学系统中切入/切出来实现不同视场的切换，这种径向变倍形式通常采用伺服电机作为驱动元件，通过位置传感器进行定位，由于伺服电机的电气时间常数较大，启动较慢，因此无法完成视场的快速切换，容易导致在视场切换时跟踪目标的丢失，其次，由于弹载力学环境恶劣，其限位形式不能满足需求。因此，设计一种适用于弹载环境的快速响应、高稳定性的双视场切换机构具有重大的现实意义。

技术实现要素：

本发明提供了一种采用旋转电磁铁作为驱动元件的快速响应的双视场切换机构，该结构能够实现快速变焦，并且采用电限位、机械限位、磁力锁紧机构加机械锁紧机构的限位形式，能够适应弹载恶劣的力学环境，以解决现有切换机构不能满足视场快速切换以及弹载恶劣力学环境的需求。

本发明的技术解决方案如下：

一种快速响应的双视场切换机构，包括驱动组件和限位组件；所述驱动组件包括旋转电磁铁、基座、电磁铁支座和摆动轴；所述旋转电磁铁通过电磁铁支座设置在基座上，其输出轴与摆动轴固定连接，所述摆动轴的一端固定连接有变倍镜组；所述限位组件包括磁力锁紧单元和机械锁紧单元；所述磁力锁紧单元包括铁磁座和至少两组失电源型电磁铁，所述铁磁座设置在摆动轴上，所述失电源型电磁铁设置在电磁铁支座上，且分别位于铁磁座的两侧，所述失电源型电磁铁与铁磁座配合实现摆动轴的锁定；所述机械锁紧单元包括弹簧柱塞和锥形球窝结构件，所述弹簧柱塞设置在摆动轴上，包括滚珠、弹簧、壳体和锁紧螺母，所述壳体内设置有安装腔体，且腔体前端为锥形，所述锁紧螺母通过弹簧将滚珠压紧在腔体前端；所述锥形球窝结构件固定在基座上，且设置凹型槽，所述滚珠和凹型槽相配合，实现摆动轴的锁定。

进一步地，所述驱动组件还包括配重块，所述配重块设置在摆动轴的另一端，且摆动轴的中部与旋转电磁铁的输出轴固定连接。配重块的增加是为了使变倍镜组重心的主惯性轴线与旋转轴线相重合，减小变倍镜组切入/切出时不平衡的离心力，从而使得变倍镜组运动平稳。

进一步地，所述限位组件还包括机械限位单元，所述机械限位单元包括减震垫和限位块，所述限位块设置固定设置在摆动轴上，且位于铁磁座的两侧，所述减震垫设置在电磁铁支座上，且位于失电源型电磁铁的一侧，所述减震垫和限位块相配合，用于减小铁磁座和失电源型电磁铁的冲击。

进一步地，所述减震垫的材料为聚氨酯。

进一步地，所述限位组件还包括电限位单元，所述电限位单元包括限位开关和开关挡片，所述开关挡片设置在摆动轴上，所述限位开关设置在电磁铁支座上，所述限位开关为接近开关或者光电开关。

进一步地，所述旋转电磁铁的输出轴通过轴承安装在轴承座内，且输出轴末端设置有轴承端盖，所述轴承座固定安装在电磁铁支座上。

进一步地，所述轴承为一对角接触轴承，且背对背安装，此种配对方式可保证轴承能够承受来自轴向、径向的多方面正反角度应力。

进一步地，所述失电源型电磁铁通过支撑架设置在电磁铁支座上，且失电源型电磁铁与支撑架之间设置有电磁铁垫片。

进一步地，所述铁磁座为铁镍合金座。

进一步地，所述锁紧螺母和弹簧之间还设置有负载调整螺母。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1.本发明双视场切换机构中的旋转电磁铁较伺服电机电气时间常数短，加电后能够迅速达到峰值速度，并且在-45℃～60℃范围内输出力矩基本不变，经过测试能够实现0.3s快速变焦，能够适应弹载恶劣的大冲击力学环境。

2.本发明双视场切换机构中的磁力锁紧单元在变倍镜组切入/切出到位后起到定位以及锁紧功能，磁力锁紧单元采用失电源型电磁铁与铁磁座配对形式，具有体积小、磁力大、功耗低、耐冲击等优点。

3.本发明双视场切换机构中的机械锁紧单元起到二重定位锁紧功能，能够适应弹载恶劣的大冲击力学环境。

4.本发明双视场切换机构中的减震垫和限位块属于机械限位单元，采用聚氨酯减震垫既起到限位的功能，又能够缓解变倍镜组的冲击。

5.本发明双视场切换机构中的电限位单元采用光电开关，其优点体积小、灵敏度高，并且触发后给电磁铁反馈信号。

附图说明

图1为红外光学成像系统的结构图；

图2为本发明快速响应的双视场切换机构的轴测视图；

图3为本发明快速响应的双视场切换机构的正视图；

图4为本发明快速响应的双视场切换机构的左视图；

图5为图4的机械锁紧机构的局部放大图；

图6为本发明快速响应的双视场切换机构(省略部分元器件)的轴测视图；

图7为本发明快速响应的双视场切换机构的弹簧柱塞剖视图；

图8为本发明快速响应的双视场切换机构省略铁磁座的结构图；

图9为本发明快速响应的双视场切换机构省略变倍镜组的正视图。

附图标记：1-窗口玻璃，2-分光镜，3-分光组件，4-长波红外光学物镜组，5-中波红外光学物镜组件，6-长波红外探测器组件，7-中波红外探测器组件；8-旋转电磁铁，9-电磁铁支座，10-轴承座，11-配重块，12-轴承，13-摆动轴，14-轴承端盖，15-变倍镜组，16-基座，17-支撑架，18-电磁铁垫片，19-失电源型电磁铁，20-铁磁座，29-限位开关，30-开关挡片，24-减震垫，25-限位块，31-弹簧柱塞，32-止动螺丝，33-锥形球窝结构件，35-滚珠，36-弹簧，37-壳体，38-负载调整螺母，39-锁紧螺母，40-轴承垫片。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

红外光学成像系统包括红外光学物镜组件、红外探测器组件以及电控组件，其中红外光学物镜组件从结构上又分为窗口玻璃、分光组件、长波红外光学物镜组件、中波红外光学物镜组件四个模块组件。中波红外光学物镜组件为定焦光学物镜组件，长波红外光学物镜组件为双视场变焦组件。如图1所示，红外光学成像系统具体主要包括窗口玻璃1、分光镜2、分光组件3、长波红外光学物镜组4、中波红外光学物镜组件5、长波红外探测器组件6、中波红外探测器组件7；其中中波红外光学物镜组件5为定焦光学物镜组件，长波红外光学物镜组件4为双视场变焦组件。

长波红外双视场变焦组件通过本发明提供的双视场切换机构使得变倍镜组实现切入和切出。双视场切换机构包括驱动组件以及限位组件。驱动组件主要由旋转电磁铁8、电磁铁支座9及驱动轴系等构成，其中驱动轴系主要包括一对p4精度的角接触球轴承12、轴承座10、轴承端盖14、变倍镜组15等。变倍镜组15的旋转轴与旋转电磁铁8的输出轴通过两个m2.5的内六角螺钉进行紧固。驱动轴系中的一对角接触球轴承12采用“背对背”配对方式，此种配对方式可保证轴承12能够承受来自轴向、径向的多方面正反角度应力。通过修切轴承座10及轴承端盖14的轴承垫片40以达到对轴承12预负荷的目的，对轴承12预负荷设计的主要目的在于消除轴承12轴向、径向游隙，降低转动噪音，将承受的应力最大程度地均分给每个滚珠35以增加负荷能力的目的，从而保证轴系的精密性及轴承12的使用寿命。

长波红外双视场变焦组件的限位组件主要采用电限位、机械限位、磁力锁紧机构加机械锁紧机构的组合形式。在变倍镜组15切入、切出两个位置均设有一套电限位、机械限位、磁力锁紧机构以及机械锁紧机构，用于两种工况的限位。其中电限位采用接近开关或者光电开关；机械限位采用聚氨酯减震材料；磁力锁紧机构采用失电源型电磁铁19与铁镍合金座组合形式，失电源型电磁铁19即通电失去磁力，断电恢复磁力，因此采用失电源型电磁铁19仅在视场切换过程中通电，视场切换结束后便可断电锁紧，减少功耗；机械锁紧机构采用负载可变型的弹簧柱塞31与锥形球窝结构件33组合形式，通过调节弹簧柱塞31的弹簧36的预紧力，可以改变柱塞的负载能力。

如图2至9所示的快速响应的双视场切换机构，包括驱动组件和限位组件。

驱动组件包括旋转电磁铁8、基座16、配重块11、电磁铁支座9和摆动轴13；旋转电磁铁8通过电磁铁支座9设置在基座16上，其输出轴与摆动轴13固定连接，摆动轴13的一端固定连接有变倍镜组15；旋转电磁铁8的输出轴通过轴承12安装在轴承座10内，且输出轴末端设置有轴承端盖14，轴承座10固定安装在电磁铁支座9上，轴承12为一对p4精度的角接触球轴承12，且背对背安装。配重块11设置在摆动轴13的另一端，且摆动轴13的中部与旋转电磁铁8的输出轴固定连接，增加配重块11是为了使变倍镜组15重心的主惯性轴线与旋转轴线相重合，减小变倍镜组15切入/切出时不平衡的离心力，从而使得变倍镜组15运动平稳。

限位组件包括磁力锁紧单元、机械锁紧单元、机械限位单元和电限位单元。

磁力锁紧单元包括铁磁座20和至少两组失电源型电磁铁19，铁磁座20设置在摆动轴13上，失电源型电磁铁19设置在电磁铁支座9上，且分别位于铁磁座20的两侧，失电源型电磁铁19与铁磁座20配合实现摆动轴13的锁定；失电源型电磁铁19通过支撑架17设置在电磁铁支座9上，且失电源型电磁铁19与支撑架17之间设置有电磁铁垫片18，铁磁座20具体为铁镍合金座。

机械锁紧单元包括弹簧柱塞31和锥形球窝结构件33，负载可变型的弹簧柱塞31通过止动螺丝32设置在摆动轴13上，包括滚珠35、弹簧36、壳体37和锁紧螺母39，壳体37内设置有安装腔体，且腔体前端为锥形，锁紧螺母39通过弹簧36将滚珠35压紧在腔体前端；锥形球窝结构件33上设置凹型槽，滚珠35和凹型槽相配合，实现摆动轴13的锁定。锁紧螺母39和弹簧36之间还设置有负载调整螺母38，负载调整螺母38压紧弹簧36，通过改变弹簧36的压缩形变量来改变弹簧36的预紧力，从而改变弹簧柱塞31的预紧力，调整好柱塞的负载后，再用锁紧螺母39锁紧，防止负载调整螺母38松动。

机械限位单元包括减震垫24和限位块25，限位块25设置固定设置在摆动轴13上，且位于铁磁座20的两侧，减震垫24设置在电磁铁支座9上，且位于失电源型电磁铁19的一侧，减震垫24和限位块25相配合，用于减小铁磁座20和失电源型电磁铁19的冲击，减震垫24具体可采用聚氨酯减震材料。

电限位单元包括限位开关29和开关挡片30，开关挡片30设置在摆动轴13上，限位开关29设置在电磁铁支座9上，限位开关29为接近开关或者光电开关。

本发明还给出了上述快速响应的双视场切换机构的变倍镜组15切入/切出时的工作流程；

1)变倍镜组切入工况

变倍镜组15由切出转换至切入工况时，限位组件两端的失电源型电磁铁19同时通电，此时电磁铁的磁力消失，同时旋转电磁铁8接通高电压产生扭矩摆脱机械锁紧机构从而带动变倍镜组15旋转切入。当固连在变倍镜组15上的光电开关挡片30挡住光电开关时，旋转电磁铁8降至低电压，为变倍镜组15定位及锁紧提供第一重锁紧；变倍镜组15碰到机械限位上，由于机械限位采用聚氨酯减震材料，缓解变倍镜组15的冲击，此时在惯性作用下，变倍镜组15上的弹簧柱塞31的滚珠卡入锥形球窝内，从而机械锁紧机构锁紧，为变倍镜组15定位及锁紧提供第二重锁紧；同时电磁铁断电产生磁力，从而磁力锁紧机构锁紧，为变倍镜组15定位及锁紧提供第三重锁紧。三重锁紧将变倍镜组15进行锁定，此时完成变倍镜组15的切入。

2)变倍镜组切出工况

变倍镜组15切出工况与上述变倍镜组15切入工况工作流程相似，首先限位组件两端的失电源型电磁铁19同时通电，此时电磁铁的磁力消失，同时旋转电磁铁8接通高电压产生扭矩摆脱机械锁紧机构从而带动变倍镜组15旋转切出。当固连在变倍镜组15上的光电开关挡片30挡住光电开关时，旋转电磁铁8降至低电压，为变倍镜组15定位及锁紧提供第一重锁紧；变倍镜组15碰到机械限位上，由于机械限位采用聚氨酯减震材料，缓解变倍镜组15的冲击，此时在惯性作用下，变倍镜组15上的弹簧柱塞31的滚珠卡入锥形球窝内，从而机械锁紧机构锁紧，为变倍镜组15定位及锁紧提供第二重锁紧；同时电磁铁断电产生磁力，从而磁力锁紧机构锁紧，为变倍镜组15定位及锁紧提供第三重锁紧。三重锁紧将变倍镜组15进行锁定，此时完成变倍镜组15的切出。

本发明还给出了上述快速响应的双视场切换机构的装配方法，具体的装配方法及步骤如下：

1)通过3个m4的沉头螺钉将旋转电磁铁8与电磁铁支座9固连；

2)通过4个m3的盘头螺钉将轴承座10固定在电磁铁支座9上；

3)通过2个m2的盘头螺钉将光电开关固定在电磁铁支座9上；

4)通过1个m4的盘头螺钉依次将电磁铁垫片18、失电源型电磁铁19固定在支撑架17上，通过1个m4的盘头螺钉将聚氨酯减震垫24固定在支撑架17上；

5)通过4个m3的内六角螺钉将配重块11固定在变倍镜组15上；

6)通过4个m3的盘头螺钉将铁镍合金座24固定在变倍镜组15上；

7)通过2个m3的内六角螺钉将限位块25固定在变倍镜组15上；

8)通过1个m2的沉头螺钉将光电开关挡片30固定在变倍镜组15上；

9)将负载可变型的弹簧柱塞31拧入变倍镜组15内，并通过止动螺丝32将弹簧柱塞31固定；

10)通过2个m3的盘头螺钉将锥形球窝结构件33固定在基座16上；

11)通过4个m3的盘头螺钉将电磁铁支座9固定在基座16上；

12)通过3个m3的盘头螺钉将支撑架17固定在电磁铁支座9上；

13)依次将角接触球轴承12、变倍镜组15、角接触球轴承12安装在轴承座10上，这两个角接触球轴承采用“背对背”配对方式，变倍镜组15通过两个m2.5的内六角螺钉固连在旋转电磁铁8的摆动轴13上；

14)通过调整光电开关的位置，使得变倍镜组15切入长波红外光学物镜组件4时光电开关挡片30触发光电开关工作；

15)通过修切电磁铁垫片18、限位块25，使得光电开关触发工作时失电源型电磁铁19与铁镍合金座接触，同时限位块25与聚氨酯减震垫24接触；

16)通过调整锥形球窝结构件33的位置，使得光电开关触发工作时负载可变型的弹簧柱塞31的滚珠35卡入锥形球窝结构件33的锥形球窝内；

17)通过调整弹簧柱塞31的负载调整螺母38，使得在力学环境下，变倍镜组15能够被锁紧同时也能在旋转电磁铁8的作用下实现切入/切出功能，负载调整螺母38调整好后，再通过锁紧螺母39进行锁紧。