摘要：本文针对光学镜头中反射镜扫描高精度要求。本文涉及一种大传动比高精度的螺杆曲柄机构，是一种实现近红外光栅光谱仪中扫描反射镜进行低速高精度扫描运动的装置。优点是：实现了扫描反射镜低速高精度的旋转扫描运动，采用的螺杆曲柄机构传动比大，减速效果显著，减速过程平缓均衡，工作稳定，实现了反射镜的低速稳定的运动要求，该机构还具备自锁功能；采用拉簧使螺杆与螺母在传动配合过程中始终产生单向预紧力，很好的消除了螺纹传动中的回程误差，保证了扫描反射镜的高精度要求。同时该机构还具备加工简单，制造成本低等优点。
关键词：螺杆曲柄；大传动比；高精度；扫描反射
1 引言
在近红外光栅光谱仪中，需要通过反射镜的扫描运动来采集获取视场内一定范围的图像数据[1-3]。通常的红外光谱仪反射镜的扫描运动中，一般采用直流微电机驱动齿轮或者涡轮蜗杆的方式来进行减速传动，某些情况下也可以使用力矩电机通过键连接进行传动。齿轮传动的传动比一般在2~6范围内，减速比有限不能起到很好的减速效果，而且在扫描过程中不可避免的产生回程误差，影响了扫描精度；涡轮蜗杆的传动比可达10~200，具有比较高的减速比，能达到理想的减速效果，但由于在传动过程中存在配合间隙，同样存在回程误差，另外涡轮蜗杆还具有加工难度大，加工成本高等缺点[4]；力矩电机的动子组直接通过键与扫描运动的旋转轴进行连接，这种方式误差小精度高，但由于缺少减速机构，扫描运动的速度受到限制，不适用于低速情况下的扫描运动。在近红外光栅光谱仪中，需要反射镜以与水平面45o夹角位置为起始零点，在其±1.5o范围内进行扫描，来采集图像信息，同样由于探测器分辨能力的要求，扫描速度需要严格控制，保证在1.2o/s以内，且整个扫描过程速度平缓稳定，无跳动和空回[3]。而适用的直流微电机额定转速一般为8000~16000n/min，配合电机减速箱（最高减速比约为5000：1），输出转速最低为1.5~4 n/min≈7.5o~30o /s[5-7]。显然，上述三种传动方式都很难满足要求。
2 系统设计
2.1 结构系统设计参数
将直流微电机输出的旋转运动通过传动螺杆，转化为传动螺母沿燕尾槽的直线运动，起到一级减速作用。传动螺母通过其上端的直线驱动槽和曲柄组的滑套，将其直线运动转化为曲柄组绕近轴端的扫描轴的旋转运动，起到二级减速作用。经过两次运动的转换，机构整体减速比高达500~1000，减速效果十分显著。同时，采用拉簧消除了螺杆和螺母传动过程中的回程误差，很好的提高了传动精度。
2.2 减速比的变化
螺杆曲柄机构的机构简图如下：
曲柄转动角度为
，则螺杆导程为
，螺杆转动角度为
，则减速比为
（其中
为常数）
在实际工况中，电机输出恒定转速，即螺杆导程
随时间线性增加。设
，在曲柄长度
和螺距
一定，由于
在
范围内的函数图像如图xx所示，在传动角度
范围内，传动函数F与传动角
的绝对值成反比关系，随着传动角度的增大，减速比
逐渐变小，减速过程稳定平缓。
3 设计结果和分析
3.1 设计结果
根据中波制冷式红外光学系统的特点，本设计采用二次成像型的光学系统结构形式，其能有效地减小前组透镜口径大小。为了保证100%冷光阑效率，使用探测器冷光阑作为系统光阑进行设计。
为了校正系统像差，保证较好的成像质量，系统采用单晶硅和单晶锗进行搭配设计，其中采用了2片非球面，而且非球面设置在单晶锗元件上，减小了加工难度，同时能够有效地保证透镜加工精度。分光滤光片位于光学系统一次像面之前，使用单晶硅材料。光学系统的外形结构如图1所示，系统总长小于200mm。
图1 系统外形结构图
FIG 1. Schemes of the system
4 结论
本文基于制冷型320×256凝视焦平面中波红外探测器，设计了一种中波红外多光谱成像光学系统，并介绍了系统的结构参数。通过分析可得出，首先该结构减速效果显著，减速比高达500~1000，工作稳定，实现了反射镜的低速稳定的运动要求，其次拉簧的作用，消除了螺杆和螺母传动过程中的回程误差，很好的提高了传动精度。
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作者简介：
张俊（1990-），男，硕士，助理工程师，主要从事光机设计研发工作。E-mail：1141927710@qq.com
论文作者:张俊
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/22
标签：螺杆论文; 曲柄论文; 传动比论文; 机构论文; 误差论文; 回程论文; 反射镜论文; 《基层建设》2019年第12期论文;