扫描摆镜机构设计方法研究.doc

《扫描摆镜机构设计方法研究.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

一种热像仪扫描器凸轮扭簧机构的设计方法研究摘要：对扫描摆镜的驱动机构进行了研究。热像仪扫描摆镜通常采用锯齿波形运动1111线，扫描频率和效率取决于冋扫间隔时间。在采用凸轮扭簧机构驱动的某热像仪扫描器设计方案屮，利用简谐振动模型来分析摆镜的冋复运动过程，并得出了实现快速I叫扫所需要的角频率临界值。关键词：热像仪、扫描器、凸轮扭簧机构、锯齿波、简谐振动StudyonaspringmechanismofIRScannerHeShi,ShenYu,HeShiweiAbstract:Themechanismsofseanningmirrorwerestudied.Thezigzagfunctioncurveofseanningmovementisoftenusedinthermalimage,sotheperformanceandfrequencyofseanningislimitedbythedelaytimeofreturningmovement.Acam-springmechanismwasusedinadesignofseanner,whichdynamiccharactercanbedescribedwithamodelofharmonicvibration,andthereiscriticalfrequencydeterminethereturningspeed.Keywords:ThermalImage^scanner、cam-springmechanism%zigzag、harmonicvibration引言扫描摆镜也有称为振动镜，因为从盲观上看其工作方式是通过反射镜快速的振动实现扫描，但在某些慢速扫描的系统屮，由于扫描频率比较低，称其为摆动似乎更准确一些。无论如何，其运动方式都必须符合光机扫描的要求，尤其是保证扫描的线性度和扫描效率。目前的高性能热像仪屮，扫描摆镜的驱动方式主要靠力矩电机直接驱动摆镜，岚驱方式可以达到很好的控制精度，扫描器结构也简单，但这种驷动方式对电机的驱动能力要求极高，同时摆镜的面积和转动惯量也必须严格控制。然而，在一些特殊的热成像系统中，扫描摆镜不可能很小，为了驱动较大尺寸的扫描摆镜，可以采用凸轮和扭簧机构。凸轮扭簧机构的特点是:驱动电路相对简单，零件加工技术成熟，凸轮的助力作用允许采用小力矩的电机，但由于机构运动相对复杂，扫描精度相对较低，另外，凸轮在高速转动时磨损校人，要考虑润滑方式。1.扫描摆镜的运动方式根据扫描器对物空间的解析方式，要求摆镜按照特定的时间——位移曲线运动，横坐标为时间r；纵坐标为摆镜的角位移〃。在第一代热成像技术中，由于探测器像元数最的限制,图1扫描运动的曲线Figi.Functioncurveofscanningmovement需要进行两维扫描运动，扫描摆镜主要用于实现帧扫瞄，最理想的运动曲线是阶梯形的，如图所示,行扫描在每个阶梯的平台时间内进行。这种跳步式的运动可以避免行扫描线的微小倾斜，但由于视频成像的帧速率很高，摆镜在高速摆动屮很难实现阶梯型的运动曲线，所以一般采用锯齿波形曲线，如图l・b所示。随着技术的发展，目前的探测器已经具有足够多的像元,只需一维光机扫描即可成像，摆镜式扫描器被用于行扫描，在这种使用条件下，最理想的扫描曲线就是锯齿形。 实际上，扫描摆镜的运动不可能完全吻合理想锯齿形曲线，因为在图屮锯齿尖端处Illi线不连续，摆镜的角加速度达到了无穷大。即使驷动元件的能力很强，实际的运动曲线可能类似于图l・b屮的虚线，尖端处变成了连续的曲线。由于探测器的信号采样是等间隔的，为了保证扫描的线性度，只能在每个摆动周期中曲线斜率为常数的区段进行信号的采样，即图l・b屮h~t2的区间内，而这一斜率常数即为摆镜的扫描角速度。在使用凸轮扭簧驱动的扫描机构屮，扫描精度决定于凸轮上升段的轮廓精度和电机的转速是否稳泄。除去有效扫描的区段，图中to〜t］的区间称为回扫间隔，按照扫描效率的定义：=匕一」•100%或〃=［1-—直J•100%TT所以，为了使扫描效率尽量提高，在毎个扫描周期屮，摆镜的I叫扫间隔必须尽量缩短。,而回扫间隔的长短决定于冋复扭簧的扭矩系数和凸轮的下降曲线。2.扫描摆镜的凸轮扭簧机构方案在某型号的红外成像系统屮，需要进行二维空间扫描，采用凸轮和扭簧机构实现锯齿波帧描，帧频为20Hz,扫描角度Qc为±1°,扫描效率心0%。显然，对于单曲线轮廓的凸轮，转速等于于帧扫频率，20rad/s,即1200rad/mino这样的转速对于凸轮机构已经很高，为保证凸轮滚了在整个转动周期屮能够始终与凸轮轮廓接触，需要提高冋复扭簧的刚度,否则在凸轮机构的下降行程屮，从动的凸轮滚了跟不上凸轮的转速而发生跑飞现象，就破坏了扫描曲线的形状。但若I叫复扭簧扭矩系数（弹性系数）过大，过多的压紧力会使凸轮外轮廓和转轴的冲击和磨损加重，电机负载增大，带来不利影响。基于上述两方面的原因，必须合理设计扭簧的扭矩系数，使凸轮滚子在下降过稈屮凸轮轮廓保持接触，但乂不增加过多的压紧力。凸轮轮廓曲线的设计可根据参考文献⑵或［3］屮的介绍进行。木文主要分析对冋复扭簧扭矩系数的设计思路。①②③根据受力分析，摆镜在冋复扭簧的作用下的自由冋弹转动可简化为如图2所示模型。图屮1为凸轮和电机组合；2为摆动反射镜;3是回复扭簧。在凸轮转到最高点示，摆镜在扭簧的冋复力作用下冋复转动，如果凸轮转动速度超过某临界值，下降过程中凸轮与滚了问就会脱离接触。摆镜的转动规律可由如下微分方程描述：J=-k（0+Ss［）-c0-MK上式（1）屮，J：摆镜相对与转动屮心0点的转动惯量；K:冋复扭簧的扭矩系数；C:系统的粘阻系数；图2.凸轮扭簧扫描镜机构Fig2・Ascanningmirrorwithcam-springmechanism弹簧的预压缩角度；0:摆镜的摆动角度；凸轮转到最高点的摆角为零，弹簧扭紧方向为正向;0：摆镜的角加速度。 在木方案中，由于空气粘滞阻力和转动摩擦阻力矩都很小，为简化计算可以忽略式（1）中是后两项。令0=L（2）,则式（1）可化简为:6+0J&+co^~8st=0（：3）,根据微分方稈理论，式（3）的通解具有以下形式：&=Asin（00/+0）+5”（4）,式屮A,0是积分常数，可由初始状态确3定。人=1阳*（丄）2V°叫=arctan根据式（3）,摆镜的运动方式理论上是以心,为屮心，以A为振幅的简谐往复运动。由于凸轮轮廓的限制，摆镜的时间一位移曲线如图3所示。为了尽量减少凸轮与滚子间的压紧力,应使简谐振动的屮心O'与凸轮拐点重合，①产（）。在这种情况下，b时刻位于简谐振动的半周期过零位置，最短冋扫间隔XS由S时刻摆镜的转速0.、角度位置%以及简谐振动的固有频率5所决定。函数式为：+arctan—^11=tt（5）,0。显然，在本方案中，由于扫描周期、扫描效率以及扫描角度已经确定，所以式（5）中的系数均为已知:%=2°=0.035md;©o=九/（r2-人）u0.875rad/s；Tsc=/fsc=1/20=0.055；一2h/oo。_图3复合运动1111线Fig3.Thccurveofcompositemovementt［=Ts（（1-7/）=0.05x（1-（）.8）=0.0Lv将上述参数代入（5）式，采用迭代法可求得比较精确的5^171.5505。如果在工程设计中只要求概略的计算，因为0，所以“0,即—o为设计扭簧，必须计算扭矩系数，根据式（2）可得k=Joj^O得到扭矩系数麻就可根据参考文献［2］屮的介绍的方法设计扭簧，在此不做详述。摆镜的转动惯量J可利用三维CAD软件在设计中获得，目前三维CAD技术己经普遍采用，具体计算方法可借助软件使用手册。3结语综上所述，在凸轮扭簧机构具体的设计中，对扭矩系数进行校核计算，使它与摆镜构成振动系统满足固有频率3。略人于临界值，这样可保证摆镜的冋扫速度，同时尽量减少凸轮与滚了Z间的圧力。尤其对于凸轮转速较高的系统，充分考虑弹性冋复系统的固有频率特性是比较重要的。