扫描摆镜机构设计方法研究.doc

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曲线，扫描频率和效率取决于回扫间隔时间。在采用凸轮扭簧机构驱动的某热像仪扫描器设计方案中，利用简谐振动模型来分析摆镜的回复运动过程，并得出了实现快速回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Study on a spring mechanism of IR Scanner He Shi, Shen Yu，He ShiweiAbstract: The mechanisms of scanning mirror were studied. The zigzag function curve of scanning movement is often used in thermal image, so the performance and frequency of scanning is limited by the delay time of returning movement. A cam-spring mechanism was used in a design of scanner, which dynamic character can be described with a model of harmonic vibration, and there is critical frequency determine the returning speed.Key words: Thermal Image、scanner、cam-spring mechanism、zigzag 、harmonic vibration引言扫描摆镜也有称为振动镜，因为从直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中，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中，扫描摆镜的驱动方式主要靠力矩电机直接驱动摆镜，直驱方式可以达到很好的控制精度，扫描器结构也简单，但这种驱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较大，要考虑润滑方式。1. 扫描摆镜的运动方式图1扫描运动的曲线Fig1. Function curve of scanning movement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t；纵坐标为摆镜的角位移。在第一代热成像技术中，由于探测器像元数量的限制，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1-a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，摆镜在高速摆动中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1-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，因为在图中锯齿尖端处曲线不连续，摆镜的角加速度达到了无穷大。即使驱动元件的能力很强，实际的运动曲线可能类似于图1-b中的虚线，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1-b中t1t2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中，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定。除去有效扫描的区段，图中t0t1的区间称为回扫间隔，按照扫描效率的定义： 或 所以，为了使扫描效率尽量提高，在每个扫描周期中，摆镜的回扫间隔必须尽量缩短。，而回扫间隔的长短决定于回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中，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，扫描角度为1，扫描效率=80%。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/min。这样的转速对于凸轮机构已经很高，为保证凸轮滚子在整个转动周期中能够始终与凸轮轮廓接触，需要提高回复扭簧的刚度，否则在凸轮机构的下降行程中，从动的凸轮滚子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。但若回复扭簧扭矩系数（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程中凸轮轮廓保持接触，但又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2或3中的介绍进行。本文主要分析对回复扭簧扭矩系数的设计思路。图2.凸轮扭簧扫描镜机构Fig2. A scanning mirror with cam-spring mechanism根据受力分析，摆镜在回复扭簧的作用下的自由回弹转动可简化为如图2所示模型。图中1为凸轮和电机组合；2为摆动反射镜；3是回复扭簧。在凸轮转到最高点后，摆镜在扭簧的回复力作用下回复转动，如果凸轮转动速度超过某临界值，下降过程中凸轮与滚子间就会脱离接触。摆镜的转动规律可由如下微分方程描述： 上式（1）中，J:摆镜相对与转动中心O点 的转动惯量；K:回复扭簧的扭矩系数；C:系统的粘阻系数；：弹簧的预压缩角度；：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；：摆镜的角加速度。在本方案中，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（2），则式（1）可化简为：（3），根据微分方程理论，式（3）的通解具有以下形式： （4），图3复合运动曲线Fig3.The curve of composite movement 式中, 是积分常数，可由初始状态确定。；。根据式（3），摆镜的运动方式理论上是以为中心，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，应使简谐振动的中心O与凸轮拐点重合，=0。在这种情况下，t1时刻位于简谐振动的半周期过零位置，最短回扫间隔t1-t0由t0时刻摆镜的转速、角度位置以及简谐振动的固有频率所决定。函数式为： （5），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：；;；将上述参数代入（5）式，采用迭代法可求得比较精确的。如果在工程设计中只要求概略的计算，因为,所以，即。为了保证回扫速度，防止凸轮滚子跑飞，保守一点的设计可选用；如果想尽量降低凸轮接触面的压力，以减轻电机负载，可选用。为设计扭簧，必须计算扭矩系数，根据式（2）可得。得到扭矩系数后就可根据参考文献2中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