扫描摆镜机构设计方法研究

1、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StudyonaspringmechanismofIRScannerHeShi,ShenYu,HeShiweiAbstract:Themechanismsofscanningmirrorwerestudied.Thezigzagfunctioncurveof

2、scanningmovementisoftenusedinthermalimage,sotheperformanceandfrequencyofscanningislimitedbythedelaytimeofreturningmovement.Acam-springmechanismwasusedinadesignofscanner,whichdynamiccharactercanbedescribedwithamodelofharmonicvibration,andthereiscriticalfrequencydeterminethereturningspeed.Keywords:The

3、rmalImage、scanner、cam-springmechanism、zigzag、harmonicvibration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

4、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一一位移曲线运动，横坐标为时间t;纵坐标为摆镜的角位移0。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

5、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，如图图1扫描运动的曲线Fig1.Functioncurveofscanningmovement1-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

6、，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tit2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t0ti的区间称为回扫间隔，按照扫描效率的定义：刈=t2-t1*100%或刈_1_t1-t0100%TT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fsc

7、为20Hz,扫描角度&c为1o,扫描效率n=80%o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

8、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.Ascanningmirrorwithcam-springmechanism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：J,T1-k（,）-st）-c-MR上式（1）中，J:摆镜相对与转动中心。点的转动惯量；K:回复扭簧的扭矩系数；C:系统的粘阻系数；

9、6st:弹簧的预压缩角度；e：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；了：摆镜的角加速度。1)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（中是后两项。令八2k（2）,则式（1）可化简为:、：;0二丁(3),根据微分方程理论，式（3）的通解具有以下形式:0=Asin（切t十中）十&t（4），式中A,中是积分常数，可由初始状态确3定。AA日02+(上_)2，中arctan,1!00根据式（3）,摆镜的运动方式理论上是以轮轮廓的限制，摆镜的时间一位移曲线如图应使简谐振动的中心O与凸轮拐点重合，周期过零位置，最短回扫间隔ti-t0由t0时刻摆镜的转速

10、S。、角度位置仇以及简谐振动的固有频率与。所决定。函数式为：（00tl+arctan0-0-=n（5），口。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：仇=2=0.035rad;4-A/（t2-3）：0.875rad/s；6st为中心，以A为振幅的简谐往复运动。由于凸3所示。为了尽量减少凸轮与滚子间的压紧力,5st=0。在这种情况下，ti时刻位于简谐振动的半Fig3.ThecurveofcompositemovementTsc=1/fsc=1/20=0.05s；t1=Tsc（1-n）=0.05X（1-0.8）=0.01s将上述参数代入（5）式，采用迭代法可求得比较精确白000171.5505。如果在工程设计中只要求概略的计算，因为包包0，所以3.0arctan曳空土，即兀Ms。兀。为了保证回扫速度，防止凸轮滚子跑飞，保守；022L0t1一点的设计可选用G之工；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t1为之工。为设计扭簧，必须计算扭矩系数，根据式（2）可得k=J002。得到扭矩系数23J可利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。摆镜的转动惯量用三维CAD