大口徑光電經(jīng)緯儀高精度連續(xù)變焦距系統(tǒng)設(shè)計

張彬

摘要大口徑光學(xué)經(jīng)緯儀變焦距系統(tǒng)可以有效的滿足大視場穩(wěn)定捕獲和高觀測分辨力的要求。文章就變焦距系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和電子控制方法進行了討論。采用ADMAS動力學(xué)仿真軟件對變焦距系統(tǒng)動力學(xué)進行建模，分析比較了電機驅(qū)動方案和凸輪曲線的設(shè)計。采用IXR補償?shù)姆€(wěn)速控制方案，實現(xiàn)了變力矩條件下的高精度控制。對大口徑變焦距系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞變焦距；凸輪；ADMAS；動力學(xué)

中圖分類號：TH74 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0028-03

大口徑光學(xué)經(jīng)緯儀系統(tǒng)設(shè)計一方面要求在大視場下對目標(biāo)進行快速捕獲，另一方面要求觀察目標(biāo)細(xì)節(jié)和提高目標(biāo)分辨力[1]。變焦距系統(tǒng)可以有效的協(xié)調(diào)這兩方面的設(shè)計需求，通過改變變倍鏡組均勻連續(xù)的改變光學(xué)系統(tǒng)的焦距。變焦距系統(tǒng)由變倍組和補償組組成，變倍組做線性運動改變焦距，補償組通過微調(diào)實現(xiàn)像面位置調(diào)整[2]。

大口徑光學(xué)經(jīng)緯儀變焦距系統(tǒng)普遍采用凸輪的設(shè)計，凸輪輪廓曲線的精確設(shè)計可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的預(yù)期運動規(guī)律。齒輪等運動件具有控制精度高的優(yōu)點，同時表面經(jīng)特殊處理后無冷焊、無卡滯現(xiàn)象，有很好的抗沖擊振動能。文獻詳細(xì)討論了變焦距系統(tǒng)凸輪設(shè)計的解析方法[3-5]，但該解析方法只考慮成像倍率與凸輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系，沒有考慮到機械結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量和摩擦力矩的影響。本文通過使用動力學(xué)仿真軟件ADAMS提供的強大的動力學(xué)仿真功能，實現(xiàn)變焦距系統(tǒng)凸輪動力學(xué)精確建模。

大口徑光學(xué)經(jīng)緯儀變焦距系統(tǒng)具有大轉(zhuǎn)動慣量的特點，在彈道跟蹤過程中俯仰角會實時改變，使得該變焦距系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量變化較大，對該系統(tǒng)的控制帶來困難。在具體設(shè)計中，將控制臺旋鈕的位置一一映射到變倍組的完整行程，實現(xiàn)旋鈕對變倍組位置的精確控制。在旋轉(zhuǎn)過程中，既要考慮到大范圍旋轉(zhuǎn)的快速位置轉(zhuǎn)換，又要兼顧微調(diào)時位置的精確改變，需要對控制算法進行細(xì)致的設(shè)計。

1變焦距系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

變焦距系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用兩根圓柱導(dǎo)軌的形式，其中一根導(dǎo)軌用于導(dǎo)向，一根導(dǎo)軌用于支撐，兩者共同約束變倍鏡組沿著光軸方向移動。通過將UG軟件設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)導(dǎo)入ADMAS進行動力學(xué)，實現(xiàn)凸輪運動學(xué)的精確仿真和設(shè)計。

圖1采用行星齒輪傳動方式凸輪變焦距的機械結(jié)構(gòu)

1.1 凸輪驅(qū)動方案選擇

變焦距機械結(jié)構(gòu)可以采取兩種驅(qū)動方案，一種是使用一個小齒輪直接驅(qū)動凸輪齒輪轉(zhuǎn)動；一種是使用行星輪系驅(qū)動凸輪齒輪轉(zhuǎn)動。行星輪機構(gòu)能夠有效防止力的偏置，消除單個齒輪傳動帶來的附加應(yīng)力，提高光學(xué)系統(tǒng)的精度。圖2中動力學(xué)仿真表明：行星輪機構(gòu)中驅(qū)動齒輪施加給凸輪齒輪的力是單個齒輪傳動下的1/2，另外1/2的力通過隨動小齒輪傳遞，從而分散了凸輪的受力，消除了附加應(yīng)力的影響。

（a）單個齒輪傳動

（b）行星輪傳動方式下

圖2驅(qū)動力仿真曲線

1.2 凸輪曲線設(shè)計

凸輪曲線的兩個極限位置分別對應(yīng)變焦距的長焦和短焦兩個極限位置。為減小沖擊，凸輪運動規(guī)律選取了起點和終點速度和加速度為零的運動方式，即位移曲線為S型曲線，速度曲線為拋物線，加速度為正弦曲線，如圖3所示。

圖3凸輪變焦距位置、速度、加速度設(shè)計曲線

根據(jù)這一曲線建模生成的三維圖模型開槽角度為260°，凸輪升角<45°。使用UG生成的凸輪進行adams仿真后得到位移、速度、加速度曲線如圖4所示。

圖4凸輪運動仿真曲線

比較圖2和圖4可以看到仿真曲線與設(shè)計曲線吻合，圖5為恒速驅(qū)動時驅(qū)動力矩的幅值曲線，最大值為5.9Nm。

圖5凸輪運動時驅(qū)動力矩的幅值曲線

2變焦距系統(tǒng)的控制方法設(shè)計

變焦距控制系統(tǒng)速度位置雙閉環(huán)控制，速度伺服控制器的作用是使電機保持給定的速度且不受負(fù)載變化的影響，設(shè)定速度值不斷和實際值相比較，根據(jù)比較獲得誤差調(diào)節(jié)伺服放大器的輸出。位置環(huán)控制器不斷比較當(dāng)前位置與目標(biāo)位置，并將相應(yīng)糾正值傳遞給電機。同時變焦距系統(tǒng)受負(fù)載影響大，負(fù)載影響主要來自兩個方面，一方面來自凸輪加工間隙不均帶來的摩擦力不均勻，另一方面來自高俯仰角時負(fù)載重力的影響。負(fù)載變化將很大程度影響電機調(diào)節(jié)位節(jié)精度差，且可能造成電機無法調(diào)節(jié)至目標(biāo)位置。變焦距系統(tǒng)采用IxR補償?shù)姆绞剑槐夭捎冒嘿F的高精度編碼器，只采用電位計就可以實現(xiàn)變負(fù)載條件下的凸輪結(jié)構(gòu)的精確控制。設(shè)計完整的變倍導(dǎo)程為200 mm，采用12位電位計，完整的變倍導(dǎo)程對應(yīng)于4096個碼值。以下控制系統(tǒng)的設(shè)計統(tǒng)一采用碼值作為計量單位，每個碼值代表48.8 μm。本設(shè)計采用直流電機為maxon 26mm直徑稀有金屬電刷電機，機械時間常數(shù)15 ms，電樞電阻20 Ω。使用simulink control design工具進行調(diào)節(jié)器，為了減小穩(wěn)態(tài)誤差選擇K=4000，T＝40。在此參數(shù)下實驗得到的估計速度、位置和PWM占空比信息如圖6所示。實驗過程中可對參數(shù)進行微調(diào)，減小T可以減小上升時間，同時使穩(wěn)定性變差。如K=4000，T=5時，實驗得到PWM和速度曲線如圖7所示，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

為驗證IxR補償?shù)膶嶋H穩(wěn)速效果，可以看到PWM可以根據(jù)負(fù)載變化調(diào)節(jié)，負(fù)載增加時，電樞電流增加，估計轉(zhuǎn)速減小，輸入PWM占空比減小，反之亦然。比較圖與圖中的位置變化曲線可以看到相比無IxR補償情況，IxR補償可以有效的起到穩(wěn)速的作用。

圖6K=4000，T=40得到的實驗數(shù)據(jù)

圖7K=4000，T=5得到的實驗數(shù)據(jù)

設(shè)計位置環(huán)調(diào)節(jié)器K=3，T=0.2。使用simulink control designed工具得到Bode圖和階躍響應(yīng)，系統(tǒng)進入目標(biāo)區(qū)域時速度較小以提高定位精度。表1給出了采用IxR補償?shù)碾p閉環(huán)系統(tǒng)的定位精度的測試結(jié)果。近距移動100碼值時，定位精度均方根為3.25碼值。中距移動200碼值，定位精度均方根4.46碼值；遠距移動700碼值時，定位精度均方根5.74碼值。改造前單閉環(huán)系統(tǒng)定位精度只有30個碼值左右，可見IxR補償可有效提高定位精度。

3結(jié)論

本文討論了大口徑光電經(jīng)緯儀變焦距系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和電子控制設(shè)計。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計采用ADAMS動力學(xué)仿真方法，優(yōu)化了凸輪曲線和電機驅(qū)動方案。電子控制系統(tǒng)采用了IxR速度穩(wěn)定方案，提高了系統(tǒng)在變力矩條件下的適應(yīng)性和控制精度。實驗表明該設(shè)計可以有效的滿足大口徑光電經(jīng)緯儀大視場捕獲和高觀測分辨力的要求。

參考文獻

[1]李志來，薛棟林，張學(xué)軍.長焦距大視場光學(xué)系統(tǒng)的光機結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].光學(xué)精密工程，2008，16（12）：2485-2490.

[2]陳鑫，付躍剛.變焦系統(tǒng)凸輪曲線的優(yōu)化設(shè)計[J].應(yīng)用光學(xué)，2008，29（1）：45-47.

[3]王平，張葆，等.變焦距鏡頭凸輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].光學(xué)精密工程，2010，18（4）：893-898.

[4]崔軍，何國雄.變焦系統(tǒng)凸輪曲線的擬合設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報，1990，11（1）：107-112.

[5]晏蕾，賈平，等.變焦距鏡頭凸輪曲線形式的選擇[J].應(yīng)用光學(xué)，2010，31（6）：876-882.

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