一種大型經緯儀的自動遮光罩機構設計

1、    一種大型經緯儀的自動遮光罩機構設計    傘曉剛+薛育摘  要  遮光罩是大型光電經緯儀的重要組成部分，是抑制光學系統(tǒng)雜散光的重要結構之一。本文首先介紹了傳統(tǒng)的典型遮光罩結構，分析了兩種結構各自的特點和局限性，進而提出一種具有自動控制、重量輕、結構簡單可靠等特點的新型自動遮光罩裝置，詳細闡述了該裝置的機構的工作原理，總結了該機構的突出特點。關鍵詞  經緯儀;遮光罩;機構;直線電機;絲杠：tp368      ：a      ：1671-7597（2014）2

2、2-0008-02遮光罩是大型光電測量系統(tǒng)的重要組成部分，通常由遮光筒和遮光筒前端的開關門兩部分組成。遮光罩既能有效遮擋太陽光、地球表面的散射光及大氣漫射光等雜散光進入光學系統(tǒng)，又能通過光闌圈一定程度上吸收已經進入遮光罩的雜散光。因此，遮光罩對長焦距、大口徑、寬視場的反射式光學系統(tǒng)提高成像對比度、改善成像質量有重要意義1，2。遮光罩由于位于光電測量系統(tǒng)的最前端，距離俯仰軸回轉中心的旋轉力臂較長，所以遮光罩的質量應盡可能的小。1  傳統(tǒng)遮光罩結構現(xiàn)有的遮光罩結構有手動遮光罩和電動遮光罩兩種。傳統(tǒng)手動遮光罩的結構如圖1所示，它由圓周上開有三個均布的l形卡槽的圓形蓋板、手鈕和遮光筒前端的三

3、個擋釘組成。當擋釘旋入l形卡槽時，遮光筒蓋關緊;當擋釘旋出l形卡槽時，遮光筒蓋開啟。1-手鈕，2-圓形蓋板，3-擋釘，4-遮光筒圖1  傳統(tǒng)手動遮光罩傳統(tǒng)電動遮光罩的結構如圖2所示，它由左、右兩扇半圓形蓋板、步進電機、齒輪減速箱、聯(lián)軸器、轉軸和合頁組成。步進電機經齒輪減速箱帶動兩扇蓋板完成開啟和關閉動作。上述兩種傳統(tǒng)經緯儀遮光罩結構有如下局限性：1）手動遮光罩雖然重量輕，但不能自動控制，不符合現(xiàn)代光電測量設備要求遠程操控的要求。對于大型經緯儀，由于設備較高，人工開啟和關閉遮光筒蓋將很不方便。2）電動遮光罩雖然實現(xiàn)了自動控制，但由于采用步進電機和齒輪減速箱結構，重量較大，而且減速箱工作

4、時存在較大噪音。3）兩種遮光罩結構都位于光電測量系統(tǒng)的最前端（而且是遮光筒的最前端），距離經緯儀俯仰軸回轉中心的旋轉力臂較長，對俯仰軸的力矩較大，不利于整個設備的整體“配平”（所謂“配平”，是通過在適當位置增加質量使運動部件整體相對回轉中心力矩平衡）工作。4-遮光筒，5-步進電機，6-齒輪減速箱，7-聯(lián)軸器，8-轉軸，9-合頁，10-半圓形蓋板，11-法蘭板圖2  傳統(tǒng)電動遮光罩2  一種新型遮光罩機構設計本文針對現(xiàn)有遮光罩結構的局限性，提出一種自身重量輕、對俯仰回轉軸力矩小、可實現(xiàn)遠程自動操控的遮光罩機構設計思路。為通光口徑1000 mm、中心遮攔300 mm的經緯儀設計

5、遮光罩裝置。該遮光罩的主要結構包括直線電機12、電機固定座13、連桿14、連桿15、支撐板16、防水軟布17、連桿18、連桿19、絲杠20、消隙螺母21、限位裝置22和絲杠支撐座23。其中，電機固定座13和絲杠支撐座23分別通過圓周均布的四個支撐板16連接到遮光筒4上;絲杠20一端與直線電機12的轉軸固連在一起，另一端由絲杠支撐座23支承，并且絲杠20上安裝消隙螺母21;連桿14一端與電機固定座13以轉動副相連，另一端與連桿19的中部以轉動副相連;連桿15一端與連桿14的中部以轉動副相連，另一端與連桿18以轉動副相連;連桿19一端與連桿18的中部以轉動副相連，另一端與消隙螺母21以轉動副相連;

6、連桿14、連桿15、連桿18和連桿19組成的四桿機構，以遮光筒4中心線為軸，圓周均布8組;防水軟布17覆蓋在所有四桿機構中連桿14、連桿15和連桿18的外側;限位裝置22，一個布置在當四桿機構完全展開至覆蓋遮光筒4的通光孔徑時消隙螺母21左端可碰觸觸發(fā)的位置，一個布置在四桿機構折疊收縮至光線遮攔區(qū)域時消隙螺母21右端可碰觸觸發(fā)的位置。3  新型遮光罩的工作原理上文所述的輕型自動遮光罩的工作原理是（參見圖3）：當大型經緯儀需要進行觀測操作時，需要收起遮光筒蓋，這時直線電機逆時針轉動，帶動絲杠也逆時針轉動，消隙螺母向右運動，四桿機構連同軟布折疊收縮，當收縮至牛頓光學系統(tǒng)的光線遮攔區(qū)域里時

7、，消隙螺母右側觸發(fā)限位裝置，直線電機停止運轉，遮光筒蓋保持收起狀態(tài);而當經緯儀觀測結束，需要遮光筒蓋展開以保護光學系統(tǒng)，這時直線電機順時針轉動，帶動絲杠也順時針轉動，消隙螺母向左運動，四桿機構連同軟布沿徑向逐漸展開，直至覆蓋整個通光孔徑，此時消隙螺母左側觸發(fā)限位裝置，直線電機停止運轉，遮光筒蓋保持開啟狀態(tài)。4-遮光筒，12-直線電機，13-電機固定座，14-連桿，15-連桿，16-支撐板，17-防水軟布，18-連桿，19-連桿，20-絲杠，21-消隙螺母，22-限位裝置，23-絲杠支撐座圖3  一種電動遮光筒蓋機構4  結論本文提出了一種輕型自動控制遮光罩結構的設計思路，應

8、用直線電機直接帶動絲杠轉動取代傳統(tǒng)步進電機搭配齒輪減速箱的組合，結構簡單可靠，整個遮光罩的重量較輕，且裝置運行時噪音小;由于本設計的遮光罩結構質心距離俯仰軸回轉中心的距離較傳統(tǒng)結構要小很多，所以遮光罩對回轉中心的力矩變小，有利于系統(tǒng)的“配平”工作;不僅如此，本遮光罩還可實現(xiàn)自動遠程控制。同時，該遮光罩的缺點是氣密性能一般，不適用于需要絕對氣密的應用場合。參考文獻1丁福建，李英才.外遮光罩工程分析及其結構動力優(yōu)化j.光子學報，1999，28（1）：75-79.2賈學志，金光，張雷.空間相機外遮光罩結構設計與優(yōu)化j.光學精密工程，2008，16（8）：1560-1565.作者簡介傘曉剛（1982-

9、），男，遼寧鐵嶺人，博士，2006年于哈爾濱工業(yè)大學獲得學士學位，2008年于華中科技大學獲得碩士學位，2013年于中國科學院大學獲得博士學位，現(xiàn)為中科院長春光學精密機械與物理研究所助理研究員，主要從事光電測量設備結構設計方面的研究。薛育（1960-），女，遼寧蓋縣人，高級實驗師，現(xiàn)在中科院長春光機所工作，主要從事光電測量設備結構設計方面的研究。endprint摘  要  遮光罩是大型光電經緯儀的重要組成部分，是抑制光學系統(tǒng)雜散光的重要結構之一。本文首先介紹了傳統(tǒng)的典型遮光罩結構，分析了兩種結構各自的特點和局限性，進而提出一種具有自動控制、重量輕、結構簡單可靠等特點的新型自

10、動遮光罩裝置，詳細闡述了該裝置的機構的工作原理，總結了該機構的突出特點。關鍵詞  經緯儀;遮光罩;機構;直線電機;絲杠：tp368      ：a      ：1671-7597（2014）22-0008-02遮光罩是大型光電測量系統(tǒng)的重要組成部分，通常由遮光筒和遮光筒前端的開關門兩部分組成。遮光罩既能有效遮擋太陽光、地球表面的散射光及大氣漫射光等雜散光進入光學系統(tǒng)，又能通過光闌圈一定程度上吸收已經進入遮光罩的雜散光。因此，遮光罩對長焦距、大口徑、寬視場的反射式光學系統(tǒng)提高成像對比度、改善成像質量有重要意義1，2。遮光罩由于

11、位于光電測量系統(tǒng)的最前端，距離俯仰軸回轉中心的旋轉力臂較長，所以遮光罩的質量應盡可能的小。1  傳統(tǒng)遮光罩結構現(xiàn)有的遮光罩結構有手動遮光罩和電動遮光罩兩種。傳統(tǒng)手動遮光罩的結構如圖1所示，它由圓周上開有三個均布的l形卡槽的圓形蓋板、手鈕和遮光筒前端的三個擋釘組成。當擋釘旋入l形卡槽時，遮光筒蓋關緊;當擋釘旋出l形卡槽時，遮光筒蓋開啟。1-手鈕，2-圓形蓋板，3-擋釘，4-遮光筒圖1  傳統(tǒng)手動遮光罩傳統(tǒng)電動遮光罩的結構如圖2所示，它由左、右兩扇半圓形蓋板、步進電機、齒輪減速箱、聯(lián)軸器、轉軸和合頁組成。步進電機經齒輪減速箱帶動兩扇蓋板完成開啟和關閉動作。上述兩種傳統(tǒng)經緯儀遮光

12、罩結構有如下局限性：1）手動遮光罩雖然重量輕，但不能自動控制，不符合現(xiàn)代光電測量設備要求遠程操控的要求。對于大型經緯儀，由于設備較高，人工開啟和關閉遮光筒蓋將很不方便。2）電動遮光罩雖然實現(xiàn)了自動控制，但由于采用步進電機和齒輪減速箱結構，重量較大，而且減速箱工作時存在較大噪音。3）兩種遮光罩結構都位于光電測量系統(tǒng)的最前端（而且是遮光筒的最前端），距離經緯儀俯仰軸回轉中心的旋轉力臂較長，對俯仰軸的力矩較大，不利于整個設備的整體“配平”（所謂“配平”，是通過在適當位置增加質量使運動部件整體相對回轉中心力矩平衡）工作。4-遮光筒，5-步進電機，6-齒輪減速箱，7-聯(lián)軸器，8-轉軸，9-合頁，10-半

13、圓形蓋板，11-法蘭板圖2  傳統(tǒng)電動遮光罩2  一種新型遮光罩機構設計本文針對現(xiàn)有遮光罩結構的局限性，提出一種自身重量輕、對俯仰回轉軸力矩小、可實現(xiàn)遠程自動操控的遮光罩機構設計思路。為通光口徑1000 mm、中心遮攔300 mm的經緯儀設計遮光罩裝置。該遮光罩的主要結構包括直線電機12、電機固定座13、連桿14、連桿15、支撐板16、防水軟布17、連桿18、連桿19、絲杠20、消隙螺母21、限位裝置22和絲杠支撐座23。其中，電機固定座13和絲杠支撐座23分別通過圓周均布的四個支撐板16連接到遮光筒4上;絲杠20一端與直線電機12的轉軸固連在一起，另一端由絲杠支撐座23支

14、承，并且絲杠20上安裝消隙螺母21;連桿14一端與電機固定座13以轉動副相連，另一端與連桿19的中部以轉動副相連;連桿15一端與連桿14的中部以轉動副相連，另一端與連桿18以轉動副相連;連桿19一端與連桿18的中部以轉動副相連，另一端與消隙螺母21以轉動副相連;連桿14、連桿15、連桿18和連桿19組成的四桿機構，以遮光筒4中心線為軸，圓周均布8組;防水軟布17覆蓋在所有四桿機構中連桿14、連桿15和連桿18的外側;限位裝置22，一個布置在當四桿機構完全展開至覆蓋遮光筒4的通光孔徑時消隙螺母21左端可碰觸觸發(fā)的位置，一個布置在四桿機構折疊收縮至光線遮攔區(qū)域時消隙螺母21右端可碰觸觸發(fā)的位置。3

15、  新型遮光罩的工作原理上文所述的輕型自動遮光罩的工作原理是（參見圖3）：當大型經緯儀需要進行觀測操作時，需要收起遮光筒蓋，這時直線電機逆時針轉動，帶動絲杠也逆時針轉動，消隙螺母向右運動，四桿機構連同軟布折疊收縮，當收縮至牛頓光學系統(tǒng)的光線遮攔區(qū)域里時，消隙螺母右側觸發(fā)限位裝置，直線電機停止運轉，遮光筒蓋保持收起狀態(tài);而當經緯儀觀測結束，需要遮光筒蓋展開以保護光學系統(tǒng)，這時直線電機順時針轉動，帶動絲杠也順時針轉動，消隙螺母向左運動，四桿機構連同軟布沿徑向逐漸展開，直至覆蓋整個通光孔徑，此時消隙螺母左側觸發(fā)限位裝置，直線電機停止運轉，遮光筒蓋保持開啟狀態(tài)。4-遮光筒，12-直線電機，1

16、3-電機固定座，14-連桿，15-連桿，16-支撐板，17-防水軟布，18-連桿，19-連桿，20-絲杠，21-消隙螺母，22-限位裝置，23-絲杠支撐座圖3  一種電動遮光筒蓋機構4  結論本文提出了一種輕型自動控制遮光罩結構的設計思路，應用直線電機直接帶動絲杠轉動取代傳統(tǒng)步進電機搭配齒輪減速箱的組合，結構簡單可靠，整個遮光罩的重量較輕，且裝置運行時噪音小;由于本設計的遮光罩結構質心距離俯仰軸回轉中心的距離較傳統(tǒng)結構要小很多，所以遮光罩對回轉中心的力矩變小，有利于系統(tǒng)的“配平”工作;不僅如此，本遮光罩還可實現(xiàn)自動遠程控制。同時，該遮光罩的缺點是氣密性能一般，不適用于需要絕

17、對氣密的應用場合。參考文獻1丁福建，李英才.外遮光罩工程分析及其結構動力優(yōu)化j.光子學報，1999，28（1）：75-79.2賈學志，金光，張雷.空間相機外遮光罩結構設計與優(yōu)化j.光學精密工程，2008，16（8）：1560-1565.作者簡介傘曉剛（1982-），男，遼寧鐵嶺人，博士，2006年于哈爾濱工業(yè)大學獲得學士學位，2008年于華中科技大學獲得碩士學位，2013年于中國科學院大學獲得博士學位，現(xiàn)為中科院長春光學精密機械與物理研究所助理研究員，主要從事光電測量設備結構設計方面的研究。薛育（1960-），女，遼寧蓋縣人，高級實驗師，現(xiàn)在中科院長春光機所工作，主要從事光電測量設備結構設計方

18、面的研究。endprint摘  要  遮光罩是大型光電經緯儀的重要組成部分，是抑制光學系統(tǒng)雜散光的重要結構之一。本文首先介紹了傳統(tǒng)的典型遮光罩結構，分析了兩種結構各自的特點和局限性，進而提出一種具有自動控制、重量輕、結構簡單可靠等特點的新型自動遮光罩裝置，詳細闡述了該裝置的機構的工作原理，總結了該機構的突出特點。關鍵詞  經緯儀;遮光罩;機構;直線電機;絲杠：tp368      ：a      ：1671-7597（2014）22-0008-02遮光罩是大型光電測量系統(tǒng)的重要組成部分，通常由遮光筒和遮光

19、筒前端的開關門兩部分組成。遮光罩既能有效遮擋太陽光、地球表面的散射光及大氣漫射光等雜散光進入光學系統(tǒng)，又能通過光闌圈一定程度上吸收已經進入遮光罩的雜散光。因此，遮光罩對長焦距、大口徑、寬視場的反射式光學系統(tǒng)提高成像對比度、改善成像質量有重要意義1，2。遮光罩由于位于光電測量系統(tǒng)的最前端，距離俯仰軸回轉中心的旋轉力臂較長，所以遮光罩的質量應盡可能的小。1  傳統(tǒng)遮光罩結構現(xiàn)有的遮光罩結構有手動遮光罩和電動遮光罩兩種。傳統(tǒng)手動遮光罩的結構如圖1所示，它由圓周上開有三個均布的l形卡槽的圓形蓋板、手鈕和遮光筒前端的三個擋釘組成。當擋釘旋入l形卡槽時，遮光筒蓋關緊;當擋釘旋出l形卡槽時，遮光筒

20、蓋開啟。1-手鈕，2-圓形蓋板，3-擋釘，4-遮光筒圖1  傳統(tǒng)手動遮光罩傳統(tǒng)電動遮光罩的結構如圖2所示，它由左、右兩扇半圓形蓋板、步進電機、齒輪減速箱、聯(lián)軸器、轉軸和合頁組成。步進電機經齒輪減速箱帶動兩扇蓋板完成開啟和關閉動作。上述兩種傳統(tǒng)經緯儀遮光罩結構有如下局限性：1）手動遮光罩雖然重量輕，但不能自動控制，不符合現(xiàn)代光電測量設備要求遠程操控的要求。對于大型經緯儀，由于設備較高，人工開啟和關閉遮光筒蓋將很不方便。2）電動遮光罩雖然實現(xiàn)了自動控制，但由于采用步進電機和齒輪減速箱結構，重量較大，而且減速箱工作時存在較大噪音。3）兩種遮光罩結構都位于光電測量系統(tǒng)的最前端（而且是遮光筒的

21、最前端），距離經緯儀俯仰軸回轉中心的旋轉力臂較長，對俯仰軸的力矩較大，不利于整個設備的整體“配平”（所謂“配平”，是通過在適當位置增加質量使運動部件整體相對回轉中心力矩平衡）工作。4-遮光筒，5-步進電機，6-齒輪減速箱，7-聯(lián)軸器，8-轉軸，9-合頁，10-半圓形蓋板，11-法蘭板圖2  傳統(tǒng)電動遮光罩2  一種新型遮光罩機構設計本文針對現(xiàn)有遮光罩結構的局限性，提出一種自身重量輕、對俯仰回轉軸力矩小、可實現(xiàn)遠程自動操控的遮光罩機構設計思路。為通光口徑1000 mm、中心遮攔300 mm的經緯儀設計遮光罩裝置。該遮光罩的主要結構包括直線電機12、電機固定座13、連桿14、連

22、桿15、支撐板16、防水軟布17、連桿18、連桿19、絲杠20、消隙螺母21、限位裝置22和絲杠支撐座23。其中，電機固定座13和絲杠支撐座23分別通過圓周均布的四個支撐板16連接到遮光筒4上;絲杠20一端與直線電機12的轉軸固連在一起，另一端由絲杠支撐座23支承，并且絲杠20上安裝消隙螺母21;連桿14一端與電機固定座13以轉動副相連，另一端與連桿19的中部以轉動副相連;連桿15一端與連桿14的中部以轉動副相連，另一端與連桿18以轉動副相連;連桿19一端與連桿18的中部以轉動副相連，另一端與消隙螺母21以轉動副相連;連桿14、連桿15、連桿18和連桿19組成的四桿機構，以遮光筒4中心線為軸，圓周均布8組;防水軟布17覆蓋在所有四桿機構中連桿14、連桿15和連桿18的外側;限位裝置22，一個布置在當四桿機構完全展開至覆蓋遮光筒4的通光孔徑時消隙螺母21左端可碰觸觸發(fā)的位置，一個布置在四桿機構折疊收縮至光線遮攔區(qū)域時消隙螺母21右端可碰觸觸發(fā)的位置。3  新型遮光罩的工作原理上文所述的輕型自動遮光罩的工作原理是（參見圖3）：當大型經緯儀需要進行觀測操作時，需要收起遮光筒蓋，這時直線電機逆時針轉動，帶動絲杠也逆時針轉動，消隙螺母向右運動，四桿機構連同軟布折疊收縮，當收縮至牛頓光學系統(tǒng)的光線遮攔區(qū)域里時，消隙螺母右側觸發(fā)限位裝置，直線電機停止運轉，遮光筒蓋保持