某型號(hào)周視鏡總體設(shè)計(jì)技術(shù)分析

宋克洲，何 波，趙臣俊，魏前崗，高向民，張永奇，付攀龍

(1.中國兵器工業(yè)集團(tuán)光電集團(tuán) 河南平原光電有限公司，河南 焦作 454001；2.中國人民解放軍駐二五八廠軍事代表室，河南 焦作 454001)

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某型號(hào)周視鏡總體設(shè)計(jì)技術(shù)分析

宋克洲1，何 波1，趙臣俊2，魏前崗1，高向民1，張永奇1，付攀龍1

(1.中國兵器工業(yè)集團(tuán)光電集團(tuán) 河南平原光電有限公司，河南 焦作 454001；2.中國人民解放軍駐二五八廠軍事代表室，河南 焦作 454001)

為了擴(kuò)大觀察范圍，模塊化結(jié)構(gòu)單元，提高可靠性，設(shè)計(jì)了一款多功能周視鏡。利用滾珠絲杠和直線軸承實(shí)現(xiàn)頭部升降，擴(kuò)大產(chǎn)品的觀察范圍；利用齒輪組差動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)上反射鏡運(yùn)動(dòng)傳輸，保證系統(tǒng)可靠性；利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)道威棱鏡及配合絕對(duì)值式光電編碼器反饋角值位置信息，消除周視過程中的圖像旋轉(zhuǎn)，保證系統(tǒng)觀瞄和測(cè)角精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：周視鏡可晝夜觀瞄、晝間3×～6×連續(xù)變焦、頭部升降300 mm、方位向全周視、測(cè)角精度在連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下不低于±1 mard。

光學(xué)儀器；周視鏡；總體設(shè)計(jì)；頭部升降

引言

近年來，周視鏡在軍事上的應(yīng)用越來越廣泛，功能越來越強(qiáng)大。在坦克裝甲車輛中，周視鏡作為司乘人員觀察戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的重要儀器，已由最初具有簡(jiǎn)單晝間觀瞄功能的光學(xué)儀器，發(fā)展到現(xiàn)今的集晝、夜(或熱像)觀察、測(cè)角、激光測(cè)距、上反穩(wěn)像[1]、自動(dòng)跟蹤等技術(shù)為一體的高科技光電集成儀器；從最初的僅供車長(zhǎng)觀察使用，發(fā)展到當(dāng)今車長(zhǎng)炮長(zhǎng)共用。為適應(yīng)新形勢(shì)下作戰(zhàn)需求，針對(duì)某型防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)指揮車，設(shè)計(jì)一款具有周視、晝夜觀瞄、頭部升降、晝間連續(xù)變倍、測(cè)角、視頻輸出[2]等功能的周視鏡。

1 設(shè)計(jì)原理

周視鏡為潛望式結(jié)構(gòu)，由上反光鏡、物鏡、下反光鏡和目鏡等組成。光線經(jīng)上反光鏡反射進(jìn)入豎直的物鏡中，再經(jīng)下反光鏡反射進(jìn)入目鏡，供人眼觀察。上反光鏡繞豎軸(豎直的物鏡中心)轉(zhuǎn)動(dòng)，即可觀察四周環(huán)境。按光學(xué)原理，上反光鏡轉(zhuǎn)動(dòng)后，經(jīng)目鏡看到的物像會(huì)發(fā)生傾斜現(xiàn)象，需引入道威棱鏡，嚴(yán)格按1∶2的關(guān)系，跟隨上光鏡按相同或相反方向(相同方向或相反方向，需根據(jù)光路中光的反射次數(shù)而定)轉(zhuǎn)動(dòng)，以消除圖像傾斜。

2 設(shè)計(jì)過程

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

周視鏡的主要技術(shù)指標(biāo)有：

a) 放大倍率

晝間：3×～6×連續(xù)變倍；夜間：7×。

b) 視場(chǎng)

晝間：3×?xí)r20°，6×?xí)r10°；夜間：7°。

c) 夜視距離

在無月晴朗星光條件下((1～3)×10-3lx)，透空觀察，可識(shí)別800 m處的目標(biāo)(2.3 m×4.6 m的標(biāo)準(zhǔn)靶)。

d) 測(cè)角范圍及精度

俯仰測(cè)角范圍為-10°～30°，精度不低于±2 mard；方向測(cè)角范圍為0°～360°，精度不低于±2 mard。

e) 頭部升降

頭部要能升高和降低，潛望高在900 mm～1 200 mm范圍內(nèi)可變。

2.2 系統(tǒng)組成和工作原理

周視鏡具有晝間觀瞄系統(tǒng)、夜間觀瞄系統(tǒng)、視頻輸出系統(tǒng)、測(cè)角系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和升降系統(tǒng)等。按結(jié)構(gòu)組成上劃分，周視鏡有頭部和中鏡體2個(gè)組件。頭部中的上反光鏡起到折轉(zhuǎn)光路作用，外界環(huán)境的光線經(jīng)上反光鏡反射進(jìn)入豎直的共用物鏡中，然后，進(jìn)入晝間的變倍組件或者夜間的夜視鏡組，二者由晝夜轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)晝夜?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換；光線進(jìn)一步前進(jìn)，進(jìn)入道威棱鏡，經(jīng)分光棱鏡分光，一部分光能進(jìn)入CCD器件，產(chǎn)生視頻信號(hào)，另一部分進(jìn)入目鏡，供人眼觀看。周視鏡的光學(xué)系統(tǒng)圖見圖1所示。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)圖 Fig.1 Diagram of optical system

2.3 總體布置

周視鏡電氣控制部分布置在周視鏡內(nèi)部的合適位置，集成為一個(gè)總體，從上往下安裝，中鏡體上部外緣凸出部分是裝車接合盤，與指揮車頂甲板之間用螺栓固定。中鏡體和頭部之間通過導(dǎo)柱連接，升降系統(tǒng)可驅(qū)動(dòng)導(dǎo)柱升降使頭部升降；用可伸縮的橡膠筒連接頭部和中鏡體，保障頭部升起后外部與內(nèi)腔的封閉。頭部主要包括上反射鏡組件、差動(dòng)齒輪組件、驅(qū)動(dòng)組件以及連接盤和鎖定機(jī)構(gòu)等。上反光鏡以外的光學(xué)系統(tǒng)、升降機(jī)構(gòu)、晝夜轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)等均布置在中鏡體中。總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.4 頭部設(shè)計(jì)

頭部的設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)周視、俯仰、測(cè)角和自鎖功能。周視齒輪、俯仰齒輪和軸承等構(gòu)成差動(dòng)齒輪組件，用螺釘固定于上反射鏡組件本體上。驅(qū)動(dòng)組件負(fù)責(zé)周視和俯仰的2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，分別與差動(dòng)齒輪組中的周視齒輪和俯仰齒輪嚙合，將運(yùn)動(dòng)傳遞給周視運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)周視、俯仰旋轉(zhuǎn)功能。差動(dòng)齒輪組的應(yīng)用，使在沒有導(dǎo)電滑環(huán)的情況下，上反光鏡的俯仰動(dòng)作得以實(shí)現(xiàn)。

圖2 總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of overall structure

周視齒輪和俯仰齒輪上分別嚙合有絕對(duì)值式光電編碼器，一方面實(shí)現(xiàn)測(cè)角功能，另一方面，其輸出信號(hào)給電氣控制模塊，與道威棱鏡嚙合的絕對(duì)值式光電編碼器信號(hào)比較，確定道威棱鏡是否轉(zhuǎn)動(dòng)，以消除圖像旋轉(zhuǎn)。

為了保證在斷電狀態(tài)下頭部處于固定位置，連接盤上裝有電磁鐵，設(shè)計(jì)有與之聯(lián)動(dòng)的鎖定機(jī)構(gòu)。產(chǎn)品工作時(shí)，電磁鐵通電，鎖緊機(jī)構(gòu)中的銷釘在電磁鐵的作用下被拉出定位孔，頭部可正常轉(zhuǎn)動(dòng)；非工作時(shí)，銷釘在彈簧的作用下彈出，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的定位孔中，鎖緊頭部。關(guān)機(jī)時(shí)，當(dāng)扳下電源開關(guān)后，電氣控制系統(tǒng)啟動(dòng)關(guān)機(jī)復(fù)位程序，檢測(cè)頭部是否在規(guī)定的零位，若不在，則驅(qū)動(dòng)周視電機(jī)運(yùn)動(dòng)使頭部向零位轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖緊銷釘對(duì)準(zhǔn)定位孔，電氣控制系統(tǒng)檢測(cè)到頭部歸零后，給出一低電平信號(hào)，通過繼電器切斷電磁鐵電源，電磁鐵的銜鐵釋放，帶動(dòng)銷釘釋放，鎖緊頭部，然后將整個(gè)系統(tǒng)的電源切斷。

2.5 消像旋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

消像旋機(jī)構(gòu)主要由道威棱鏡組件和電氣控制系統(tǒng)組成。道威棱鏡組件和頭部上各裝有一個(gè)絕對(duì)值式光電編碼器，電氣控制系統(tǒng)在開機(jī)自檢時(shí)，檢測(cè)2個(gè)編碼器輸出的角值信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有差值時(shí)，輸出修正值給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)道威棱鏡到正確位置；周視運(yùn)動(dòng)時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)頭部和道威棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電氣控制系統(tǒng)檢測(cè)2個(gè)編碼器數(shù)值，判斷是否嚴(yán)格按1∶2關(guān)系轉(zhuǎn)動(dòng)，若存在誤差，則輸出修正值，加快或減慢道威棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)。該消像旋機(jī)構(gòu)沒有機(jī)械齒輪副的傳動(dòng)，道威棱鏡和頭部之間用電信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步，用電氣閉環(huán)返饋控制精度，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。

2.6 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降機(jī)構(gòu)由主導(dǎo)柱、從動(dòng)導(dǎo)柱、滾珠絲杠、減整機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成，主導(dǎo)柱與滾珠絲杠的螺母固連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)、錐齒輪副驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)螺母上下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)主導(dǎo)柱上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)頭部升降。從動(dòng)導(dǎo)柱的作用是負(fù)責(zé)保持方向。

在升高到頂部和降到底部時(shí)，有限位觸發(fā)開關(guān)，當(dāng)觸發(fā)開關(guān)被觸動(dòng)后，信號(hào)傳遞到電氣控制系統(tǒng)，輸出控制信號(hào)斷開電機(jī)電源。

為減小磨擦阻力，導(dǎo)柱與本體之間裝入直線軸承；采用滾珠絲杠，與傳統(tǒng)的T型螺紋螺旋絲杠相比，摩擦力大大減小。

2.6.1 主導(dǎo)柱剛度計(jì)算

主導(dǎo)柱是周視鏡實(shí)現(xiàn)頭部升降[4]功能的關(guān)鍵部件。為了保證頭部升起后系統(tǒng)穩(wěn)定、工作可靠[5]，主導(dǎo)柱必須有足夠的剛度和強(qiáng)度，保證在頭部升高后，因彈性變形引起的測(cè)量誤差在可接收的范圍內(nèi)。

周視360°旋轉(zhuǎn)時(shí)，因主導(dǎo)柱彈性變形引起的測(cè)量誤差，按不大于測(cè)角精度公差的1/10設(shè)計(jì)，即不大于±0.2 mard。

升降機(jī)構(gòu)屬單推桿類。主導(dǎo)柱設(shè)計(jì)為中空式結(jié)構(gòu)，外徑φ60 mm，內(nèi)徑φ48 mm，其距產(chǎn)品光軸中心120 mm，偏心承重機(jī)構(gòu)頭部組件質(zhì)量不大于20 kg，重力模型分析圖見圖3。優(yōu)化設(shè)計(jì)連接盤結(jié)構(gòu)可忽略其自身變形，只考慮頭部升起后，主導(dǎo)柱在偏心力P的作用下產(chǎn)生的變形角θ。根據(jù)力線平移定理[6]，頭部質(zhì)量對(duì)主導(dǎo)柱的作用力可簡(jiǎn)化為集中力P′和力偶M0，力學(xué)模型如圖4所示。按懸臂梁在簡(jiǎn)單載荷作用下的變形進(jìn)一步簡(jiǎn)化，力學(xué)模型如圖5所示。變形角[7]為

(1)

將各參數(shù)(D=60 mm、d=48 mm、P=196 N、E=2×1011Pa)代入(1)式中可計(jì)算出θ=0.094 mrad。

可見，主導(dǎo)柱的剛度滿足測(cè)角精度要求。

圖3 頭部重力分析模型圖Fig.3 Gravity analysis model diagram of head

圖4 頭部力學(xué)模型圖Fig.4 Mechanical model diagram of head

圖5 簡(jiǎn)化力學(xué)模型圖Fig.5 Simplified mechanical model diagram

2.6.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算和伺服電機(jī)選型

計(jì)算電機(jī)功率能否滿足頭部升高需要的功率。首先計(jì)算頭部升高需要克服的阻力矩(扭矩),滾珠絲杠直徑為32 mm，中徑為d2=28 mm，導(dǎo)程s=5 mm,于是扭矩：

式中：Fa為軸向載荷；η為滾珠螺旋傳動(dòng)效率；將Fa(196 N)、η(0.93)數(shù)值代入上式，可計(jì)算出：

Mt=168 N·mm=0.168 N·m

伺服電機(jī)與螺旋絲杠之間有兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，比例為1∶10?？紤]磨擦阻力、傳遞效率、短時(shí)運(yùn)行、降額設(shè)計(jì)等因素，伺服電機(jī)選用某型號(hào)的無刷直流電機(jī)，額定電壓24 V時(shí)額定轉(zhuǎn)矩為0.033 6 N·m，可滿足頭部升高需要的扭矩。

2.7 晝夜轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)及變倍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用手動(dòng)整體式轉(zhuǎn)換，切換晝間的變倍組件與夜視的微光組件。機(jī)構(gòu)主要由包含晝間變倍組件和夜視微光組件的旋轉(zhuǎn)組件、支架、扇形定位條、扇形齒條、扭簧定位器、手輪等。

安裝在旋轉(zhuǎn)組件上的扇形定位條，其上有2個(gè)卡槽，分別對(duì)應(yīng)晝夜2個(gè)位置。安裝在本體上的扭簧定位器，在扭簧的扭力作用下卡入卡槽，實(shí)現(xiàn)定位；在旋轉(zhuǎn)組件上安裝扇形齒條，設(shè)計(jì)有齒輪與之嚙合，齒輪軸引出到本體外，通過手輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

連續(xù)變倍機(jī)構(gòu)采用常規(guī)的螺旋線套筒形式，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪副進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)螺旋線套筒轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)變倍鏡組中的運(yùn)動(dòng)鏡組按光學(xué)系統(tǒng)要求的曲線運(yùn)動(dòng)。

2.8 密封設(shè)計(jì)

分析周視鏡的特點(diǎn)，使用時(shí)要求頭部升降，升降過程中內(nèi)腔與外界有氣體交換。在密封性設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮以上因素，一方面將光學(xué)零部件設(shè)計(jì)成局部密封，另一方面周視轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)接合面采用常規(guī)的O型密圈加毛氈浸油密封，配置大容量的硅膠干燥劑。在使用時(shí)，除定期給周視鏡內(nèi)部充高純度氮?dú)馔?，在濕度較大的天氣條件下，升降后要馬上充氮?dú)飧稍飪?nèi)腔。

可伸縮橡膠筒，用耐物候膠料氯丁膠加上特定膠料成份，按一定配比做成耐老化膠，一方面可增加其使用年限，另一方面可使密封性、強(qiáng)度、韌性得到加強(qiáng)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

周視鏡工程樣機(jī)制造完畢后，在通用光具座上測(cè)量了晝夜倍率，用視場(chǎng)儀測(cè)量了晝夜視場(chǎng)，用精密測(cè)角儀測(cè)量測(cè)角范圍和精度，用米尺測(cè)量了頭部升降尺寸，在野外，測(cè)量了夜視距離。

a) 放大倍率

晝間：2.8×～6.2×連續(xù)變倍，夜間：7.1×。

b) 視場(chǎng)

晝間：3×?xí)r 21°，6×?xí)r 10°； 夜間：7.1°。

c) 夜視距離

在無月晴朗星光條件下((1～3)×10-3lx)，透空觀察依維柯車正面，在900 m處仍可清晰識(shí)別。

d) 測(cè)角范圍及精度

俯仰范圍為-11°～11°，精度不低于±1 mard；方向測(cè)角范圍為0°～360°多圈可連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，精度不低于±1 mard。

e) 頭部升降

周視鏡頭部可升高300 mm，實(shí)現(xiàn)潛望高從900 mm到1 200 mm變化，用時(shí)30 s。

按照軍用儀器對(duì)工作環(huán)境的要求，進(jìn)行高溫、低溫、沖擊、振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)后，復(fù)檢以上指標(biāo)，沒有變化。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于某防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)營(yíng)指揮車的周視鏡。用滾珠絲杠和直線軸承設(shè)計(jì)的升降機(jī)構(gòu)，在頭部升高300 mm后周視時(shí)，指揮車頂置空調(diào)室外機(jī)不再遮擋觀察外界環(huán)境。依據(jù)差動(dòng)齒輪組的周視運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)，省去了導(dǎo)電滑環(huán)；用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)道威棱鏡，配合絕對(duì)值式光電編碼器反饋角值位置信息，消除周視過程中的圖像旋轉(zhuǎn)，使產(chǎn)品裝校模塊化。經(jīng)驗(yàn)證，各項(xiàng)戰(zhàn)技指標(biāo)和功能達(dá)到使用要求。

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Technical analysis on overall design of XXX panoramic sight

Song Kezhou1, He Bo1,Zhao Chenjun2,Wei Qiangang1,Gao Xiangmin1,Zhang Yongqi1，F(xiàn)u Panlong1

(1.Henan Pingyuan Optics &Electronics Co., Ltd,China North Industries Group Corporation, Jiaozuo 454001,China； 2.PLA Military Representative at No. 258 Factory, Jiaozuo 454001,China)

In order to enlarge the observation range,adopt the module units and raise the reliability, a multi-functional panoramic sight was designed. By using ballscrew and linear bearing, the lifting at its head was realized so that the observation range of the product could be enlarged. By using gear cluster differential technology, the moving transmission of the mirror was realized so as to guarantee the system reliability. Through driving the Dove prism with a step motor and the cooperation with the absolute value type photoelectric encoder to feedback the angular value position information, the image revolving during panoramic sighting was eliminated, so that the system observation and aiming accuracy and the angle-measuring accuracy could be guaranteed. Engineering practice shows that the panoramic sight can perform the following actions: observation & aiming day and night, zooming continuously 3×～6×at day, 300 mm lifting at its head, all panoramic sighting in azimuth, the angle-measuring accuracy is no less than ±1 mard during continuous rotation.

optical instrument; panoramic sight; overall design;lifting at head

1002-2082(2015)06-0841-06

2015-01-27；

2015-06-25

宋克洲(1966-)，男，河南焦作人，高級(jí)工程師，主要從事軍用光學(xué)儀器總體設(shè)計(jì)技術(shù)工作。

E-mail：songkz668@163.com.

TN202

A

10.5768/JAO201536.0601004