燈具的電動(dòng)變焦組件設(shè)計(jì)*

王艷春，吳育林，梁 明

（1.廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528041；2.廣東凱西歐光健康有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

燈是生活中隨處可見的照明工具，很多特定的場合經(jīng)常會(huì)用到可以調(diào)焦的燈具，比如車站、碼頭、廣場、工程施工、特種機(jī)械等場所，以及用于城市景觀、建筑物立面作美化照明的燈具通常都具備調(diào)焦功能。燈具的調(diào)焦一般是在燈源前面安裝一個(gè)變焦組件，變焦組件包括有變焦透鏡，通過改變變焦透鏡與燈源的距離實(shí)現(xiàn)調(diào)焦功能?，F(xiàn)有燈光調(diào)焦方式比較常見的是手動(dòng)調(diào)節(jié)，如吳育林等[1]研發(fā)的LED變焦燈模組，具有獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)無級(jí)調(diào)焦的結(jié)構(gòu)，運(yùn)用帶有旋升斜槽轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，透鏡部分的凸點(diǎn)可在斜槽內(nèi)滑動(dòng)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)旋升斜槽轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)實(shí)現(xiàn)透鏡部分上下滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)無極調(diào)節(jié)。王紅印等[2]提出利用透鏡組變焦原理來設(shè)計(jì)陣列光源變焦透鏡系統(tǒng)，提高光角度的變化范圍。魏永綱等[3]的發(fā)明專利“一種可變焦的LED燈（CN101334144）”中采用的技術(shù)方案是，可調(diào)整光斑大小的可變焦的LED燈具由變焦后座、帶基板的LED、燈身、透鏡、限位螺釘、透鏡支架、調(diào)節(jié)環(huán)零件組成，零件較多，裝拆麻煩。自動(dòng)調(diào)采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)，變焦組件主要是通過設(shè)置單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，改變變焦透鏡與燈源的距離，這樣的變焦組件零件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不方便安裝使用。劉鑫等[4]在光電經(jīng)緯儀中設(shè)計(jì)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)，選用直線步進(jìn)電機(jī)調(diào)焦，機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)計(jì)有滑架和導(dǎo)軌，用電機(jī)螺旋桿帶動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦。針對(duì)燈具體積小，不便使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的變焦機(jī)構(gòu)，以及燈具通常掛在高空，人工調(diào)焦不方便的問題，本文介紹的電動(dòng)變焦組件結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變焦，解決現(xiàn)有燈具變焦問題。

1 電動(dòng)變焦組件結(jié)構(gòu)

1.1 電動(dòng)變焦組件

電動(dòng)變焦組件如圖1所示[5]，主要由導(dǎo)向環(huán)、變焦透鏡、調(diào)焦環(huán)組成。導(dǎo)向環(huán)、變焦透鏡和調(diào)焦環(huán)裝配在一起，組成電動(dòng)變焦組件。導(dǎo)向環(huán)與燈筒連接，燈源向電動(dòng)變焦組件的一側(cè)發(fā)出燈光，燈光穿過變焦透鏡向外射出，通過調(diào)整變焦透鏡與燈源的距離調(diào)整焦距，達(dá)到調(diào)焦的目的[6]。

1.2 電動(dòng)變焦組件部件設(shè)計(jì)

（1）導(dǎo)向環(huán)

導(dǎo)向環(huán)如圖2所示，由齒輪、電機(jī)、環(huán)體組成。環(huán)體上設(shè)計(jì)有定位條、固定框、導(dǎo)向環(huán)扣位、導(dǎo)向槽。齒輪安裝在電機(jī)的輸出端，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)固定在固定框當(dāng)中。在環(huán)體圓周上均勻分布3個(gè)定位板，其作用是當(dāng)圖1電動(dòng)變焦組件安裝在燈具上時(shí)，其與燈具上的相應(yīng)位置配合，方便電動(dòng)變焦組件快速準(zhǔn)確定位。環(huán)體圓周上均勻分布3個(gè)導(dǎo)向環(huán)扣位，其作用是將圖1電動(dòng)變焦組件固定在燈筒上。豎直的導(dǎo)向槽設(shè)在導(dǎo)向環(huán)的內(nèi)側(cè)，其作用是讓圖3的變焦透鏡做上下運(yùn)動(dòng)，控制變焦透鏡與燈源的遠(yuǎn)近[7]。

圖1 電動(dòng)變焦組件

圖2 導(dǎo)向環(huán)

（2）變焦透鏡

變焦透鏡如圖3所示，邊緣設(shè)計(jì)有向外凸起的短凸柱和長凸柱，短凸柱有2個(gè)，分別與圖4調(diào)焦環(huán)上的第二螺旋槽和第三螺旋槽卡合，而長凸柱穿過圖4調(diào)焦環(huán)上的第一螺旋槽，并伸入圖2導(dǎo)向環(huán)的導(dǎo)向槽內(nèi)，在導(dǎo)向槽內(nèi)做上下運(yùn)動(dòng)。

圖3 變焦透鏡

（3）調(diào)焦環(huán)

調(diào)焦環(huán)如圖4所示，調(diào)焦環(huán)壁上設(shè)計(jì)有第一螺旋槽、輪齒、第二螺旋槽、調(diào)焦環(huán)扣位、第三螺旋槽。輪齒與圖2的導(dǎo)向環(huán)齒輪嚙合，導(dǎo)向環(huán)電機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向環(huán)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)調(diào)焦環(huán)輪齒轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)焦環(huán)圓周上均勻分布3個(gè)調(diào)焦環(huán)扣位，其作用是與圖2導(dǎo)向環(huán)連接。

圖4 調(diào)焦環(huán)

2 電動(dòng)變焦組件工作原理

將圖3中變焦透鏡的2個(gè)短凸柱和長凸柱裝入圖4中調(diào)焦環(huán)對(duì)應(yīng)的第二螺旋槽、第三螺旋槽和第一螺旋槽中，長凸柱對(duì)準(zhǔn)圖2導(dǎo)向環(huán)的導(dǎo)向槽安裝，圖4調(diào)焦環(huán)扣位與圖2導(dǎo)向環(huán)連接。導(dǎo)向環(huán)、變焦透鏡和調(diào)焦環(huán)組裝在一起變成電動(dòng)變焦組件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變焦功能。

圖2中導(dǎo)向環(huán)電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)圖4中調(diào)焦環(huán)的輪齒轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)焦環(huán)在輪齒的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在調(diào)焦環(huán)第二螺旋槽、第三螺旋槽和第一螺旋槽中的變焦透鏡的2個(gè)短凸柱和長凸柱跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，由于長凸柱還安裝在圖2導(dǎo)向環(huán)的導(dǎo)向槽中，長凸柱只能在導(dǎo)向槽中做上下運(yùn)動(dòng)，因此，變焦透鏡僅能沿著導(dǎo)向槽做上下滑動(dòng)，上下運(yùn)動(dòng)可以控制變焦透鏡與燈源的遠(yuǎn)近，從而達(dá)到變焦的目的[8]。

3 電動(dòng)變焦組件在導(dǎo)軌燈中的應(yīng)用

該電動(dòng)變焦組件零件少、體積少，電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)變焦，因此，結(jié)構(gòu)簡單，容易安裝，對(duì)燈具要求低，適用范圍廣，本文以導(dǎo)軌燈安裝電動(dòng)變焦組件為例介紹自動(dòng)變焦組件的應(yīng)用。

3.1 導(dǎo)軌燈組成

導(dǎo)軌燈如圖5所示，主要由導(dǎo)軌盒、吊臂、燈筒、電動(dòng)變焦組件組成。導(dǎo)軌盒固定在導(dǎo)軌上，吊臂分別與固定導(dǎo)軌盒和燈筒連接，燈筒里面裝有燈源，電動(dòng)變焦組件安裝在燈筒上，并且靠近燈源一側(cè)安裝，燈源向電動(dòng)變焦組件的一側(cè)發(fā)出燈光，調(diào)整圖3變焦透鏡與燈源的距離就可以調(diào)整導(dǎo)軌燈的焦距。

3.2 自動(dòng)變焦組件在導(dǎo)軌燈中的安裝

圖6所示為自動(dòng)變焦組件在導(dǎo)軌燈中的安裝[9]，使用時(shí)，將電動(dòng)變焦組件放入導(dǎo)軌燈的燈筒中，將圖2導(dǎo)向環(huán)的3個(gè)定位板對(duì)準(zhǔn)燈具上的相應(yīng)位置快速準(zhǔn)確定位，再將圖2的3個(gè)導(dǎo)向環(huán)扣位扣合在燈筒的內(nèi)壁上，導(dǎo)向環(huán)扣位的結(jié)構(gòu)能使電動(dòng)變焦組件與燈具的連接更穩(wěn)定，在使用過程中不易脫落同時(shí)方便裝拆。

圖6 自動(dòng)變焦組件在導(dǎo)軌燈中的安裝

LED燈源通過4個(gè)螺釘固定在導(dǎo)熱鋁板上，圖4調(diào)焦環(huán)安裝在靠近燈源的一端，用圖4調(diào)焦環(huán)扣位鉤住圖2導(dǎo)向環(huán)靠近燈源的一端，將調(diào)焦環(huán)和導(dǎo)向環(huán)兩者穩(wěn)固地連接在一起，但調(diào)焦環(huán)與導(dǎo)向環(huán)只是連接在一起，并沒有固定，因此，當(dāng)圖2導(dǎo)向環(huán)的電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于齒輪和圖4調(diào)焦環(huán)的輪齒嚙合，所以，齒輪帶動(dòng)輪齒轉(zhuǎn)動(dòng)，輪齒是調(diào)焦環(huán)的一部分，調(diào)焦環(huán)在輪齒的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3中變焦透鏡主要靠2個(gè)短凸柱和長凸柱插入到圖3調(diào)焦環(huán)的3個(gè)螺旋槽中和調(diào)焦環(huán)裝配在一起，調(diào)焦環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)變焦透鏡的2個(gè)短凸柱和長凸柱轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，帶動(dòng)變焦透鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，由于長凸柱還安裝在圖2導(dǎo)向環(huán)的導(dǎo)向槽中，導(dǎo)向槽的形狀是長條形，限制了長凸柱做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，長凸柱只能在導(dǎo)向槽中做上下運(yùn)動(dòng)，因此，長凸柱帶動(dòng)變焦透鏡僅能沿著導(dǎo)向槽做上下滑動(dòng)，上下運(yùn)動(dòng)可以控制變焦透鏡與導(dǎo)軌燈的LED燈源的遠(yuǎn)近，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌燈光束角的變化。

3.3 導(dǎo)軌燈的自動(dòng)變焦組件控制系統(tǒng)

選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使用遙控器發(fā)出信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收信號(hào)后控制電機(jī)運(yùn)行，從而控制變焦透鏡與導(dǎo)軌LED燈源的距離，距離遠(yuǎn)近的改變即改變光束角的大小。

常用遙控器有紅外遙控系統(tǒng)和無線遙控器，都是一種用來遠(yuǎn)程控制機(jī)器的裝置，一般有發(fā)射和接收2個(gè)部分，發(fā)射器將控制信息以一定方式編碼后去調(diào)制信號(hào)，并發(fā)射岀去，接收器收到信號(hào)經(jīng)放大解調(diào)解碼相應(yīng)的控制信息，再送到電路去執(zhí)行相關(guān)控制。

紅外遙控器是用紅外線來傳送控制信號(hào)的，其特點(diǎn)是有方向性、不能有阻擋、距離一般不超過7 m、不受電磁干擾，無線電遙控器是用無線電波來傳送控制信號(hào)的，其特點(diǎn)是無方向性、可以不“面對(duì)面”控制、距離遠(yuǎn)，容易受電磁干擾。因此，用戶可以根據(jù)自己的需求，選擇不同的遙控器控制LED導(dǎo)軌燈自動(dòng)變焦。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)變焦組件主要由導(dǎo)向環(huán)、變焦透鏡、調(diào)焦環(huán)3個(gè)零件、1個(gè)電機(jī)和1個(gè)齒輪組成，零件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單。自動(dòng)變焦組件靠導(dǎo)向環(huán)的扣位與燈筒連接，裝卸方便，變焦組件的導(dǎo)向環(huán)、變焦透鏡、調(diào)焦環(huán)3個(gè)零件的裝配靠調(diào)焦環(huán)的扣位連接，3個(gè)零件之間裝卸也很方便，因此，燈具需要自動(dòng)變焦就安裝，不需要可以拆下來。電機(jī)帶動(dòng)齒輪運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)調(diào)焦環(huán)運(yùn)動(dòng)，調(diào)焦環(huán)帶動(dòng)變焦透鏡做直線運(yùn)動(dòng)，改變變焦透鏡和燈源的距離，實(shí)現(xiàn)光束角的變化，該自動(dòng)變焦組件，對(duì)燈具的要求低，可以應(yīng)用在射燈、聚光燈、導(dǎo)軌燈等燈具上，應(yīng)用范圍廣。