摘要：成像组件在进行非均匀性校正时，需要将光学视场遮挡。视场开关需满足大过载工作
条件，本文设计一种挡片式视场开关，利用电机控制挡片的运动。设计一种圆柱扭转弹簧，
保证视场开关在过载下的位置稳定。并通过试验证明该系统的可行性和可靠性。
　　关键词：视场开关

 挡片 扭转弹 1.引言

　　成像组件是红外成像系统的关键部件，但成像组件的非均匀性直接影响系统的质量，
为了提高成像组件的成像质量。需要对成像组件进行非均匀性校正。为实现成像组件的非均
匀性校正，需要在光路中插入一均匀的背景

[1,2]。本设计在成像组件和光学系统之间安装一

套视场开关装置，由一个挡片及相应的驱动装置组成。当需要对成像组件进行非均匀性校正
时，挡片挡在光学系统与成像组件之间，校正完成后挡片撤出视场范围内。视场开关装置具
有两个工作状态，即初始状态和校正状态。在进行非均匀性校正时挡片处于校正状态。视场
开关不工作时，挡片位于初始状态，此时挡片不能遮挡光路。要求在校正状态下，挡片应该
能够完全遮挡光路。
　　

2.视场开关系统设计

　　视场开关系统包括电机驱动系统、挡片、弹簧、限位装置等。电机驱动挡片进入校正位置，
弹簧保证挡片在初始位置的可靠性。系统的性能指标要求如下：

a.驱动时间小于 0.5s；b.视

场开关装置以电机轴安装位置为中心配平，偏心量小于

0.1mm；c.挡片开合角行程：>45o,

计算按

50o；

　　

3.设计参数计算

　　

3.1 驱动力矩计算

　　根据系统性能指标可知，挡片运动时间

T=0.2s，运动角行程 50o，可以计算出挡片角

加速度为

2500o/s2。系统配平后的质量为 6.7g，按照 7g 进行计算。绕转轴的偏心量为

0.07mm ， 计 算 按 0.1mm 进 行 ， 档 片 绕 电 机 转 轴 转 动 惯 量 J 为 11.5(g·cm2) ， 计 算 按
12.00(g·cm2)[3]。电机的输出力矩 ML=K*(M1+M2+ M3+M4)。
　　式中，

K 为裕度系数，取 1.5；M1 为不考虑弹簧力、摩擦及挡片不平衡力所需要的转矩；

M1=J*α=1000*(12.00*1.0e-7)*(2500*2*pi/360)= 0.05mNm；
　　

M2 为弹簧在校正位置时的力矩；

　　

M3 为电机摩擦力矩；

　　

M4 为挡片不平衡力矩，在最大过载 3g 下不平衡力矩 M4=m*a*r=0.024 mNm。

　　

3.2 弹簧设计

　　按负荷性质采用

Ⅱ类弹簧，可满足受变负荷作用 1000—100000 次及冲击负荷。弹簧材料

拟采用不锈钢丝

1Cr18Ni9、最小工作负载 P1 为挡片初始位置的保持力矩，须保证挡片在振

动冲击、加速滚转的条件下不脱离初始位置造成视场遮挡。最大工作负载

Pn 为挡片遮挡视场

时的拉力，电机需能承受此拉力，同时考虑振动、冲击及滚转影响。
　　由电机的驱动力矩计算公式

ML=K*(M1+M2+ M3+M4)可知，弹簧的最大力矩对应于

电机最大输出力矩。最大力矩为

0.33mNm，最小力矩为 0.08mNm。选用

Ⅱ型扭转弹簧进行设

计，弹簧最大扭矩

MSmax=0.33mNm，最小扭矩取为 0.15 mNm，工作角度为 50°。计算弹簧

的最小直径为

0.14mm。由上述计算可以看出，弹簧钢丝承受最大扭矩 MSmax=0.33mNm 所

需要的最小弹簧直径为

0.14mm，弹簧设计时只要保证弹簧直径大于 0.14mm 就能保证弹簧

的强度。根据结构空间设计要求，弹簧直径选取为

0.18mm。计算得到弹簧圈数 n=6.19，对弹

簧圈数进行圆整为

6.25 [6]。

　　

4.视场开关结构设计

　　视场开关结构设计需要考虑到弹簧与电机轴的安装连接方式、弹簧的固定以及初始角度
的保证、弹簧的限位方式、档片的结构形式

(考虑档片加工性、重量及刚性)以及开关结构的安

装位置。挡片安装在转接盘上，转接盘通过连接套筒与电机输出轴相连。扭转弹簧套在连接