專利名稱：超高速鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于超高速圖像記錄系統(tǒng)中的鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)，更具體地說，涉及一種由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大速比同軸增速超高速鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超高速圖像記錄系統(tǒng)用于記錄某些轉(zhuǎn)瞬即逝的超快現(xiàn)象(如高壓放電、爆轟等)的二維序列圖像，所獲得的圖像可用于研究該現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)性能、過程和機(jī)理。超高速圖像記錄系統(tǒng)的攝影頻率寬廣，可從每秒幾萬幅到每秒幾千萬幅，是微秒級(jí)和亞微秒級(jí)圖像記錄技術(shù)。其中的超高速攝影頻率是靠超高速轉(zhuǎn)鏡所產(chǎn)生的超高速光學(xué)掃描快門的順序曝光獲得的。也就是說，轉(zhuǎn)鏡是這類超高速圖像記錄系統(tǒng)的核心，是影響系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。
“鋁轉(zhuǎn)鏡”是指用高強(qiáng)度鋁合金制作的轉(zhuǎn)鏡鏡體。鋁轉(zhuǎn)鏡易于加工，在解決了制作鋁轉(zhuǎn)鏡反射面的工藝之后，其反射率已高達(dá)85％，完全可以用作超高速圖像記錄系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)鏡，以取代國內(nèi)外一直沿用的高強(qiáng)度鋼轉(zhuǎn)鏡。研究表明，高強(qiáng)度鋁轉(zhuǎn)鏡不僅價(jià)格低、比重小，比強(qiáng)度、比剛度比高強(qiáng)度鋼和鈦合金好，而且驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鏡所消耗的功率小，同樣驅(qū)動(dòng)條件下約為鋼轉(zhuǎn)鏡的1/3、鈦合金轉(zhuǎn)鏡的1/2，這為電機(jī)-同軸增速機(jī)構(gòu)的超高速驅(qū)動(dòng)創(chuàng)造了條件。
超高速轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)是轉(zhuǎn)鏡式超高速圖像記錄系統(tǒng)的核心機(jī)構(gòu)。目前，超高速轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)大都采用氣動(dòng)方式，其原理是將氣體介質(zhì)經(jīng)過噴嘴以音速、超音速的速度直接噴到渦輪上，使渦輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)鏡高速旋轉(zhuǎn)。這里的氣體介質(zhì)一般是空氣、氮?dú)饣蚝?。氣?dòng)方式雖然可使轉(zhuǎn)鏡高速旋轉(zhuǎn)，但是其結(jié)構(gòu)繁雜、操作不便、并且很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制(例如遙控和智能控制)；同時(shí)，在氣動(dòng)方式下，轉(zhuǎn)鏡很難在真空中運(yùn)轉(zhuǎn)；另外，要驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鏡高速旋轉(zhuǎn)所需的氦氣價(jià)格貴，而且穩(wěn)定的氣源要受地理?xiàng)l件的限制。
氣體驅(qū)動(dòng)方式具有噪音大、消耗功率大、產(chǎn)生渦流會(huì)導(dǎo)致像質(zhì)嚴(yán)重變壞等致命弱點(diǎn)。研究表明，在這種氣體介質(zhì)環(huán)境中的超高速驅(qū)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)鏡邊緣線速度小于200mps時(shí)，目視鑒別率約為100lp/mm；當(dāng)超過200mps時(shí)，目視鑒別率下降到40lp/mm；同時(shí)，在現(xiàn)有的超高速圖像記錄系統(tǒng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)鏡邊緣線速度大于200mps時(shí)，整個(gè)攝影機(jī)暗箱(箱體)腔內(nèi)充氦氣，要用純度大于95％的氦氣才能得到好的像質(zhì)；如果轉(zhuǎn)鏡邊緣線速度超過400mps，就是充氦氣亦會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的渦流，使像質(zhì)變壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大速比同軸增速超高速鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)，可保證鋁轉(zhuǎn)鏡在真空環(huán)境中高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)提高像質(zhì)，降低噪音和使用成本。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，提供一種超高速鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)，包括密封殼體和鋁轉(zhuǎn)鏡，其特征在于，還包括支承機(jī)構(gòu)、增速機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述鋁轉(zhuǎn)鏡和增速機(jī)構(gòu)裝在所述密封殼體內(nèi)，并由所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過所述增速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)其高速旋轉(zhuǎn)；所述增速機(jī)構(gòu)由齒輪增速機(jī)構(gòu)和大速比同軸增速機(jī)構(gòu)組成；所述齒輪增速機(jī)構(gòu)包括大齒輪和小齒輪，所述大齒輪裝在所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸上并與所述小齒輪配合，可帶動(dòng)小齒輪快速旋轉(zhuǎn)；所述大速比同軸增速機(jī)構(gòu)包括摩擦套、多個(gè)高速寬軸承和一個(gè)中心軸，所述摩擦套與所述小齒輪共用同一根轉(zhuǎn)軸，所述中心軸的尾端位于所述摩擦套的中心，所述高速寬軸承裝在所述摩擦套內(nèi)并與所述摩擦套的內(nèi)壁及所述中心軸的尾端緊密配合；所述鋁轉(zhuǎn)鏡裝在所述中心軸的中部，所述摩擦套可與所述小齒輪同速旋轉(zhuǎn)，并通過所述高速寬軸承和中心軸帶動(dòng)所述鋁轉(zhuǎn)鏡高速旋轉(zhuǎn)。
在本發(fā)明所述的超高速鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)中，所述密封殼體包括本體，裝在所述本體前端的封蓋和密封墊圈，裝在所述本體的側(cè)面并與所述鋁轉(zhuǎn)鏡正對(duì)的密封玻璃，用于將所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)與所述本體的尾端固定連接的連接板，用于蓋住所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)并將其密封在所述連接板上的密封罩，以及設(shè)在所述連接板上的用于抽真空的接咀。
在本發(fā)明所述的超高速鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)中，所述支承機(jī)構(gòu)包括組合軸承座和與所述高速寬軸承一一對(duì)應(yīng)的多個(gè)高速軸承；在所述軸承座的尾端設(shè)有一個(gè)尾端中心軸孔和與所述高速寬軸承對(duì)應(yīng)數(shù)目的尾端定位軸孔，所述中心軸的尾端穿過所述尾端中心軸孔并伸入所述摩擦套的中心，每一個(gè)所述高速寬軸承的轉(zhuǎn)軸插入一個(gè)對(duì)應(yīng)的所述尾端定位軸孔中；在所述軸承座的前端設(shè)有一個(gè)前端中心軸孔和與所述高速寬軸承對(duì)應(yīng)數(shù)目的前端定位軸孔，所述中心軸的前端插入并穿出所述前端中心軸孔，每一個(gè)所述高速軸承的轉(zhuǎn)軸插入一個(gè)對(duì)應(yīng)的所述前端定位軸孔中；所述高速軸承與所述中心軸的尾端緊密配合。
在本發(fā)明所述的超高速鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)中，所述小齒輪相對(duì)于所述大齒輪的升速比可設(shè)計(jì)為2；所述大速比同軸增速機(jī)構(gòu)可采用一級(jí)同軸增速機(jī)構(gòu)，其中裝有三個(gè)所述高速寬軸承，所述高速寬軸承相對(duì)于所述摩擦套的升速比為2，所述中心軸相對(duì)于所述高速寬軸承的升速比約為6.464，從而使所述鋁轉(zhuǎn)鏡相對(duì)于所述摩擦套的升速比約為13.9。
本發(fā)明采用全新的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，并通過齒輪增速機(jī)構(gòu)和大速比同軸增速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鋁轉(zhuǎn)鏡高速旋轉(zhuǎn)，不需要?dú)怏w驅(qū)動(dòng)，可保證鋁轉(zhuǎn)鏡在真空環(huán)境中高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)可提高像質(zhì)，降低噪音和使用成本。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中圖1是大速比同軸增速機(jī)構(gòu)為一級(jí)機(jī)構(gòu)時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是大速比同軸增速機(jī)構(gòu)為3-3型二級(jí)機(jī)構(gòu)時(shí)的示意圖；圖3是大速比同軸增速機(jī)構(gòu)為3-6型二級(jí)機(jī)構(gòu)時(shí)的示意圖；圖4是本發(fā)明一個(gè)優(yōu)先實(shí)施例中超高速鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖4中所采用的一級(jí)同軸增速機(jī)構(gòu)的剖視圖；圖6是圖5的A向視圖。
具體實(shí)施例方式
所謂同軸增速機(jī)構(gòu)，是指增速機(jī)構(gòu)的輸出軸和輸入軸是共線的，這樣能做到結(jié)構(gòu)緊湊、速比大。這種機(jī)構(gòu)是靠摩擦帶動(dòng)的，因而結(jié)構(gòu)材料、工藝設(shè)計(jì)和過盈應(yīng)力就顯得特別重要。這種同軸增速機(jī)構(gòu)可分為如圖1所示的一級(jí)機(jī)構(gòu)，以及如圖2和圖3所示的二級(jí)機(jī)構(gòu)，從圖中可以看出，二級(jí)機(jī)構(gòu)按空間布局又可分為如圖2所示的3-3型和如圖3所示的3-6型。
在上述同軸增速機(jī)構(gòu)中，位于最外部的外圓是摩擦套，位于最中心的是中心軸，位于摩擦套與中心軸之間的是高速寬軸承。其中摩擦套可由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，中心軸即為鋁轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)軸。根據(jù)接觸型傳輸系統(tǒng)中圓周線速度相同的原理，外圓與中心軸的圓周線速度是相同的，因中心軸的半徑遠(yuǎn)小于外圓的半徑，所以其轉(zhuǎn)速將大大高于外圓的轉(zhuǎn)速，按圖1、圖2和圖3中的結(jié)構(gòu)，可計(jì)算出中心軸相對(duì)于外圓的最大速比分別為13.9、21.4、和25.3。
如圖4所示為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)先實(shí)施例中超高速鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，其中采用了圖1所示的一極同軸增速機(jī)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示。下面將結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)介紹。
一、鋁轉(zhuǎn)鏡4本實(shí)施例中采用高強(qiáng)度鋁合金旋轉(zhuǎn)反射鏡，簡(jiǎn)稱鋁轉(zhuǎn)鏡，這是系統(tǒng)的核心零件，其質(zhì)量好壞直接影響系統(tǒng)的性能。高強(qiáng)度鋁合金轉(zhuǎn)鏡的比強(qiáng)度、比剛度、驅(qū)動(dòng)功率都優(yōu)于高強(qiáng)度鋼轉(zhuǎn)鏡和鈦合金轉(zhuǎn)鏡，鏡面反射率≥85％，鏡面平面度可達(dá)1個(gè)光圈。
二、驅(qū)動(dòng)電機(jī)19本實(shí)施例中采用高速直流電機(jī)，其功率為1.5kw，轉(zhuǎn)速為3×104rpm(轉(zhuǎn)/分鐘)，并且體積小、重量輕、調(diào)速性能好。
三、增速機(jī)構(gòu)1、齒輪增速機(jī)構(gòu)如圖4所示，齒輪增速機(jī)構(gòu)包括大齒輪14和小齒輪15，其中大齒輪14裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)19的輸出軸上并與小齒輪15配合，可帶動(dòng)小齒輪15快速旋轉(zhuǎn)。小齒輪15相對(duì)于大齒輪14的升速比為2。
2、大速比同軸增速機(jī)構(gòu)如圖4、圖5和圖6所示，同軸增速機(jī)構(gòu)包括摩擦套8、三個(gè)高速寬軸承21和一個(gè)中心軸25(也就是鋁轉(zhuǎn)鏡4的轉(zhuǎn)軸)，其中摩擦套8與小齒輪15共用同一根轉(zhuǎn)軸，中心軸25的尾端伸入到摩擦套8的中心，高速寬軸承21裝在摩擦套8內(nèi)并與所述摩擦套8的內(nèi)壁及中心軸25的尾端緊密配合(微米級(jí)過盈)。高速寬軸承21相對(duì)于所述摩擦套8的升速比為2，中心軸25相對(duì)于所述高速寬軸承21的升速比約為6.464，從而使鋁轉(zhuǎn)鏡4相對(duì)于所述摩擦套8的升速比約為13.9。
從圖4中可以看出，鋁轉(zhuǎn)鏡4裝在中心軸25的中部。
四、由密封殼體組成的真空球罩系統(tǒng)從圖4中可以看出，密封殼體由封蓋1、密封墊圈2、密封玻璃3、本體11、連接板12、密封罩13、抽真空用的接咀16、以及裝接咀上的塑料管24組成。轉(zhuǎn)鏡在真空環(huán)境下旋轉(zhuǎn)，不僅阻力小有利于超高速旋轉(zhuǎn)，而且不存在對(duì)成像有影響的渦流，大大提高了像質(zhì)。
五、支承機(jī)構(gòu)本實(shí)施例中的支承機(jī)構(gòu)包括組合軸承座6和三個(gè)高速軸承20；從圖中可以看出，在軸承座6的尾端(右側(cè))設(shè)有一個(gè)尾端中心軸孔和三個(gè)尾端定位軸孔，中心軸25的尾端穿過尾端中心軸孔并伸入所述摩擦套8的中心，每一個(gè)高速寬軸承21的轉(zhuǎn)軸插入一個(gè)對(duì)應(yīng)的尾端定位軸孔中；同時(shí)，在軸承座6的前端(左側(cè))設(shè)有一個(gè)前端中心軸孔和三個(gè)前端定位軸孔，所述中心軸(25)的前端插入并穿出所述前端中心軸孔，每一個(gè)高速軸承20的轉(zhuǎn)軸插入一個(gè)對(duì)應(yīng)的前端定位軸孔中；同時(shí)各個(gè)高速軸承20與中心軸25的尾端之間有緊密配合。
其中的組合軸承座6采用內(nèi)孔及端面定位，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便、復(fù)合精度高(可達(dá)1μm)。
六、升速過程高速電機(jī)19通電旋轉(zhuǎn)時(shí)，可通過大小齒輪14、15升速，升速比為2；因小齒輪15與摩擦套8共用同一根轉(zhuǎn)軸，所以摩擦套8相對(duì)于電機(jī)19的升速比也為2。
摩擦套8與超寬高速軸承21緊密配合，超寬高速軸承21又與鋁轉(zhuǎn)鏡4的軸頸(即中心軸25)緊密配合，兩者之間的升速比等于摩擦套8的內(nèi)徑與中心軸直徑之比，速比約為13.9，本實(shí)施例中取速比為13。
當(dāng)高速電機(jī)19旋轉(zhuǎn)時(shí)，摩擦套8可與小齒輪15同速旋轉(zhuǎn)，并通過高速寬軸承21和中心軸25帶動(dòng)鋁轉(zhuǎn)鏡4超高速旋轉(zhuǎn)，鋁轉(zhuǎn)鏡4的轉(zhuǎn)速為2×13＝26倍電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)際轉(zhuǎn)速可達(dá)(30-50)×104rpm。
七、應(yīng)用舉例本發(fā)明可成功用于S-150型超高速等待式分幅攝影機(jī)中。最高攝影頻率可達(dá)2.24×106幅/秒(pps)，轉(zhuǎn)鏡邊緣線速度高達(dá)800mps，超過目前所知的國際水平。
其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)19為直流驅(qū)動(dòng)，可采用脈沖調(diào)速，無級(jí)變速。
本發(fā)明可同時(shí)用于多種類型的超高速轉(zhuǎn)鏡圖像記錄系統(tǒng)分幅的、掃描的、等待的、同步的、超高速和甚高速等。
權(quán)利要求
1.一種超高速鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)，包括密封殼體和鋁轉(zhuǎn)鏡(4)，其特征在于，還包括支承機(jī)構(gòu)、增速機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)(19)，所述鋁轉(zhuǎn)鏡(4)和增速機(jī)構(gòu)裝在所述密封殼體內(nèi)，并由所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)(19)通過所述增速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)其高速旋轉(zhuǎn)；所述增速機(jī)構(gòu)由齒輪增速機(jī)構(gòu)和大速比同軸增速機(jī)構(gòu)組成；所述齒輪增速機(jī)構(gòu)包括大齒輪(14)和小齒輪(15)，所述大齒輪(14)裝在所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)(19)的輸出軸上并與所述小齒輪(15)配合，可帶動(dòng)小齒輪(15)快速旋轉(zhuǎn)；所述大速比同軸增速機(jī)構(gòu)包括摩擦套(8)、多個(gè)高速寬軸承(21)和一個(gè)中心軸(25)，所述摩擦套(8)與所述小齒輪(15)共用同一根轉(zhuǎn)軸，所述中心軸(25)的尾端位于所述摩擦套(8)的中心，所述高速寬軸承(21)裝在所述摩擦套(8)內(nèi)并與所述摩擦套(8)的內(nèi)壁及所述中心軸(25)的尾端緊密配合；所述鋁轉(zhuǎn)鏡(4)裝在所述中心軸(25)的中部；所述摩擦套(8)可與所述小齒輪(15)同速旋轉(zhuǎn)，并通過所述高速寬軸承(21)和中心軸(25)帶動(dòng)所述鋁轉(zhuǎn)鏡(4)超高速旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高速鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述密封殼體包括本體(11)，裝在所述本體(11)前端的封蓋(1)和密封墊圈(2)，裝在所述本體(11)的側(cè)面并與所述鋁轉(zhuǎn)鏡(4)正對(duì)的密封玻璃(3)，用于將所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)(19)與所述本體(11)的尾端固定連接的連接板(12)，用于蓋住所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)(19)并將其密封在所述連接板(12)上的密封罩(13)，以及設(shè)在所述連接板(12)上的用于抽真空的接咀(16)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高速鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述支承機(jī)構(gòu)包括組合軸承座(6)和與所述高速寬軸承(21)一一對(duì)應(yīng)的多個(gè)高速軸承(20)；在所述軸承座(6)的尾端設(shè)有一個(gè)尾端中心軸孔和與所述高速寬軸承(21)對(duì)應(yīng)數(shù)目的尾端定位軸孔，所述中心軸(25)的尾端穿過所述尾端中心軸孔并伸入所述摩擦套(8)的中心，每一個(gè)所述高速寬軸承(21)的轉(zhuǎn)軸插入一個(gè)對(duì)應(yīng)的所述尾端定位軸孔中；在所述軸承座(6)的前端設(shè)有一個(gè)前端中心軸孔和與所述高速寬軸承(21)對(duì)應(yīng)數(shù)目的前端定位軸孔，所述中心軸(25)的前端插入并穿出所述前端中心軸孔，每一個(gè)所述高速軸承(20)的轉(zhuǎn)軸插入一個(gè)對(duì)應(yīng)的所述前端定位軸孔中；所述高速軸承(20)與所述中心軸(25)的尾端緊密配合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的超高速鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述小齒輪(15)相對(duì)于所述大齒輪(14)的升速比為2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的超高速鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述大速比同軸增速機(jī)構(gòu)為一級(jí)同軸增速機(jī)構(gòu)，其中裝有三個(gè)所述高速寬軸承(21)，所述高速寬軸承(21)相對(duì)于所述摩擦套(8)的升速比為2，所述中心軸(25)相對(duì)于所述高速寬軸承(21)的升速比約為6.464，從而使所述鋁轉(zhuǎn)鏡(4)相對(duì)于所述摩擦套(8)的升速比約為13.9。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超高速鋁轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)，包括密封殼體和鋁轉(zhuǎn)鏡(4)，還包括支承機(jī)構(gòu)、增速機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)(19)；其中增速機(jī)構(gòu)由齒輪增速機(jī)構(gòu)和大速比同軸增速機(jī)構(gòu)組成；齒輪增速機(jī)構(gòu)包括大齒輪(14)和小齒輪(15)，大齒輪裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸上并與小齒輪配合，可帶動(dòng)小齒輪快速旋轉(zhuǎn)；大速比同軸增速機(jī)構(gòu)包括摩擦套(8)、多個(gè)高速寬軸承(21)和一個(gè)中心軸(25)，摩擦套與所述小齒輪共用同一根轉(zhuǎn)軸，中心軸的尾端位于摩擦套的中心，高速寬軸承裝在摩擦套內(nèi)并與摩擦套的內(nèi)壁及中心軸的尾端緊密配合；鋁轉(zhuǎn)鏡裝在中心軸的中部。本發(fā)明可保證鋁轉(zhuǎn)鏡在真空環(huán)境中高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)提高像質(zhì)，降低噪音和使用成本。
文檔編號(hào)G02B26/10GK1499241SQ02151938
公開日2004年5月26日 申請(qǐng)日期2002年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月5日
發(fā)明者李景鎮(zhèn), 孫鳳山, 尚長水 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)