某测试设备高速快门机构的设计与实现 |
| 2012-10-31 12:35 作者：张锐迎 张建军 甄文 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网10月31日讯】据《硅谷》杂志2012年第16期刊文称，介绍某专用测试设备高速快门机构的设计，描述设备的总体方案及系统工作过程，分析各种实现快门方式的可行性，提出采用差动式转盘结构来实现文中的大口径高速快门；通过对快门开启过程分析，完成大口径高速快门结构设计。
0引言
高速快门机构为某测试设备中的重要组成部分。众所周知，快门机构是照相机必不可少的组成部件之一，但是照相机的快门速度是指光线扫过胶片的时间，即在快门滑过后，胶卷的曝光时间；而本文研究的快门打开时间是指快门由开始打开到完全打开所需要的时间。
1总体方案
1.1系统的硬件组成和功能
本测试设备主要由快门系统机械转台和系统测试柜以及对接电缆三部分组成。快门系统机械转台主要包括水平俯仰调节机构、快门机构和导轨等组成；系统测试柜主要由信号处理单元、电源供给电路、电源监测单元、显示电路、工控机、PLC控制器、和基于Win95/98，Window2000操作系统的测控与数据管理软件和机柜等组成。光电传感器、信号处理单元、LED显示单元、工控机、PLC控制器、产品供电单元、电源监测单元等构成了系统硬件，系统的总体原理框图如图1。
图1快门系统总体原理框图
光电传感器的主要功能是完成信号采集功能；信号处理单元根据光电传感器采集到的信号来完成对转盘大小转盘转速的解算及同时完成大转盘转速和电流电压在LED显示单元上的显示功能，并驱动双向电磁铁打开叶片式快门；工控机为用户提供一个友好的人机界面，并完成与信号处理单元和PLC的通讯；供电单元为系统提供正常的工作电压和电流；电源监测单元的主要功能是检测供电单元提供给系统的电压和电流是否正常。
1.2系统工作原理
使用时，将待测组件固定在快门系统机械转台的俯仰运动调节机构上，锁紧后，通过电缆与系统测试柜联接，然后按测试要求把水平俯仰运动调节机构滑到导轨相应位置处，把待测组件旋转相应角度即可。
系统通电后，单片机立即开始工作，单片机首先进行数据初始化操作，然后测量供电单元静态下的供电电流、电压并显示。当用户输入被测产品的有效响应时间，并启动测试时，软件系统将算出转盘需要的转速，PLC根据该转速来控制伺服电机；当系统测得转速达到要求时，检测两转盘的同步性，然后单片机驱动电磁铁打开外部机械式快门，同时进行软件计时。当待测组件输出目标信号时，单片机停止计时，并把计时结果及报警状态下供电电流、电压显示出来，并将计时结果传送给工控机，计算机软件系统根据计时结果解算出待测组件的响应时间。
2快门系统实现方式的研究与设计
2.1高速快门实现方式的对比分析
快门机构的打开时间是本系统的一个关键指标，系统所用的快门是即开即闭型的（中间允许有一段时间的开启保持），要求在不小于0.5ms内打开口径为φ50mm的快门。
通过对相机快门原理、能量守恒原理、弹簧原理、转盘提速、机构提速和气动原理等实现方法的分析、计算和分析，从系统安全和稳定性方面考虑，以上方案均不适合用在本系统中。经反复分析、讨论后，提出一种双转盘差动方案。
2.2高速快门的设计思想
该方案的主要思想是利用两个固定转速比的转盘，其边缘开有凹槽，通过凹槽的重叠来实现快门的开启。由于这属于一种差动工作方式，重叠周期可以通过转速和转盘半径来调节，快门动作时间很短，而关闭保持时间很长。这样在待测产品前再加一个普通的机械式快门，它在两转盘通光孔不能完全重叠的时候关闭，就消除了待测组件周期性的采光，这样只要保证高速快门的开启时间达到指标要求就可以了。
2.3大口径高速快门的设计
2.3.1快门开启过程分析
假设两个转盘通光孔（按照孔便于分析计算）转过遮光板上的通光孔的时间相同。这时三个通光孔重叠也就是快门开启关闭的整个过程如图2所示。这时，快门开启和关闭是一个连续的过程。
图2快门开启过程分析
2.3.2设计与计算
若按照上面的假设，设快一些的转盘（即右转盘）转速为5000，转盘转过遮光板通光孔由刚通光到最大通光需要转过的角度为（即该角度占整个圆周的，为整数）。
则可以计算出快门的开启时间为，如果取n=16，t开=0.375ms，则右边转盘半径为r1=153.2mm，d1=306.4mm。对于左转盘，为了减少整个结构的安装尺寸，两个转盘将重叠安装，即如图3所示，经过调整指标和波形优化，我们发现最优波形如图4所示。
上面的计算中，只要我们保证转速比（2:1）和两个转盘开槽能尽可能精确，则上述计算数据都能很精确的得到保证。
当我们把右转盘转速调到4000rpm时，这时快门的开启时间t开=0.46875ms，对应保持时间为t1=12.5ms，t2=17.5ms。
图3差动式转盘快门示意图
图4优化后的快门波形图
这样外部只要加一个能在14ms内开、14ms内关闭（两动作是单独的）的普通机械式快门，用来截取合成波形的一个波形，防止周期信号的产生，这是比较容易实现的。
2.4机械式快门的研制
根据以上的分析，要满足本文中快门的使用要求，还必须在上述的高速快门外部加一个普通机械式快门。根据系统特点，该快门可采用高速双向电磁铁驱动两个有固定转轴的旋转叶片，电磁铁的最大工作行程为，它驱动的旋转叶片的通光口径为φ50mm，且能够在内开、内关闭（两动作是单独的）。
3结束语
由于高速快门系统属于高速旋转系统，还需解决系统的平衡问题，具体过程略。目前，该测试设备各项性能测试指标均达到了设计要求，采用该机构的系统能准确实现快门的快速开启，测试结果的准确性和系统稳定性都非常好，因此将差动式转盘结构引入到大口径高速快门系统是非常可行的。
参考文献：
[1]李威、李朝晖、颜昌翔等，胶片型空间相机的快门设计和研究，光学精密工程，2005，11（13）：9-14.
【①张锐迎，女，1975，汉族，陕西；②北方光电股份有限公司；③学位：硕士；职称：工程师；主要研究方向：光电产品结构设计】
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