一种大型经纬仪的自动遮光罩机构设计

伞晓刚+薛育

摘  要  遮光罩是大型光电经纬仪的重要组成部分，是抑制光学系统杂散光的重要结构之一。本文首先介绍了传统的典型遮光罩结构，分析了两种结构各自的特点和局限性，进而提出一种具有自动控制、重量轻、结构简单可靠等特点的新型自动遮光罩装置，详细阐述了该装置的机构的工作原理，总结了该机构的突出特点。

关键词  经纬仪;遮光罩;机构;直线电机;丝杠

中图分类号：TP368      文献标识码：A      文章编号：1671-7597（2014）22-0008-02

遮光罩是大型光电测量系统的重要组成部分，通常由遮光筒和遮光筒前端的开关门两部分组成。遮光罩既能有效遮挡太阳光、地球表面的散射光及大气漫射光等杂散光进入光学系统，又能通过光阑圈一定程度上吸收已经进入遮光罩的杂散光。因此，遮光罩对长焦距、大口径、宽视场的反射式光学系统提高成像对比度、改善成像质量有重要意义[1，2]。

遮光罩由于位于光电测量系统的最前端，距离俯仰轴回转中心的旋转力臂较长，所以遮光罩的质量应尽可能的小。

1  传统遮光罩结构

现有的遮光罩结构有手动遮光罩和电动遮光罩两种。

传统手动遮光罩的结构如图1所示，它由圆周上开有三个均布的L形卡槽的圆形盖板、手钮和遮光筒前端的三个挡钉组成。当挡钉旋入L形卡槽时，遮光筒盖关紧;当挡钉旋出L形卡槽时，遮光筒盖开启。

1-手钮，2-圆形盖板，3-挡钉，4-遮光筒

图1  传统手动遮光罩

传统电动遮光罩的结构如图2所示，它由左、右两扇半圆形盖板、步进电机、齿轮减速箱、联轴器、转轴和合页组成。步进电机经齿轮减速箱带动两扇盖板完成开启和关闭动作。

上述两种传统经纬仪遮光罩结构有如下局限性：

1）手动遮光罩虽然重量轻，但不能自动控制，不符合现代光电测量设备要求远程操控的要求。对于大型经纬仪，由于设备较高，人工开启和关闭遮光筒盖将很不方便。

2）电动遮光罩虽然实现了自动控制，但由于采用步进电机和齿轮减速箱结构，重量较大，而且减速箱工作时存在较大噪音。

3）两种遮光罩结构都位于光电测量系统的最前端（而且是遮光筒的最前端），距离经纬仪俯仰轴回转中心的旋转力臂较长，对俯仰轴的力矩较大，不利于整个设备的整体“配平”（所谓“配平”，是通过在适当位置增加质量使运动部件整体相对回转中心力矩平衡）工作。

4-遮光筒，5-步进电机，6-齿轮减速箱，7-联轴器，

8-转轴，9-合页，10-半圆形盖板，11-法兰板

图2  传统电动遮光罩

2  一种新型遮光罩机构设计

本文针对现有遮光罩结构的局限性，提出一种自身重量轻、对俯仰回转轴力矩小、可实现远程自动操控的遮光罩机构设计思路。

为通光口径Φ1000 mm、中心遮拦Φ300 mm的经纬仪设计遮光罩装置。该遮光罩的主要结构包括直线电机12、电机固定座13、连杆Ⅰ14、连杆Ⅱ15、支撑板16、防水软布17、连杆Ⅲ18、连杆Ⅳ19、丝杠20、消隙螺母21、限位装置22和丝杠支撑座23。其中，电机固定座13和丝杠支撑座23分别通过圆周均布的四个支撑板16连接到遮光筒4上;丝杠20一端与直线电机12的转轴固连在一起，另一端由丝杠支撑座23支承，并且丝杠20上安装消隙螺母21;连杆Ⅰ14一端与电机固定座13以转动副相连，另一端与连杆Ⅳ19的中部以转动副相连;连杆Ⅱ15一端与连杆Ⅰ14的中部以转动副相连，另一端与连杆Ⅲ18以转动副相连;连杆Ⅳ19一端与连杆Ⅲ18的中部以转动副相连，另一端与消隙螺母21以转动副相连;连杆Ⅰ14、连杆Ⅱ15、连杆Ⅲ18和连杆Ⅳ19组成的四杆机构，以遮光筒4中心线为轴，圆周均布8组;防水软布17覆盖在所有四杆机构中连杆Ⅰ14、连杆Ⅱ15和连杆Ⅲ18的外侧;限位装置22，一个布置在当四杆机构完全展开至覆盖遮光筒4的通光孔径时消隙螺母21左端可碰触触发的位置，一个布置在四杆机构折叠收缩至光线遮拦区域时消隙螺母21右端可碰触触发的位置。

3  新型遮光罩的工作原理

上文所述的轻型自动遮光罩的工作原理是（参见图3）：当大型经纬仪需要进行观测操作时，需要收起遮光筒盖，这时直线电机逆时针转动，带动丝杠也逆时针转动，消隙螺母向右运动，四杆机构连同软布折叠收缩，当收缩至牛顿光学系统的光线遮拦区域里时，消隙螺母右侧触发限位装置，直线电机停止运转，遮光筒盖保持收起状态;而当经纬仪观测结束，需要遮光筒盖展开以保护光学系统，这时直线电机顺时针转动，带动丝杠也顺时针转动，消隙螺母向左运动，四杆机构连同软布沿径向逐渐展开，直至覆盖整个通光孔径，此时消隙螺母左侧触发限位装置，直线电机停止运转，遮光筒盖保持开启状态。

4-遮光筒，12-直线电机，13-电机固定座，14-连杆Ⅰ，15-连杆Ⅱ，16-支撑板，17-防水软布，18-连杆Ⅲ，19-连杆Ⅳ，20-丝杠，21-消隙螺母，22-限位装置，23-丝杠支撑座

图3  一种电动遮光筒盖机构

4  结论

本文提出了一种轻型自动控制遮光罩结构的设计思路，应用直线电机直接带动丝杠转动取代传统步进电机搭配齿轮减速箱的组合，结构简单可靠，整个遮光罩的重量较轻，且装置运行时噪音小;由于本设计的遮光罩结构质心距离俯仰轴回转中心的距离较传统结构要小很多，所以遮光罩对回转中心的力矩变小，有利于系统的“配平”工作;不仅如此，本遮光罩还可实现自动远程控制。同时，该遮光罩的缺点是气密性能一般，不适用于需要绝对气密的应用场合。

参考文献

[1]丁福建，李英才.外遮光罩工程分析及其结构动力优化[J].光子学报，1999，28（1）：75-79.

[2]贾学志，金光，张雷.空间相机外遮光罩结构设计与优化[J].光学精密工程，2008，16（8）：1560-1565.

作者简介

伞晓刚（1982-），男，辽宁铁岭人，博士，2006年于哈尔滨工业大学获得学士学位，2008年于华中科技大学获得硕士学位，2013年于中国科学院大学获得博士学位，现为中科院长春光学精密机械与物理研究所助理研究员，主要从事光电测量设备结构设计方面的研究。

薛育（1960-），女，辽宁盖县人，高级实验师，现在中科院长春光机所工作，主要从事光电测量设备结构设计方面的

研究。endprint

摘  要  遮光罩是大型光电经纬仪的重要组成部分，是抑制光学系统杂散光的重要结构之一。本文首先介绍了传统的典型遮光罩结构，分析了两种结构各自的特点和局限性，进而提出一种具有自动控制、重量轻、结构简单可靠等特点的新型自动遮光罩装置，详细阐述了该装置的机构的工作原理，总结了该机构的突出特点。

关键词  经纬仪;遮光罩;机构;直线电机;丝杠

中图分类号：TP368      文献标识码：A      文章编号：1671-7597（2014）22-0008-02

遮光罩是大型光电测量系统的重要组成部分，通常由遮光筒和遮光筒前端的开关门两部分组成。遮光罩既能有效遮挡太阳光、地球表面的散射光及大气漫射光等杂散光进入光学系统，又能通过光阑圈一定程度上吸收已经进入遮光罩的杂散光。因此，遮光罩对长焦距、大口径、宽视场的反射式光学系统提高成像对比度、改善成像质量有重要意义[1，2]。

遮光罩由于位于光电测量系统的最前端，距离俯仰轴回转中心的旋转力臂较长，所以遮光罩的质量应尽可能的小。

1  传统遮光罩结构

现有的遮光罩结构有手动遮光罩和电动遮光罩两种。

传统手动遮光罩的结构如图1所示，它由圆周上开有三个均布的L形卡槽的圆形盖板、手钮和遮光筒前端的三个挡钉组成。当挡钉旋入L形卡槽时，遮光筒盖关紧;当挡钉旋出L形卡槽时，遮光筒盖开启。

1-手钮，2-圆形盖板，3-挡钉，4-遮光筒

图1  传统手动遮光罩

传统电动遮光罩的结构如图2所示，它由左、右两扇半圆形盖板、步进电机、齿轮减速箱、联轴器、转轴和合页组成。步进电机经齿轮减速箱带动两扇盖板完成开启和关闭动作。

上述两种传统经纬仪遮光罩结构有如下局限性：

1）手动遮光罩虽然重量轻，但不能自动控制，不符合现代光电测量设备要求远程操控的要求。对于大型经纬仪，由于设备较高，人工开启和关闭遮光筒盖将很不方便。

2）电动遮光罩虽然实现了自动控制，但由于采用步进电机和齿轮减速箱结构，重量较大，而且减速箱工作时存在较大噪音。

3）两种遮光罩结构都位于光电测量系统的最前端（而且是遮光筒的最前端），距离经纬仪俯仰轴回转中心的旋转力臂较长，对俯仰轴的力矩较大，不利于整个设备的整体“配平”（所谓“配平”，是通过在适当位置增加质量使运动部件整体相对回转中心力矩平衡）工作。

4-遮光筒，5-步进电机，6-齿轮减速箱，7-联轴器，

8-转轴，9-合页，10-半圆形盖板，11-法兰板

图2  传统电动遮光罩

2  一种新型遮光罩机构设计

本文针对现有遮光罩结构的局限性，提出一种自身重量轻、对俯仰回转轴力矩小、可实现远程自动操控的遮光罩机构设计思路。

为通光口径Φ1000 mm、中心遮拦Φ300 mm的经纬仪设计遮光罩装置。该遮光罩的主要结构包括直线电机12、电机固定座13、连杆Ⅰ14、连杆Ⅱ15、支撑板16、防水软布17、连杆Ⅲ18、连杆Ⅳ19、丝杠20、消隙螺母21、限位装置22和丝杠支撑座23。其中，电机固定座13和丝杠支撑座23分别通过圆周均布的四个支撑板16连接到遮光筒4上;丝杠20一端与直线电机12的转轴固连在一起，另一端由丝杠支撑座23支承，并且丝杠20上安装消隙螺母21;连杆Ⅰ14一端与电机固定座13以转动副相连，另一端与连杆Ⅳ19的中部以转动副相连;连杆Ⅱ15一端与连杆Ⅰ14的中部以转动副相连，另一端与连杆Ⅲ18以转动副相连;连杆Ⅳ19一端与连杆Ⅲ18的中部以转动副相连，另一端与消隙螺母21以转动副相连;连杆Ⅰ14、连杆Ⅱ15、连杆Ⅲ18和连杆Ⅳ19组成的四杆机构，以遮光筒4中心线为轴，圆周均布8组;防水软布17覆盖在所有四杆机构中连杆Ⅰ14、连杆Ⅱ15和连杆Ⅲ18的外侧;限位装置22，一个布置在当四杆机构完全展开至覆盖遮光筒4的通光孔径时消隙螺母21左端可碰触触发的位置，一个布置在四杆机构折叠收缩至光线遮拦区域时消隙螺母21右端可碰触触发的位置。

3  新型遮光罩的工作原理

上文所述的轻型自动遮光罩的工作原理是（参见图3）：当大型经纬仪需要进行观测操作时，需要收起遮光筒盖，这时直线电机逆时针转动，带动丝杠也逆时针转动，消隙螺母向右运动，四杆机构连同软布折叠收缩，当收缩至牛顿光学系统的光线遮拦区域里时，消隙螺母右侧触发限位装置，直线电机停止运转，遮光筒盖保持收起状态;而当经纬仪观测结束，需要遮光筒盖展开以保护光学系统，这时直线电机顺时针转动，带动丝杠也顺时针转动，消隙螺母向左运动，四杆机构连同软布沿径向逐渐展开，直至覆盖整个通光孔径，此时消隙螺母左侧触发限位装置，直线电机停止运转，遮光筒盖保持开启状态。

4-遮光筒，12-直线电机，13-电机固定座，14-连杆Ⅰ，15-连杆Ⅱ，16-支撑板，17-防水软布，18-连杆Ⅲ，19-连杆Ⅳ，20-丝杠，21-消隙螺母，22-限位装置，23-丝杠支撑座

图3  一种电动遮光筒盖机构

4  结论

本文提出了一种轻型自动控制遮光罩结构的设计思路，应用直线电机直接带动丝杠转动取代传统步进电机搭配齿轮减速箱的组合，结构简单可靠，整个遮光罩的重量较轻，且装置运行时噪音小;由于本设计的遮光罩结构质心距离俯仰轴回转中心的距离较传统结构要小很多，所以遮光罩对回转中心的力矩变小，有利于系统的“配平”工作;不仅如此，本遮光罩还可实现自动远程控制。同时，该遮光罩的缺点是气密性能一般，不适用于需要绝对气密的应用场合。

参考文献

[1]丁福建，李英才.外遮光罩工程分析及其结构动力优化[J].光子学报，1999，28（1）：75-79.

[2]贾学志，金光，张雷.空间相机外遮光罩结构设计与优化[J].光学精密工程，2008，16（8）：1560-1565.

作者简介

伞晓刚（1982-），男，辽宁铁岭人，博士，2006年于哈尔滨工业大学获得学士学位，2008年于华中科技大学获得硕士学位，2013年于中国科学院大学获得博士学位，现为中科院长春光学精密机械与物理研究所助理研究员，主要从事光电测量设备结构设计方面的研究。

薛育（1960-），女，辽宁盖县人，高级实验师，现在中科院长春光机所工作，主要从事光电测量设备结构设计方面的

研究。endprint

摘  要  遮光罩是大型光电经纬仪的重要组成部分，是抑制光学系统杂散光的重要结构之一。本文首先介绍了传统的典型遮光罩结构，分析了两种结构各自的特点和局限性，进而提出一种具有自动控制、重量轻、结构简单可靠等特点的新型自动遮光罩装置，详细阐述了该装置的机构的工作原理，总结了该机构的突出特点。

关键词  经纬仪;遮光罩;机构;直线电机;丝杠

中图分类号：TP368      文献标识码：A      文章编号：1671-7597（2014）22-0008-02

遮光罩是大型光电测量系统的重要组成部分，通常由遮光筒和遮光筒前端的开关门两部分组成。遮光罩既能有效遮挡太阳光、地球表面的散射光及大气漫射光等杂散光进入光学系统，又能通过光阑圈一定程度上吸收已经进入遮光罩的杂散光。因此，遮光罩对长焦距、大口径、宽视场的反射式光学系统提高成像对比度、改善成像质量有重要意义[1，2]。

遮光罩由于位于光电测量系统的最前端，距离俯仰轴回转中心的旋转力臂较长，所以遮光罩的质量应尽可能的小。

1  传统遮光罩结构

现有的遮光罩结构有手动遮光罩和电动遮光罩两种。

传统手动遮光罩的结构如图1所示，它由圆周上开有三个均布的L形卡槽的圆形盖板、手钮和遮光筒前端的三个挡钉组成。当挡钉旋入L形卡槽时，遮光筒盖关紧;当挡钉旋出L形卡槽时，遮光筒盖开启。

1-手钮，2-圆形盖板，3-挡钉，4-遮光筒

图1  传统手动遮光罩

传统电动遮光罩的结构如图2所示，它由左、右两扇半圆形盖板、步进电机、齿轮减速箱、联轴器、转轴和合页组成。步进电机经齿轮减速箱带动两扇盖板完成开启和关闭动作。

上述两种传统经纬仪遮光罩结构有如下局限性：

1）手动遮光罩虽然重量轻，但不能自动控制，不符合现代光电测量设备要求远程操控的要求。对于大型经纬仪，由于设备较高，人工开启和关闭遮光筒盖将很不方便。

2）电动遮光罩虽然实现了自动控制，但由于采用步进电机和齿轮减速箱结构，重量较大，而且减速箱工作时存在较大噪音。

3）两种遮光罩结构都位于光电测量系统的最前端（而且是遮光筒的最前端），距离经纬仪俯仰轴回转中心的旋转力臂较长，对俯仰轴的力矩较大，不利于整个设备的整体“配平”（所谓“配平”，是通过在适当位置增加质量使运动部件整体相对回转中心力矩平衡）工作。

4-遮光筒，5-步进电机，6-齿轮减速箱，7-联轴器，

8-转轴，9-合页，10-半圆形盖板，11-法兰板

图2  传统电动遮光罩

2  一种新型遮光罩机构设计

本文针对现有遮光罩结构的局限性，提出一种自身重量轻、对俯仰回转轴力矩小、可实现远程自动操控的遮光罩机构设计思路。

为通光口径Φ1000 mm、中心遮拦Φ300 mm的经纬仪设计遮光罩装置。该遮光罩的主要结构包括直线电机12、电机固定座13、连杆Ⅰ14、连杆Ⅱ15、支撑板16、防水软布17、连杆Ⅲ18、连杆Ⅳ19、丝杠20、消隙螺母21、限位装置22和丝杠支撑座23。其中，电机固定座13和丝杠支撑座23分别通过圆周均布的四个支撑板16连接到遮光筒4上;丝杠20一端与直线电机12的转轴固连在一起，另一端由丝杠支撑座23支承，并且丝杠20上安装消隙螺母21;连杆Ⅰ14一端与电机固定座13以转动副相连，另一端与连杆Ⅳ19的中部以转动副相连;连杆Ⅱ15一端与连杆Ⅰ14的中部以转动副相连，另一端与连杆Ⅲ18以转动副相连;连杆Ⅳ19一端与连杆Ⅲ18的中部以转动副相连，另一端与消隙螺母21以转动副相连;连杆Ⅰ14、连杆Ⅱ15、连杆Ⅲ18和连杆Ⅳ19组成的四杆机构，以遮光筒4中心线为轴，圆周均布8组;防水软布17覆盖在所有四杆机构中连杆Ⅰ14、连杆Ⅱ15和连杆Ⅲ18的外侧;限位装置22，一个布置在当四杆机构完全展开至覆盖遮光筒4的通光孔径时消隙螺母21左端可碰触触发的位置，一个布置在四杆机构折叠收缩至光线遮拦区域时消隙螺母21右端可碰触触发的位置。

3  新型遮光罩的工作原理

上文所述的轻型自动遮光罩的工作原理是（参见图3）：当大型经纬仪需要进行观测操作时，需要收起遮光筒盖，这时直线电机逆时针转动，带动丝杠也逆时针转动，消隙螺母向右运动，四杆机构连同软布折叠收缩，当收缩至牛顿光学系统的光线遮拦区域里时，消隙螺母右侧触发限位装置，直线电机停止运转，遮光筒盖保持收起状态;而当经纬仪观测结束，需要遮光筒盖展开以保护光学系统，这时直线电机顺时针转动，带动丝杠也顺时针转动，消隙螺母向左运动，四杆机构连同软布沿径向逐渐展开，直至覆盖整个通光孔径，此时消隙螺母左侧触发限位装置，直线电机停止运转，遮光筒盖保持开启状态。

4-遮光筒，12-直线电机，13-电机固定座，14-连杆Ⅰ，15-连杆Ⅱ，16-支撑板，17-防水软布，18-连杆Ⅲ，19-连杆Ⅳ，20-丝杠，21-消隙螺母，22-限位装置，23-丝杠支撑座

图3  一种电动遮光筒盖机构

4  结论

本文提出了一种轻型自动控制遮光罩结构的设计思路，应用直线电机直接带动丝杠转动取代传统步进电机搭配齿轮减速箱的组合，结构简单可靠，整个遮光罩的重量较轻，且装置运行时噪音小;由于本设计的遮光罩结构质心距离俯仰轴回转中心的距离较传统结构要小很多，所以遮光罩对回转中心的力矩变小，有利于系统的“配平”工作;不仅如此，本遮光罩还可实现自动远程控制。同时，该遮光罩的缺点是气密性能一般，不适用于需要绝对气密的应用场合。

参考文献

[1]丁福建，李英才.外遮光罩工程分析及其结构动力优化[J].光子学报，1999，28（1）：75-79.

[2]贾学志，金光，张雷.空间相机外遮光罩结构设计与优化[J].光学精密工程，2008，16（8）：1560-1565.

作者简介

伞晓刚（1982-），男，辽宁铁岭人，博士，2006年于哈尔滨工业大学获得学士学位，2008年于华中科技大学获得硕士学位，2013年于中国科学院大学获得博士学位，现为中科院长春光学精密机械与物理研究所助理研究员，主要从事光电测量设备结构设计方面的研究。

薛育（1960-），女，辽宁盖县人，高级实验师，现在中科院长春光机所工作，主要从事光电测量设备结构设计方面的

研究。endprint