便携式地标照明装置的设计

仲启媛，樊　俊，徐雷林，松梓江，严聪

(火箭军工程大学　a.204教研室；b.学员一旅二营；c.学员一旅三营，西安　710025)



便携式地标照明装置的设计

仲启媛a，樊俊b，徐雷林c，松梓江c，严聪c

(火箭军工程大学a.204教研室；b.学员一旅二营；c.学员一旅三营，西安710025)

架设导弹瞄准设备的三脚架不具有地标照明功能，无法满足夜间瞄准的需要。为了提高导弹夜间瞄准的效率，满足部队作战训练的需求，设计了便携式地标照明装置，分别从光源的选择、聚光调制、方向调节和锁紧机构4个方面进行设计。加工完成好的照明装置能够实现方便快捷地在三脚架上安装拆卸，满足夜间瞄准需求，同时，丝毫不影响瞄准设备的架设、调平和对心。该装置还可以用于民用测量装置。

便携式；地标照明；光源；聚光；锁紧机构；三脚架

为了适应现代化战争的需要，导弹武器系统必须具备全天候使用的功能。模型导弹系统的瞄准系统，在夜间进行瞄准时，由于三脚架不具有地标照明功能，导致瞄准号手很难发现发射阵地的地标。虽然可以采用人工手电照明的方式照明地标，但依旧存在很多缺陷。1)瞄准是高精度的工作，工作时必须在特定的点位上展开。2)现阶段基层部队夜训对地标照明时，往往需要专门一个号手对地标进行照明或者一个号手同时兼顾瞄准和照明工作，大大降低了部队的训练效率。3)风雨天气增加了训练难度。设计具有地标照明功能的三脚架可以提高效率，满足部队作战训练需求，此外，在航空领域、钻地场所和大地测量等领域也可广泛应用，具有广泛的军用和民用前景。

具有地标照明功能的三脚架设计可以从改造三脚架结构、经纬仪基座和经纬仪内部3方面来具体实现。为了设计简单，便于快捷拆装和维护，不改变装置的构造，最终采用在三脚架上安装便携式的照明系统以实现对地标的照明。为了满足全天候瞄准需求、确保精确定位、操作简便快捷等要求，该设计还必须达到以下基本要求:1)便于携带和快速拆装维护，安装稳固，不影响三脚架的基本结构；2)为满足各类气候条件，必须具有良好的防雨防水功效，且需供电简单；3)聚焦范围必须可调，在距光源1～1.2 m处的光斑直径在8 cm左右；4)最大光通量应在300 lm左右，既是人眼的舒适光照，又能达到良好的照明效果。

1　光源的选择

光源的质量对系统往往起着关键的作用。常见的光源有:白炽灯、节能灯、金卤灯、半导体激光器和LED等。

白炽灯是广泛使用的一种光源。它能散发出温暖晕黄的光线，价格便宜，安装方便，但寿命短，电光转换效率低，大部分用来发热，使用时应远离纸张、纺织品或塑胶制品。

节能灯的工作原理是利用气体放电，又叫自镇流荧光灯，是由荧光灯管与镇流器共同组成的一种新型紧凑型光源。它具有发光效率高(是普通白炽灯泡的5倍以上)、寿命长(按国家标准的要求平均寿命应能达到5 000 h以上，是普通白炽灯泡寿命的5倍)、结构紧凑(有U形、H形、螺旋形、环形等多种结构)等特点，且价格适中，安装方便，节能。但缺点是生产过程中和使用废弃后有汞污染，频闪，容易损坏，开关次数影响寿命[1]。

金卤灯除与荧光灯一样充填汞和稀有气体外，还充填发光的金属卤化物(以碘化物为主)。金卤灯显色指数较高。其优点为光效高，显色指数高；缺点是寿命短，启动慢，频闪严重[2]。

发光二极管(light emitting diode,LED)的基本结构是一块发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。LED照明光源体积小、重量轻、方向性好、耗能少、稳定性高、寿命长、抗震性能好。缺点是价格高，不适用于大功率照明，照明范围窄。

半导体激光器体积小，重量轻，但方向性差。表1～表4从经济效益、环保效益、节能效益以及

各类光源产品性能参数等方面，对白炽灯、节能灯、卤素灯和LED灯进行了对比[3]。

表4　各类灯源对比

灯具种类光 效/(L·W-1)寿命/h色温/K电压/V启动时间/s表面温度/℃可调光暗显色指数白炽灯15.010002000/3000AC220.0﹥0.5170～550有95～99节能灯45.050002700/6500AC220.0﹥60﹥70无70～90金卤灯21.620003000AC230.0﹥600﹥300有95～99LED灯70～1101000003000/7000DC3.30﹤65有60～85

2　聚光调制技术

LED灯的聚光方式有光学透镜聚光和反光罩聚光两种。在传统的反光罩聚光中，反光面为一个抛物面，LED的发光中心位于抛物面的焦点上，通过抛物面的反射作用，将位于焦点上的光强聚焦反射，反射后的光束沿着反光罩的轴线平行地向前照射出去。但是由于LED的最大光强位于其轴线的正前方，而照射到反光罩上的光是偏离了中轴线的，照射到反光面上的光并不是最大的光强。故传统反光罩没有充分利用LED的最大光强。

透镜聚光可以做到特别聚光，这种聚光方式比较适合本设计。同时，单面凸透镜只有一面是突出的，另外一面预留的空间对散热也有好处。使用这种平凸非球面透镜，光线会聚于一点，此时光斑角度最小，里面采用方形的LED，射出后会成像为方光斑，缩短LED和透镜距离，光斑逐步变大，光斑为圆形、亮度均匀[5]。

当透镜位于LED的轴向正前方，能够完全利用LED的最大光强，利用效率比较高，而且可以通过透镜表面的不同形状棱面的折射，起到调节光强分布的目的，是目前采用比较多的一种方式。但缺点是透镜的光学设计比较复杂，对材料和制造工艺要求都比较高，透镜的通透性也直接影响了其工作效率。透镜同时具备聚光与防护作用，避免了光的重复浪费。在本次设计中，由于光线经过透镜聚光后的照射距离为1～1.2 m，所以可以弥补聚光距离短的缺陷。在本设计中采用平凸非球面透镜，在使用时为了实现聚焦范围的可调节，采用螺纹结构调节光源到透镜的距离来实现，如图1所示。

图1　聚光调制

3　方向调节

由于三脚架座板下方有一个定位固定圆环，在设计照明装置时要避免光路被阻挡，可以从两方面来考虑:1)通过改变光路实现；2)通过改变固定灯源的照明方向实现。如果改变光路，需考虑导光材料的选择、光路的设计优化、快速找到点位等方面的问题，不符合快速简便的原则。所以，在本设计中考虑改变灯源的照明方向来避免光路被阻挡。

3.1万向接头改变方向

万向接头主要起连接作用，是机械领域中非常常见的零件。常见的有单节式及双节式万向接头，可伸缩式万向接头和流体万向接头等[6]。其中，单节式万向接头可实现两轴夹角37°范围内旋转灵活，轴径可做成精密万向节8～50 mm；双节式万向接头可实现两轴夹角37°范围内旋转灵活，可补偿轴向移位及径向移位轴径可做成8～50 mm；可伸缩式万向接头除拥有单节万向接头和双节万向接头的使用性能外，因中间带伸缩是花键设计，可实现轴向0～1 000 mm的移位，便于安装，轴径可做成8～50 mm，安装长度150～4 000 mm，公称扭矩可达到2 000 N·m。

3.2蛇形管改变方向

蛇形管(serpentuator)是在一个平面内能够多次迂回的管子，有水平和垂直两种布置方式。蛇形管的纵向节距与弯管半径R有关，R一般不小于外径的1.5倍，以保证弯管质量，如图2所示。

图2　蛇形管实物图

蛇形管能自由弯曲定型，能够随意调节其弯曲度，且具有良好的固定性，使用起来方便简洁，能够快速实现定位要求[7]。

对比万向接头，蛇形管在此设计中具有很大的优势。蛇形管的金属材料是良好的导体，为电路提供了回路；其两端口直径分别为8 mm和10 mm，方便布置导线和器件的安装；它的长度可以根据灯具安装的位置灵活选择，并且可以折叠，没有严格的限制；它的自由弯曲调节定型功用，符合战标提出的快速展开、简便操作的要求。因此，在本设计中采用蛇形管作为方向调节机构。

4　机械锁紧机构

在大型器械中主要使用液压锁紧，而在小物件上主要采用螺母、螺钉和销套进行固定。由于本设计结构简单，且没有油源系统，故采用简单的机械锁紧方式。

4.1传统锁紧方式

传统的锁紧装置主要有螺母锁紧装置、螺钉套锁紧装置和销套锁紧装置等。其中，螺母锁紧装置的轴端螺纹往往设计得比较长，而螺距又比较小，虽然能够锁紧，但会造成装拆效率低；螺钉套锁紧装置为了确保锁紧的可靠性，增加了螺钉的旋紧力，这样既增加了拆卸难度，又增加了轴面损伤、螺钉及螺孔螺纹损坏的可能；销套锁紧装置是靠套内弹性定位锁销入轴上锁孔而定位的轴向锁紧装置，特点是可靠性高，但轴向调整连续性差[8]。

4.2枪形锁紧方式

传统的锁紧装置不太适用于频繁拆装或轴向调整，且有的锁紧可靠性不高，不能达到快速、简便、有效锁定的设计要求。通过参考头灯设计和越野自行车照明灯固定方式，设计制作出了适合三脚架使用的枪形锁紧装置[9]，既能快捷拆卸，又能有效固定，其效果图如图3所示，加工后得到的实物如图4所示。此枪形锁紧装置主要由一个可由螺丝调节松紧的套筒，两个螺纹垫片和一个紧定螺钉套锁紧装置组成，最大光通量为240～350 lm，适合2.7～3.1 cm直径的灯源，也适合2.3～3.2 cm直径的三脚架固定，且里面配有弹性塑料，可以通过夹紧或放松的方式来调节松紧，解决了普通灯架夹不紧的缺陷。

图3　枪形锁紧机构效果

图4　加工后的枪形锁紧机构

固定在三脚架上的是一个快拆扣子，灯具可以随时装上或取下，使用起来非常方便，即它既可以锁定灯具，又可实现简易快捷的拆装。同时，使用合金材料做外壳，具有良好的防雨防水功效，完全符合各项指标要求[10]。对各部件分别设计后，进行简单装配，连接后的实物如图5所示。

图5　连接后的照明装置

该照明装置应用在三脚架上的效果如图6所示，可以随意调节蛇形管来定位光源，既能起到较好的地标照明效果，又丝毫不影响经纬仪的架设、调平和对心，完全满足部队夜间的作战训练需求，也可以应用在民用的道路和隧道施工中。

图6　照明装置在三脚架上的效果

5　结束语

便携式地标照明装置在夜间瞄准时可以方便地安装在三脚架上，不会破坏三脚架的构造，能够实现在夜间快速便捷的对地标进行有效照明，弥补了现阶段基层部队夜训瞄准时只能依靠外部提供手电来照明地标而导致训练效率低、操作麻烦的缺陷。该照明装置可以广泛应用于民用和军事领域，如车床、机械加工等。

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[2] 罗启勇.优质卤素灯的选择[J].室内设计与装修,2008(6):78-90.

[3] 胡海蕾.LED照明光学系统的设计及其阵列光照度分布研究[D].福建:福建师范大学，2005:66-70.

[4] 杨清德.LED及其工程应用[M].北京:人民邮电出版社,2007:10-20.

[5] 赵星,吴宏超,宋丽培，等.微型投影机自由曲面LED聚光器的设计[J].光学精密工程,2010(10):22-25.

[6] 杨峻.用车铣复合机床加工万向接头[J].航空制造技术,2010(4):50-55.

[7] 马王哲,赵红兵,冯秋红.蛇形管车间的工艺设计[J].工程建设与设计,2011(11):88-91.

[8] 闻邦椿.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2010:70-80．

[9] 彭飞,段梦兰.深水连接器锁紧机构的设计及仿真[J].机械设计与制造,2014(1):101-106．

[10] 王传军,张云,张杰.薄厚双螺母锁紧机构的特性研究[J].科技创新与应用,2013(30):110-115．

Design for Portable Landmark Lighting Equipment

ZHONG Qiyuana，FAN Junb，XU Leilinc，SONG Zijiangc，YAN Congc

(a.204 Staff Room; b.the Second Battalion in the First Brigade;c.the Third Battalion in the First Brigade，Xi’an Research Institude of Hi-Tech,Xi’an 710025，China)

The tripod on the missile aiming equipment has not the function of landmark lighting equipment and couldn’t satisfy the demand of aiming at night.In order to improve the efficiency of missile aiming and to satisfy the demand of combat training of army at night，a kind of portable landmark lighting was designed.The equipment was designed from four aspects such as light source selection，light -concentrating modulation，direction adjustment and locking mechanism.After designation，the equipment could be installed and disassembled conveniently on the tripod.This kind of lighting equipment could satisfy the demand of missile aiming combat training of army at night.At the same time，the equipment doesn’t influence the erection，leveling and centering of aiming equipments at all.This kind of lighting equipment could be used on the civil measuring equipments.

portable; landmark lighting； light source； light-concentrating； locking mechanism； tripod

2014-10-11；修改日期: 2014-12-03

仲启媛(1973-)，女，博士，高级实验师，主要从事定位定向与光电瞄准方向的实验教学与科研工作。

TH761

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.033