超高速铝转镜系统 【技术领域】
本发明涉及用于超高速图像记录系统中的铝转镜系统，更具体地说，涉及一种由电机驱动的大速比同轴增速超高速铝转镜系统。
背景技术
超高速图像记录系统用于记录某些转瞬即逝的超快现象(如高压放电、爆轰等)的二维序列图像，所获得的图像可用于研究该现象的动力学性能、过程和机理。超高速图像记录系统的摄影频率宽广，可从每秒几万幅到每秒几千万幅，是微秒级和亚微秒级图像记录技术。其中的超高速摄影频率是靠超高速转镜所产生的超高速光学扫描快门的顺序曝光获得的。也就是说，转镜是这类超高速图像记录系统的核心，是影响系统性能指标的关键技术。
“铝转镜”是指用高强度铝合金制作的转镜镜体。铝转镜易于加工，在解决了制作铝转镜反射面的工艺之后，其反射率已高达85％，完全可以用作超高速图像记录系统中的转镜，以取代国内外一直沿用的高强度钢转镜。研究表明，高强度铝转镜不仅价格低、比重小，比强度、比刚度比高强度钢和钛合金好，而且驱动转镜所消耗的功率小，同样驱动条件下约为钢转镜地1/3、钛合金转镜的1/2，这为电机-同轴增速机构的超高速驱动创造了条件。
超高速转镜系统是转镜式超高速图像记录系统的核心机构。目前，超高速转镜系统的驱动大都采用气动方式，其原理是将气体介质经过喷嘴以音速、超音速的速度直接喷到涡轮上，使涡轮带动转镜高速旋转。这里的气体介质一般是空气、氮气或氦气。气动方式虽然可使转镜高速旋转，但是其结构繁杂、操作不便、并且很难实现自动控制(例如遥控和智能控制)；同时，在气动方式下，转镜很难在真空中运转；另外，要驱动转镜高速旋转所需的氦气价格贵，而且稳定的气源要受地理条件的限制。
气体驱动方式具有噪音大、消耗功率大、产生涡流会导致像质严重变坏等致命弱点。研究表明，在这种气体介质环境中的超高速驱动，当转镜边缘线速度小于200mps时，目视鉴别率约为100lp/mm；当超过200mps时，目视鉴别率下降到40lp/mm；同时，在现有的超高速图像记录系统中，当转镜边缘线速度大于200mps时，整个摄影机暗箱(箱体)腔内充氦气，要用纯度大于95％的氦气才能得到好的像质；如果转镜边缘线速度超过400mps，就是充氦气亦会产生严重的涡流，使像质变坏。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种由电机驱动的大速比同轴增速超高速铝转镜系统，可保证铝转镜在真空环境中高速旋转，同时提高像质，降低噪音和使用成本。
本发明的技术方案是，提供一种超高速铝转镜系统，包括密封壳体和铝转镜，其特征在于，还包括支承机构、增速机构和驱动电机，所述铝转镜和增速机构装在所述密封壳体内，并由所述驱动电机通过所述增速机构带动其高速旋转；
所述增速机构由齿轮增速机构和大速比同轴增速机构组成；所述齿轮增速机构包括大齿轮和小齿轮，所述大齿轮装在所述驱动电机的输出轴上并与所述小齿轮配合，可带动小齿轮快速旋转；
所述大速比同轴增速机构包括摩擦套、多个高速宽轴承和一个中心轴，所述摩擦套与所述小齿轮共用同一根转轴，所述中心轴的尾端位于所述摩擦套的中心，所述高速宽轴承装在所述摩擦套内并与所述摩擦套的内壁及所述中心轴的尾端紧密配合；
所述铝转镜装在所述中心轴的中部，所述摩擦套可与所述小齿轮同速旋转，并通过所述高速宽轴承和中心轴带动所述铝转镜高速旋转。
在本发明所述的超高速铝转镜系统中，所述密封壳体包括本体，装在所述本体前端的封盖和密封垫圈，装在所述本体的侧面并与所述铝转镜正对的密封玻璃，用于将所述驱动电机与所述本体的尾端固定连接的连接板，用于盖住所述驱动电机并将其密封在所述连接板上的密封罩，以及设在所述连接板上的用于抽真空的接咀。
在本发明所述的超高速铝转镜系统中，所述支承机构包括组合轴承座和与所述高速宽轴承一一对应的多个高速轴承；在所述轴承座的尾端设有一个尾端中心轴孔和与所述高速宽轴承对应数目的尾端定位轴孔，所述中心轴的尾端穿过所述尾端中心轴孔并伸入所述摩擦套的中心，每一个所述高速宽轴承的转轴插入一个对应的所述尾端定位轴孔中；在所述轴承座的前端设有一个前端中心轴孔和与所述高速宽轴承对应数目的前端定位轴孔，所述中心轴的前端插入并穿出所述前端中心轴孔，每一个所述高速轴承的转轴插入一个对应的所述前端定位轴孔中；所述高速轴承与所述中心轴的尾端紧密配合。
在本发明所述的超高速铝转镜系统中，所述小齿轮相对于所述大齿轮的升速比可设计为2；所述大速比同轴增速机构可采用一级同轴增速机构，其中装有三个所述高速宽轴承，所述高速宽轴承相对于所述摩擦套的升速比为2，所述中心轴相对于所述高速宽轴承的升速比约为6.464，从而使所述铝转镜相对于所述摩擦套的升速比约为13.9。
本发明采用全新的电机驱动方式，并通过齿轮增速机构和大速比同轴增速机构带动铝转镜高速旋转，不需要气体驱动，可保证铝转镜在真空环境中高速旋转，同时可提高像质，降低噪音和使用成本。
【附图说明】
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是大速比同轴增速机构为一级机构时的结构示意图；
图2是大速比同轴增速机构为3-3型二级机构时的示意图；
图3是大速比同轴增速机构为3-6型二级机构时的示意图；
图4是本发明一个优先实施例中超高速铝转镜系统的剖面结构示意图；
图5是图4中所采用的一级同轴增速机构的剖视图；
图6是图5的A向视图。
【具体实施方式】
所谓同轴增速机构，是指增速机构的输出轴和输入轴是共线的，这样能做到结构紧凑、速比大。这种机构是靠摩擦带动的，因而结构材料、工艺设计和过盈应力就显得特别重要。这种同轴增速机构可分为如图1所示的一级机构，以及如图2和图3所示的二级机构，从图中可以看出，二级机构按空间布局又可分为如图2所示的3-3型和如图3所示的3-6型。
在上述同轴增速机构中，位于最外部的外圆是摩擦套，位于最中心的是中心轴，位于摩擦套与中心轴之间的是高速宽轴承。其中摩擦套可由驱动电机带动其旋转，中心轴即为铝转镜的转轴。根据接触型传输系统中圆周线速度相同的原理，外圆与中心轴的圆周线速度是相同的，因中心轴的半径远小于外圆的半径，所以其转速将大大高于外圆的转速，按图1、图2和图3中的结构，可计算出中心轴相对于外圆的最大速比分别为13.9、21.4、和25.3。
如图4所示为本发明一个优先实施例中超高速铝转镜系统的剖面结构示意图，其中采用了图1所示的一极同轴增速机构，其具体结构如图5和图6所示。下面将结合附图进行详细介绍。
一、铝转镜4
本实施例中采用高强度铝合金旋转反射镜，简称铝转镜，这是系统的核心零件，其质量好坏直接影响系统的性能。高强度铝合金转镜的比强度、比刚度、驱动功率都优于高强度钢转镜和钛合金转镜，镜面反射率≥85％，镜面平面度可达1个光圈。
二、驱动电机19
本实施例中采用高速直流电机，其功率为1.5kw，转速为3×104rpm(转/分钟)，并且体积小、重量轻、调速性能好。
三、增速机构
1、齿轮增速机构
如图4所示，齿轮增速机构包括大齿轮14和小齿轮15，其中大齿轮14装在驱动电机19的输出轴上并与小齿轮15配合，可带动小齿轮15快速旋转。小齿轮15相对于大齿轮14的升速比为2。
2、大速比同轴增速机构
如图4、图5和图6所示，同轴增速机构包括摩擦套8、三个高速宽轴承21和一个中心轴25(也就是铝转镜4的转轴)，其中摩擦套8与小齿轮15共用同一根转轴，中心轴25的尾端伸入到摩擦套8的中心，高速宽轴承21装在摩擦套8内并与所述摩擦套8的内壁及中心轴25的尾端紧密配合(微米级过盈)。高速宽轴承21相对于所述摩擦套8的升速比为2，中心轴25相对于所述高速宽轴承21的升速比约为6.464，从而使铝转镜4相对于所述摩擦套8的升速比约为13.9。
从图4中可以看出，铝转镜4装在中心轴25的中部。
四、由密封壳体组成的真空球罩系统
从图4中可以看出，密封壳体由封盖1、密封垫圈2、密封玻璃3、本体11、连接板12、密封罩13、抽真空用的接咀16、以及装接咀上的塑料管24组成。转镜在真空环境下旋转，不仅阻力小有利于超高速旋转，而且不存在对成像有影响的涡流，大大提高了像质。
五、支承机构
本实施例中的支承机构包括组合轴承座6和三个高速轴承20；从图中可以看出，在轴承座6的尾端(右侧)设有一个尾端中心轴孔和三个尾端定位轴孔，中心轴25的尾端穿过尾端中心轴孔并伸入所述摩擦套8的中心，每一个高速宽轴承21的转轴插入一个对应的尾端定位轴孔中；
同时，在轴承座6的前端(左侧)设有一个前端中心轴孔和三个前端定位轴孔，所述中心轴(25)的前端插入并穿出所述前端中心轴孔，每一个高速轴承20的转轴插入一个对应的前端定位轴孔中；同时各个高速轴承20与中心轴25的尾端之间有紧密配合。
其中的组合轴承座6采用内孔及端面定位，结构简单、拆装方便、复合精度高(可达1μm)。
六、升速过程
高速电机19通电旋转时，可通过大小齿轮14、15升速，升速比为2；因小齿轮15与摩擦套8共用同一根转轴，所以摩擦套8相对于电机19的升速比也为2。
摩擦套8与超宽高速轴承21紧密配合，超宽高速轴承21又与铝转镜4的轴颈(即中心轴25)紧密配合，两者之间的升速比等于摩擦套8的内径与中心轴直径之比，速比约为13.9，本实施例中取速比为13。
当高速电机19旋转时，摩擦套8可与小齿轮15同速旋转，并通过高速宽轴承21和中心轴25带动铝转镜4超高速旋转，铝转镜4的转速为2×13＝26倍电机转速，实际转速可达(30-50)×104rpm。
七、应用举例
本发明可成功用于S-150型超高速等待式分幅摄影机中。最高摄影频率可达2.24×106幅/秒(pps)，转镜边缘线速度高达800mps，超过目前所知的国际水平。
其中驱动电机19为直流驱动，可采用脉冲调速，无级变速。
本发明可同时用于多种类型的超高速转镜图像记录系统：分幅的、扫描的、等待的、同步的、超高速和甚高速等。