機械補償式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的活動組分相對固定組分沿軸向運動改變各組分之間間隔尺寸，在保證系統(tǒng)像面穩(wěn)定不變的前提下，連續(xù)改變系統(tǒng)焦距。系統(tǒng)中，最后一個固定組前的總組分?jǐn)?shù)稱為該連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的組分?jǐn)?shù)，比如含有一個前固定組、一個變焦組、一個補償組以及一個固定組的變焦系統(tǒng)被稱為三組分變焦系統(tǒng)。為保證各活動組分在變焦過程中按設(shè)計要求移動活動組分，保證其表面間隔尺寸，一般都使用凸輪結(jié)構(gòu)驅(qū)動各組分的運動，因此，凸輪曲線的設(shè)計也必然是光學(xué)設(shè)計的重要任務(wù)。
在進行凸輪曲線設(shè)計時，不僅要考慮凸輪轉(zhuǎn)動時確保各活動組分之間準(zhǔn)確的間隔尺寸，保證在變焦過程中光學(xué)系統(tǒng)像面的穩(wěn)定，還要考慮到運動曲線的平滑性以及曲線的陡度，避免運動中的卡滯現(xiàn)象，當(dāng)然還要考慮到凸輪加工的工藝性。
圖1.變焦系統(tǒng)凸輪優(yōu)化設(shè)計窗體
初始數(shù)據(jù)填寫以及各選擇項的選擇
本程序可以對機械補償式變焦系統(tǒng)進行凸輪優(yōu)化設(shè)計，因此只有在輸入機械補償式變焦光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)之后才能進行。此時可從工具條的“設(shè)計”中選擇“變焦系統(tǒng)凸輪優(yōu)化設(shè)計” 菜單，此時界面上出現(xiàn)小窗體如圖1。
① 初始數(shù)據(jù)的填寫
連續(xù)變焦系統(tǒng)的凸輪一般都是采用圓筒式結(jié)構(gòu)，依靠凸輪的轉(zhuǎn)動驅(qū)動活動組沿光軸方向按要求規(guī)律移動。為此在設(shè)計凸輪曲線之前先要給出凸輪圓筒的直徑值以及凸輪轉(zhuǎn)動角度值，然后要給出凸輪曲線的坐標(biāo)點數(shù)，便于加工需要。同時為了滿足加工和使用的要求，還必須在曲線的兩端各增加一定數(shù)量點數(shù)的前后延伸曲線坐標(biāo)參數(shù)。所以，在圖1的界面上要求填寫相應(yīng)的選取坐標(biāo)點數(shù)、前沿點數(shù)、后沿點數(shù)、凸輪直徑以及凸輪轉(zhuǎn)動角度等參數(shù)。填寫完以上數(shù)據(jù)，點擊“確定”鍵即可自動繪制凸輪運動曲線圖。在此同時界面上還會顯示一個書簽式選項，分別提供繪制凸輪運動曲線、凸輪運動速率、焦距變化曲線、凸輪參數(shù)數(shù)據(jù)以及返回上一步等。
圖2.凸輪運動曲線系列
② 選擇項的選擇
從圖2的界面上可以看出，通過對機械補償式變焦系統(tǒng)進行凸輪優(yōu)化設(shè)計，可以控制變焦組分的運動曲線的方程軌跡，也可以根據(jù)需要使得系統(tǒng)焦距值按需要的曲線關(guān)系設(shè)計凸輪曲線。一般情況下，為了活動組的運動靈活方便，主要考慮變焦組和活動組的運動連續(xù)平滑，運動曲線不要過陡，避免運動卡死現(xiàn)象。但有些系統(tǒng)為精確控制在變焦過程中達到精確變焦焦距值，也可以選擇控制系統(tǒng)焦距變化曲線，使得凸輪轉(zhuǎn)角是系統(tǒng)焦距變化的函數(shù)。
在進行變焦系統(tǒng)凸輪曲線設(shè)計與優(yōu)化時，可做如下一些選擇。
Ⅰ- 控制項目的選擇
在進行變焦系統(tǒng)凸輪曲線時可以通過凸輪曲線設(shè)計與控制變焦組的運動規(guī)律，也可以設(shè)計與控制系統(tǒng)在變焦過程中系統(tǒng)焦距變化的規(guī)律，以便隨時掌控系統(tǒng)焦距與凸輪運轉(zhuǎn)的關(guān)系，此時可以通過下圖中對控制項目的選擇實現(xiàn)。
圖3.控制項目的選擇
圖4.控制焦距變化曲線系列
Ⅱ- 繪制網(wǎng)絡(luò)線的選擇
圖5.繪制網(wǎng)絡(luò)線的選擇
圖6.繪制網(wǎng)絡(luò)線的選擇
Ⅲ- 凸輪曲線運動軌跡或變焦焦距變化規(guī)律的選擇
圖7.凸輪曲線運動軌跡或變焦焦距變化規(guī)律的選擇
圖8.選擇單純曲線方式
圖9.選擇復(fù)合曲線方式
Ⅳ- 提取變焦過程中任意樣本的選擇
圖10.提取變焦過程中任意樣本的選擇
一般光學(xué)設(shè)計程序是把連續(xù)變焦系統(tǒng)當(dāng)做多重結(jié)構(gòu)系統(tǒng)處理，只能計算和分析指定幾個變焦位置。OCAD利用在計算凸輪曲線時提取變焦過程樣本的方式，可以提取在變焦過程任意位置的樣本變成定焦系統(tǒng)對系統(tǒng)進行分析和計算。在需要提取樣本時，選擇“提取樣本”選項便可在右側(cè)下拉菜單中選擇位置號即可，樣本總數(shù)為上方填寫的“選取坐標(biāo)點數(shù)”。可填寫的點數(shù)可以是三位數(shù)或四位數(shù)。選擇完成之后按“確定”鍵，當(dāng)前變焦系統(tǒng)數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為該樣本位置的定焦系統(tǒng)數(shù)據(jù)，自由進行分析與計算。
③ 凸輪曲線的非線性化處理
為了控制變焦組或系統(tǒng)焦距變化曲線，可以把曲線設(shè)計成直線形狀也可以按一定規(guī)律設(shè)計成二次或三次曲線形狀。直線形狀易于加工；曲線形狀可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)運動曲線陡度（斜率）。當(dāng)選擇曲線形狀時，接口要求填寫一個三次方程的三個系數(shù)的權(quán)因子值如圖11。所謂系數(shù)的權(quán)因子是指三個系數(shù)的相對值。三個系數(shù)的實際值將由程序自動規(guī)化處理。
圖11.選擇曲線運動軌跡的凸輪優(yōu)化設(shè)計窗體
以上選擇確定或數(shù)據(jù)填寫完畢之后，只要按“確定”按鈕，便可自動完成凸輪曲線設(shè)計工作。設(shè)計結(jié)果如圖12。從圖13至圖14可以看出，通過書簽式接口可以方便地查看設(shè)計結(jié)果的凸輪運動曲線、凸輪升角曲線、焦距變化曲線以及凸輪參數(shù)數(shù)據(jù)等內(nèi)容。其中凸輪運動曲線直接顯示了系統(tǒng)變焦組和補償組的運動曲線形狀，還可從圖上讀出曲線各點的坐標(biāo)值；凸輪升角曲線是根據(jù)設(shè)計出的凸輪運動曲線計算出的曲線上各點的斜率只值，從中分析凸輪曲線運動陡度，陡度過大就容易造成運動的卡滯，影響使用效果；焦距變化曲線顯示了系統(tǒng)焦距隨凸輪轉(zhuǎn)動的變化關(guān)系，因為有些對系統(tǒng)焦距變化要求嚴(yán)格控制幷需要便于讀取的系統(tǒng)，就必須在凸輪設(shè)計時控制焦距變化曲線。為了給出凸輪運動曲線的具體數(shù)據(jù)，選擇凸輪參數(shù)資料書簽，便可以直接讀出所有設(shè)計資料如圖15。對給出的數(shù)據(jù)可以直接在接口上進行進一步文字編輯、保存和打印。
對于以上設(shè)計如不滿意，還可以使用“返回上一步”書簽回到如圖14接口上重新修改參數(shù)進行設(shè)計，直到滿意。
④ 計算數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換處理
為了更加靈活的保存和打印計算結(jié)果數(shù)據(jù)，程序還可以方便地保存成Excel的表格形式。操作時只要選擇工具條上“另存入”菜單，選擇“Excel files（*.xls）”或“Word files（*.doc）等格式幷指定文件名即可。Excel表格形式的文件如圖16，Word 文件格式的文件如圖17。
圖16.Excel 文件格式凸輪參數(shù)數(shù)據(jù)
圖17.Word 文件格式凸輪參數(shù)數(shù)據(jù)
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