大口径机械快门的设计与研制

　　0 引 言

　　传统的机械快门结构形式有叶片式快门和中心快门。叶片式快门的基本原理是通过电机带动连杆机构控制各个叶片做开关运动。叶片式快门经常使用在照相机中，该结构形式的快门外型为长方形，快门的叶片是由厚度约为 0.1 mm 的钢片制作，其优点是叶片轻、响应快，缺点是由于叶片很薄，当叶片大到一定程度时，在高速运动过程中将发生颤动和变形，因此该结构形式不能制作大通光口径的快门。中心快门的基本原理是通过电磁铁带动连杆机构控制各个叶片做开关运动。其经常使用在小型望远镜中，该结构形式的快门外型为圆形，快门的叶片也是由厚度约为0.1 mm 的钢片制作，其优缺点和叶片式类似，响应快，但当叶片面积增大时，会发生变形影响快门开关，无法制成大通光口径的快门。

　　国外的机械快门技术发展较快，大都结构复杂，总的尺寸超过我们能用的最大尺寸，其中以BONN 快门技术较为成熟，其结构设计为均匀曝光型的同时增加了整个快门结构的尺寸，远超过我们能用的最大尺寸;其它用于大型望远镜的机械快门都是根据自己的需求而设计，并不满足我们的要求，譬如用于LSST大望远镜上面的快门由于结构设计上的弊端对速度有限制，并不能满足我们的速度需求。为了满足某大型望远镜的需求，在特定的尺寸限制和速度要求下，本文研制的大型机械快门通光口径可达到φ200 mm，并可根据实际要求更改，快门打开或关闭时间为0.13 s，快门延迟时间可调。

　　1 机械结构设计及分析

　　整个快门结构如图1 所示，整体为对称结构，其通过不在同一水平面的上下叶片配合实现快门的打开和关闭。机构中采用同步带轮组来实现叶片的驱动，同步带下部分通过张紧轮保持水平。同步带连接件上有凹槽与同步带齿啮合，叶片两端通过同步带连接件固定在同步带上。

　　在整个结构中我们需要对快门总体和一些关键部件譬如导轨进行静力学分析，同时需要对同步带进行模态分析，避免产生共振。我们采用有限元分析软件 WORKBENCH 进行仿真分析，如图2 所示，整个快门结构中最大的变形量发生在叶片的圆形最边上为0.097 mm，对整个快门结构没有影响。由于叶片导轨很窄且用于导叶片的槽只有2 mm，故我们需要对其进行静力学分析优化结构，最终结果最大变形量为0.00055 mm，如图3 所示。这样可以避免叶片在运动过程中与导轨发生干涉。

图 4 同步带的模态分析

Fig.4 The modal analysis of the belt

　　同步带的横向振动有使带轮出现相向运动的趋势，在横向振动固有频率较低时，传动的精度可能受到严重影响，因此研究同步带横向振动的固有频率和振动形态是同步带横向振动问题的核心。采用有限元分析软件WORKBENCH 仿真得出了同步带横向振动的前三阶固有频率如图4 所示，f1=177.73 Hz，f2=404.59Hz，f3=701.19 Hz。快门的激励主要发生在 60 Hz 左右，故可避免共振的发生。