70mm间歇式高速摄影机抓片机构与输片力分析

    70mm间歇式高速摄影可获得大信息量、高质量图像,对于8片孔的画面,其信息量高达4.7@10,高出电视摄象系统2个数量级。它对空间飞行目标的测量有着很好的应用潜力。由于间歇式高速摄影机是通过抓片机构使胶片实现高速间歇运动,即移动一个画幅距后静止不动,且画幅距大,极大地增加了抓片机构的设计、制造与装配的难度。采用双联曲柄摇杆抓片机构可实现较高的摄影频率,使其达到120幅/秒以上。

    1 双联曲柄摇杆式抓片机构运动特性与参数

    双联曲柄摇杆式抓片机构由于具有较好的运动特性、可调性、动平衡特性等特点,是用于70mm高速摄影机中的较理想的机构之一。其机构的示意图见图1。

    对其中一套曲柄摇杆机构用矢量表示运动方程为:

    n-摄影频率

    则每组抓片爪沿胶片片道的运动特性为:

    当画幅距为38mm,选取曲柄r=10mm时各杆件参数如表1。

    从表中可以看到,增大杆件参数对机构的运动特性有利,但贡献并不十分显著,参数的增大对机构的动平衡、结构的紧凑性不利。根据结构的需要,选择参数如下。

r=10,c=65,b=72.2,R=137.2。

    这时在不同频率下其最大加速度见表2。

    2 输片力的分析与分配

     抓片爪带动胶片做间歇运动的输片力p的数学表达式如下:

    其中:     K -胶片片孔间隔刚度

    x1 -抓片爪作用下的片孔边缘位移

    x -抓片爪沿片道的位移

    m -做间歇运动胶片质量

    n -摄影频率(帧/秒)

    F -片道摩擦力

    Sx-抓片爪进入片道到接触,胶片片孔边缘的时间间隔

    Sc-抓片爪进入片道到整个胶片运动的时间间隔

    采用数值法解上述微分方程,并通过计算机算出不同条件下各时刻的输片力。表3为上述参数下不同频率的最大输片力。

    分析输片力的物理模型、数学模型与计算结果可知,输片力由三部分组成,即与抓片爪相同运动特性的惯性力、片道摩擦力、以及由胶片相对抓片爪的振动引发的附加阻力,即

P=P爪惯+P摩+P振(11)

    从表3可推算,实现在150帧/秒频率下的可靠输片,需要配置16个抓片爪同时作用胶片。但在实际工作中由于胶片收缩的存在(允许在一定范围),每个抓片爪对胶片间隔的作用力是不同的,连续布置三个抓片爪(沿输片方向),胶片收缩量为0.25%时,抓片机构的输片能力下降10%~15%,沿输片方向连续布置五个抓片爪时,其抓片机构的输片能力下降30%左右。采用双联曲柄摇杆机构,由于两套抓片爪之间有较大的间距(大于76mm),常规的参数选取并不能为提高频率带来明显的收效。为此,我们从多功能角度进行抓片爪的设计,即在参数设计时两套抓片爪具有不同的功能对不同的胶片收缩量。当胶片收缩量接近零时,两套抓片爪具有相同的作用功能,当胶片收缩量为允许的最大值时,两套抓片爪具有不同的作用功能:一组抓片爪主要承担带动胶片与之一起移动,另一组抓片爪承担阻止胶片在移动过程相对抓片爪的抖动。