占 潛，高云國(guó)，于 萍

(1．中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033;2．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

約為1。

1 引言

光電探測(cè)技術(shù)作為現(xiàn)代信息技術(shù)的前端，廣泛應(yīng)用在人類生活的各行各業(yè)之中。在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤捕獲的過(guò)程中，要想獲得高清晰度的圖像，目標(biāo)必須準(zhǔn)確地成像在CCD的感光面上。如果調(diào)焦不正確，會(huì)造成像點(diǎn)離散，降低目標(biāo)和背景的對(duì)比度，從而影響設(shè)備的作用距離和成像質(zhì)量。因此調(diào)焦機(jī)構(gòu)是探測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，調(diào)焦系統(tǒng)的精度直接影響到光學(xué)系統(tǒng)的成像［1－2］。

本課題針對(duì)項(xiàng)目的參數(shù)要求，在常用的調(diào)焦機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)之上，基于密珠軸系回轉(zhuǎn)精度高、摩擦力矩小、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)，在保證相機(jī)的成像質(zhì)量的前提下，設(shè)計(jì)了一種新型調(diào)焦機(jī)構(gòu)。介紹了其組成及工作原理，詳細(xì)分析了其誤差來(lái)源及精度，最后對(duì)其進(jìn)行了精度檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)論證。

2 調(diào)焦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2．1 參數(shù)要求

為在保證分辨率、作用距離滿足要求前提下，盡量增大捕獲視場(chǎng)，光電探測(cè)器選擇加拿大DALAS公司的1M60相機(jī)，該相機(jī)的特點(diǎn)是靶面大，靈敏度高。其調(diào)焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下:

(1)工作溫度:－40～ +45℃

(2)光學(xué)設(shè)備振動(dòng)范圍:16～60 Hz，加速度為1．5 g

(3)調(diào)焦晃動(dòng)精度≤2″

2．2 調(diào)焦方式的選擇［3－5］

光電探測(cè)器的調(diào)焦方式主要取決于光學(xué)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)形式以及調(diào)焦精度的要求。常用的調(diào)焦方式有三種:焦平面移動(dòng)式、焦面反射鏡移動(dòng)式和鏡組移動(dòng)式。焦平面移動(dòng)式是最直接的調(diào)焦方式，即調(diào)整焦平面的位置使其與像面重合。但在實(shí)際應(yīng)用中往往受到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度和結(jié)構(gòu)尺寸的制約而難以實(shí)現(xiàn)。焦面反射鏡移動(dòng)調(diào)焦即通過(guò)調(diào)整折轉(zhuǎn)光路的反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，適用于反射式系統(tǒng)中。鏡組移動(dòng)式是在光學(xué)系統(tǒng)中通過(guò)調(diào)整透鏡的位置來(lái)改變透鏡間的間距，從而達(dá)到調(diào)焦的目的。根據(jù)本探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文選擇了鏡組移動(dòng)式的調(diào)焦方式，通過(guò)調(diào)整調(diào)焦鏡組位置來(lái)實(shí)現(xiàn)像面位置的校正。

2．3 調(diào)焦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)［6－8］

一般的調(diào)焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有以下兩種:

a．凸輪調(diào)焦方式

凸輪傳動(dòng)調(diào)焦方式的結(jié)構(gòu)和裝配工藝簡(jiǎn)單，凸輪、齒輪等運(yùn)動(dòng)件表面經(jīng)特殊處理后無(wú)冷焊、無(wú)卡滯現(xiàn)象，有很好的抗沖擊振動(dòng)能力。但對(duì)凸輪曲線加工精度要求較高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增高。

b．絲杠螺母調(diào)焦

絲杠螺母調(diào)焦方式的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，便于加工且成本低。但是容易產(chǎn)生卡滯現(xiàn)象，抗振動(dòng)沖擊的能力差，且調(diào)焦精度低，穩(wěn)定性差。

此外，有的調(diào)焦機(jī)構(gòu)還采用了蝸輪蝸桿調(diào)焦方式。其特點(diǎn)是可以產(chǎn)生較大的傳動(dòng)比，缺點(diǎn)是體積大、質(zhì)量重。

通過(guò)對(duì)這幾種調(diào)焦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)比，根據(jù)現(xiàn)有的加工能力以及調(diào)焦方式的精度要求，本文最終選用了一種由齒輪傳動(dòng)配合螺旋傳動(dòng)的密珠軸系直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。其主要零部件如圖1所示。

圖1 調(diào)焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure diagram of the focusingmechanism

調(diào)焦鏡通過(guò)壓圈安裝在鏡筒內(nèi)，調(diào)焦鏡筒外圓面及固定筒內(nèi)孔面為經(jīng)過(guò)特殊處理的滾道，借助于保持架保證鋼球處在滾道內(nèi)的相對(duì)位置。精密鋼球經(jīng)過(guò)盈配合裝配在滾道內(nèi)，相對(duì)內(nèi)外滾道沿光軸的平行方向滾動(dòng)，沿光軸方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被限，并通過(guò)直線電位計(jì)標(biāo)記調(diào)焦鏡位置。電機(jī)帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母與主軸間通過(guò)鋼球與軸套及限位實(shí)現(xiàn)主軸帶動(dòng)調(diào)焦鏡作直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)焦鏡組件借助于精密鋼球相對(duì)固定筒沿光軸作平移運(yùn)動(dòng)的功能。

這種結(jié)構(gòu)主軸主要有以下幾種特點(diǎn):(1)機(jī)構(gòu)緊湊;(2)剛度好;(3)由于鋼球和內(nèi)外圈有較高的加工精度以及誤差均勻化作用，運(yùn)動(dòng)精度高。

最終加工出來(lái)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)實(shí)物如圖2所示。

式中，δ1為軸套的單邊變形;δ2為主軸的單邊變形;δ為滾珠與主軸或軸套的接觸變形，當(dāng)近似考慮:δ1=δ2= δ時(shí)，過(guò)盈量為 Δ =8δ。

我們國(guó)家對(duì)密珠軸系推薦采用的過(guò)盈量一般為Δ=0．002～0．004 mm，根據(jù)加工條件及實(shí)際要求，本結(jié)構(gòu)采用過(guò)盈0．003 mm裝配。故:

Δ =8δ=0．003 mm

求得滾珠與主軸的接觸變形:

δ =3．75 ×10－4mm

根據(jù)赫茲理論，兩個(gè)具有曲率的滾動(dòng)體接觸時(shí)，在負(fù)荷作用下產(chǎn)生的接觸面為橢圓形，其點(diǎn)接觸處的兩接觸滾動(dòng)體變形量為:

圖2 調(diào)焦機(jī)構(gòu)實(shí)物圖Fig．2 Real figure of the focusingmechanism

3 調(diào)焦機(jī)構(gòu)計(jì)算分析

3．1 調(diào)焦機(jī)構(gòu)分辨率計(jì)算

CCD相機(jī)半焦深為0．015 mm，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的分辨率處在1/3半焦深，為0．005 mm以內(nèi)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)調(diào)焦功能。選擇電機(jī)每轉(zhuǎn)細(xì)分400份，螺母轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)調(diào)焦鏡移動(dòng)2 mm，齒輪傳動(dòng)比為3，所以螺母轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)3轉(zhuǎn)，調(diào)焦鏡分辨率:

2 mm/(3 ×400)=0．0017 mm ＜0．005 mm

滿足調(diào)焦分辨率要求。

3．2 調(diào)焦機(jī)構(gòu)力學(xué)分析計(jì)算［9－10］

密珠軸系的主軸、滾珠和軸套采取過(guò)盈配合，適當(dāng)選取過(guò)盈量，可以減小零件加工誤差的影響，提高軸系的回轉(zhuǎn)精度。

過(guò)盈量計(jì)算公式如下:

式中，dw為主軸外徑;dn為軸套內(nèi)徑;d為鋼球直徑。過(guò)盈量又是軸套、主軸以及滾珠三者的變形之和，即:

其中，∑Q=Q11+Q12+Q21+Q22代表曲率和，單位1/mm;Q的兩個(gè)下標(biāo)，第一個(gè)代表物體，第二個(gè)代表主曲率面，主曲率面為有最大和最小曲率值相互垂直的兩個(gè)面，且曲率中心在物體內(nèi)為“+”，物體外為“－”。

②按照變壓器檢修規(guī)程的要求，在進(jìn)行變壓器抽真空期間，要求變壓器內(nèi)部真空度為4mbar以下，變壓器內(nèi)部各處壓力均相等，并且要求保持真空至少48H；

圖3 赫茲系數(shù)曲線Fig．3 Curve of Hertz coefficient

約為1。

主軸、軸套和鋼球的材料選用40Cr，鋼球直徑為9 mm，主軸的直徑為74 mm，材料的正彈性模量E=211 GPa，泊松系數(shù)ν=0．3，通過(guò)以上公式可以計(jì)算出單個(gè)鋼球受力:

本軸系每周分布6個(gè)滾珠，主軸共有54個(gè)滾珠。調(diào)焦時(shí)主軸沿軸向直線運(yùn)動(dòng)，與滾珠之間存在滾動(dòng)摩擦，取滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0．01，得出主軸軸向受到的摩擦阻力:

根據(jù)調(diào)焦系統(tǒng)的參數(shù)要求以及現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室電機(jī)設(shè)備，選擇實(shí)驗(yàn)室常用的一種驅(qū)動(dòng)電機(jī)，型號(hào)為:SS1704A20A;電機(jī)的外形尺寸:42．3 mm×

帶入得:

cosτ=0．057 ，查得此時(shí)42．3 mm ×49．5 mm，靜力矩為 0．54 Nm;步距角為1．8°;啟動(dòng)電流為2 A 。

電機(jī)輸出軸上的齒輪z1=37;與z1嚙合的大齒輪z2=111;(齒輪壓力角 α =20°;模數(shù)m=1)，螺母和主軸的螺紋配合傳動(dòng)比為i=z2/z1=3。

Vz為主軸和調(diào)焦鏡直線運(yùn)動(dòng)速度，螺紋副螺距2 mm，調(diào)焦鏡調(diào)焦范圍3 mm，在1 s內(nèi)完成調(diào)焦:

n為電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速，n=(3/2)×3×60=270 rpm，由電機(jī)力矩與轉(zhuǎn)速特性曲線知道此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩 t0=0．49 Nm，齒輪傳動(dòng)效率 η =0．98，故電機(jī)輸出到大齒輪上的轉(zhuǎn)矩:

電機(jī)帶動(dòng)小齒輪z1旋轉(zhuǎn)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)大齒輪z2轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪與螺母一體，螺紋副輸入力矩與輸出的軸向力計(jì)算公式近似為:

式中，K為擰緊力系數(shù)，一般取 K=0．1～0．3，對(duì)于M70 螺紋，取 K=0．2，代入得 F=102．9 N ，大于運(yùn)行時(shí)受到的摩擦阻力，由此可以看出電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。

3．3 調(diào)焦機(jī)構(gòu)晃動(dòng)精度分析

軸系在豎直平面內(nèi)的晃動(dòng)誤差主要是由于軸系和滾珠的不圓度引起的。其最大晃動(dòng)誤差可由以下公式近似計(jì)算:

式中，ΔD為不圓度值，設(shè)計(jì)時(shí)鋼球采用零級(jí)精度，參照GB/T 308－2002，滾珠的不圓度值為0．00025mm。加工時(shí)主軸的不圓度值為0．0010 mm，軸套的為0．0025 mm。由于滾珠與主軸均位于軸套內(nèi)，而軸比孔更易加工出較高精度，故取 ΔD=0．0010 mm;L為鋼球在軸向上的最大跨距，L=100 mm;K'為負(fù)載變形系數(shù)，一般取 K'=0．4～0．96，此處取K'=0．5。計(jì)算得:σmax=1．03″，滿足調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

4 調(diào)焦機(jī)構(gòu)試驗(yàn)

4．1 調(diào)焦機(jī)構(gòu)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

調(diào)焦機(jī)構(gòu)的模態(tài)要求是對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，取決于機(jī)構(gòu)自身的剛度。利用振動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以避免其在工作時(shí)達(dá)到共振影響機(jī)構(gòu)精度。

項(xiàng)目要求光學(xué)設(shè)備工作振動(dòng)頻率在16～60 Hz，為了確保調(diào)焦機(jī)構(gòu)在工作頻率范圍內(nèi)不會(huì)因?yàn)楣舱穸茐臋C(jī)構(gòu)精度，在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)進(jìn)行1．5 g正弦振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)方向垂直軸向。實(shí)驗(yàn)如圖4所示。

圖4 調(diào)焦機(jī)構(gòu)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)Fig．4 Vibration experiment of the focusingmechanism

實(shí)驗(yàn)得出的調(diào)焦機(jī)構(gòu)頻率響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 調(diào)焦機(jī)構(gòu)頻率響應(yīng)曲線Fig．5 Frequency response curve of the focusingmechanism

從曲線圖可以看出，在要求的工作頻率范圍內(nèi)該調(diào)焦機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性好，不會(huì)出現(xiàn)共振，能夠平穩(wěn)地運(yùn)行，具有良好的剛度，滿足工作需求。

4．2 振動(dòng)前后晃動(dòng)實(shí)驗(yàn)

由于本調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用的是鏡組移動(dòng)式的調(diào)焦方式，調(diào)焦組鏡的晃動(dòng)量是影響調(diào)焦效果的主要因素，故本文主要對(duì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)進(jìn)行晃動(dòng)精度實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)如圖6所示。

圖6 隔振臺(tái)調(diào)焦機(jī)構(gòu)晃動(dòng)實(shí)驗(yàn)Fig．6 Shaking precision experiment of the focusingmechanism

為了驗(yàn)證在振動(dòng)前后調(diào)焦系統(tǒng)的精度是否受到影響，在常溫下對(duì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)振前和振后進(jìn)行晃動(dòng)精度實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

將調(diào)焦系統(tǒng)置于隔振臺(tái)上，用0．2″自準(zhǔn)值平行光管作為檢測(cè)工具，通過(guò)平行光管讀取平面鏡成像的數(shù)據(jù)。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)主軸進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，每運(yùn)行1 mm進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，分別記錄機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中水平方向和垂直方向上的晃動(dòng)量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理之后的曲線圖如圖7和圖8所示。

圖7 振動(dòng)前后水平方向晃動(dòng)精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig．7 Curve of horizontal shaking precision after vibration

圖8 振動(dòng)前后垂直方向晃動(dòng)精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig．8 Curve of vertical shaking precision after vibration

由圖7、圖8可知，使用0．2″自準(zhǔn)值平行光管作為檢測(cè)量具，可以看出在要求的振動(dòng)頻率范圍內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)能夠保持較高精度，水平方向和垂直方向上的最大晃動(dòng)量均在2″以內(nèi)，滿足光學(xué)設(shè)備的精度要求。

5 結(jié)論

根據(jù)探測(cè)器總體技術(shù)指標(biāo)要求，本文設(shè)計(jì)了一種密珠軸系調(diào)焦機(jī)構(gòu)，將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為主軸沿軸向的高精度直線運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)整透鏡組的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)像面位置的校正。最終加工出來(lái)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)外形尺寸為200 mm×200 mm×140 mm。通過(guò)對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)和晃動(dòng)精度實(shí)驗(yàn)可知，該調(diào)焦機(jī)構(gòu)具有一定的剛度，在要求的工作振動(dòng)頻率內(nèi)能夠很好地實(shí)現(xiàn)調(diào)焦功能，晃動(dòng)精度小于2″。總體來(lái)說(shuō)，該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)、晃動(dòng)精度高等特點(diǎn)，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也為密珠軸系在探測(cè)器調(diào)焦系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了范例。

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