高世林,趙曉敏,劉京生,劉宏旭,溫慶榮,楊加強(qiáng)

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

周視光學(xué)系統(tǒng)可以在方位方向進(jìn)行360°掃描、跟蹤成像,在軍事領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用,可以用作光電雷達(dá),也可用作火控瞄準(zhǔn)器。如果周視光學(xué)系統(tǒng)比較復(fù)雜,整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法隨方位和俯仰組件旋轉(zhuǎn),只有前端部分系統(tǒng)可以隨方位和俯仰組件旋轉(zhuǎn),而后方成像部分需要與轉(zhuǎn)臺(tái)的基座固連,在這種情況下圖像就會(huì)在視場(chǎng)中繞光軸旋轉(zhuǎn)[1]。

為了消除像旋,得到穩(wěn)定的圖像輸出,系統(tǒng)中就需要引入消像旋組件用作間接穩(wěn)定裝置。在系統(tǒng)光路中,成像器件之前,沿主光軸方向安裝一個(gè)消像旋棱鏡。根據(jù)光學(xué)原理,棱鏡的旋轉(zhuǎn)角度為圖像旋轉(zhuǎn)角度的二分之一時(shí),可實(shí)現(xiàn)消除圖像旋轉(zhuǎn)的功能。消像旋組件可以使用別漢棱鏡或者道威棱鏡。消像旋組件的關(guān)鍵在于如何使棱鏡在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候,光軸具有較高的回轉(zhuǎn)精度,使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)可以輸出穩(wěn)定的圖像。同時(shí),為滿足不同的使用環(huán)境,消像旋組件還應(yīng)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于裝調(diào)等特點(diǎn)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在某型機(jī)載遠(yuǎn)程光電搜索跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,要求消像旋組件的光軸回轉(zhuǎn)精度為±15″,且能滿足機(jī)載環(huán)境下的高低溫與振動(dòng)要求。同時(shí)也要求具備較小的體積和較輕的質(zhì)量。

2.1 結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求,決定采用一體化軸系的設(shè)計(jì)思路,具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示:消像旋組件主要由一體化主軸、外殼、壓圈、棱鏡組件、電機(jī)、碼盤和讀數(shù)頭組成。

軸系采用了背對(duì)背成對(duì)角接觸球軸承的軸系布局形式[2],即直接在主軸上加工出軸承內(nèi)圈溝道。主軸、滾珠、保持架與軸承外圈一體化裝配,構(gòu)成一體化主軸。一體化主軸安裝在外框架內(nèi)部,軸承外圈與外框架采用過(guò)渡配合。壓圈通過(guò)外框架的內(nèi)螺紋旋入,與軸承外圈接觸,并對(duì)一體化主軸施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力[3]。預(yù)緊力可以使軸承消除游隙,提高軸系精度,并同時(shí)增加軸系的剛度,提高穩(wěn)定性,但過(guò)大的預(yù)緊力又會(huì)使軸系的摩擦力矩增大,導(dǎo)致軸系在低溫工作時(shí)抱死。因此就需要通過(guò)調(diào)節(jié)壓圈的松緊度來(lái)調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力,使得軸系在較高的回轉(zhuǎn)精度與較小的摩擦力矩之間達(dá)到平衡,必要時(shí)可以通過(guò)高低溫試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)特性。最后在螺紋上涂抹硅橡膠固化預(yù)緊力狀態(tài)。

棱鏡采用膠接與機(jī)械壓緊相結(jié)合的方式固定在棱鏡座內(nèi)[4],棱鏡座安裝到主軸的方孔內(nèi),棱鏡座與主軸的安裝接口采用腰型孔加定位銷的方式連接,棱鏡組件可以繞銷釘軸線微量轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)棱鏡視軸與消像旋組件機(jī)械軸的一維調(diào)整。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 消像旋組件

圖2 調(diào)整機(jī)構(gòu)

一體化主軸采用GCr15軸承鋼,外殼、壓圈與棱鏡座采用7075超硬鋁。光學(xué)采用道威棱鏡,材料為ZnSe,可透可見(jiàn)光。

驅(qū)動(dòng)方式采用交流無(wú)刷力矩電機(jī)直驅(qū),反饋控制方式采用碼盤和讀數(shù)頭,可以使棱鏡具有較高的旋轉(zhuǎn)角度精度和響應(yīng)速度[5]。

2.2 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

1)可以消除零件加工誤差(軸承內(nèi)圈和主軸與軸承配合面的加工誤差)以及裝配誤差(軸承內(nèi)徑與主軸、軸承端面與軸肩和軸承外徑與外框架內(nèi)徑的裝配誤差),大幅度提高軸系的回轉(zhuǎn)精度,從而提高光軸的回轉(zhuǎn)精度。

2)兩列角接觸球軸承采用背對(duì)背布置方式,使軸承既可以承受徑向載荷,也可以承受軸向載荷,而且兩列軸承的受力點(diǎn)在兩列軸承的外側(cè),可以提高軸系剛度,從而增強(qiáng)軸系的穩(wěn)定性。

3)省去主軸的軸肩,軸承的內(nèi)圈以及內(nèi)壓圈等結(jié)構(gòu),可以使組件的軸向尺寸減少10 mm,徑向尺寸減少5 mm,重量減少10 %左右。

3 裝調(diào)工藝設(shè)計(jì)

消像旋組件光學(xué)系統(tǒng)共有三個(gè)軸:外部主光軸、機(jī)械軸、棱鏡視軸,裝調(diào)的目的就是要將三軸調(diào)重合。

搭建起如圖3所示的光學(xué)裝調(diào)平臺(tái),自準(zhǔn)直儀1作為外部主光軸(基準(zhǔn)光軸)。先將消像旋組件與自準(zhǔn)直儀1自準(zhǔn),也就是將機(jī)械軸與外部主光軸調(diào)重合。在消像旋組件靠近自準(zhǔn)直儀1一側(cè)安裝二維可調(diào)節(jié)的平面反射鏡,轉(zhuǎn)動(dòng)消像旋組件,在自準(zhǔn)直儀1中觀察靶標(biāo)畫(huà)圓情況。調(diào)節(jié)自準(zhǔn)直儀1方位俯仰角度,將畫(huà)圓軌跡調(diào)到十字靶標(biāo)中心,并調(diào)節(jié)平面反射鏡方位俯仰角度將畫(huà)圓直徑調(diào)到最小。記錄自準(zhǔn)直儀1靶標(biāo)軌跡的度數(shù),檢測(cè)出軸系的回轉(zhuǎn)精度。

圖3 裝調(diào)原理

然后拆下平面反射鏡,讓自準(zhǔn)直儀1發(fā)出的光穿過(guò)棱鏡。轉(zhuǎn)動(dòng)消像旋組件,在自準(zhǔn)直儀2上觀察自準(zhǔn)直儀光標(biāo)的畫(huà)圓軌跡。調(diào)節(jié)棱鏡組件上面的一維調(diào)整機(jī)構(gòu),將自準(zhǔn)直儀2上靶標(biāo)的畫(huà)圓軌跡調(diào)節(jié)到最小,也就是將棱鏡的視軸與外部主光軸調(diào)重合。調(diào)節(jié)自準(zhǔn)直儀2方位俯仰角度,使得靶標(biāo)接近自準(zhǔn)直儀2的十字叉零位。記錄自準(zhǔn)直儀2靶標(biāo)軌跡的讀數(shù),檢測(cè)出光軸的回轉(zhuǎn)誤差。

4 精度分析

4.1 軸系誤差分析

采用一體化軸系設(shè)計(jì)方案,可以有效的解決機(jī)械軸系回轉(zhuǎn)精度誤差與零部件加工誤差的關(guān)聯(lián)性,使得軸系誤差只取決于主軸溝道、滾珠、軸承外圈的加工誤差,大幅度提高機(jī)械軸系回轉(zhuǎn)精度。下面對(duì)關(guān)鍵零件尺寸的誤差分配進(jìn)行校核。

主軸溝道精度2 μm,滾珠精度1 μm,軸承外圈精度1 μm。

兩軸承間距為L(zhǎng)=46 mm

4.2 光機(jī)總誤差(光軸回轉(zhuǎn)誤差)分析

光軸回轉(zhuǎn)精度是消像旋組件的重要指標(biāo),主要取決于外部主光軸、機(jī)械軸系和棱鏡視軸這三個(gè)軸自身的精度,以及它們兩兩之間的重合度。外部主光軸精度就是自準(zhǔn)直儀1的精度,由于自準(zhǔn)直儀自身精度很高,誤差可忽略不計(jì)。機(jī)械軸系和棱鏡視軸自身誤差為固有誤差。外部主光軸與機(jī)械軸系、外部主光軸與棱鏡視軸之間的重合度可調(diào),前者通過(guò)消像旋組件與自準(zhǔn)直儀1自準(zhǔn)調(diào)節(jié)、后者通過(guò)棱鏡的一維調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié),兩者的誤差為自準(zhǔn)直儀1與自準(zhǔn)直儀2的讀數(shù)誤差。

軸系精度±5.4″,棱鏡加工精度±5″,讀數(shù)誤差±4″。因此,光機(jī)總誤差為:

因此,該設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

5 光機(jī)裝調(diào)與精度檢測(cè)

5.1 軸系回轉(zhuǎn)精度檢測(cè)

根據(jù)GJB1801-93給出的測(cè)量?jī)A角回轉(zhuǎn)誤差的檢測(cè)方法,并結(jié)合3中所述的裝調(diào)與檢測(cè)方法,對(duì)機(jī)械軸系進(jìn)行精度檢測(cè)[6]。消像旋組件順時(shí)針與逆時(shí)針各旋轉(zhuǎn)一周,每隔30°記錄下偏角數(shù)據(jù),共計(jì)檢測(cè)26組數(shù)據(jù),結(jié)果如表1所示。

表1 軸系精度檢測(cè)數(shù)據(jù)

利用GJB1801-93給出的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)表1記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得出機(jī)械軸系的回轉(zhuǎn)誤差為±7.4″

5.2 光機(jī)裝調(diào)與光軸回轉(zhuǎn)精度檢測(cè)

根據(jù)3中所述的裝調(diào)與檢測(cè)方法,在自準(zhǔn)直儀2中觀察并記錄靶標(biāo)畫(huà)圓結(jié)果如圖4所示:圖中菱形點(diǎn)構(gòu)成的軌跡為棱鏡順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)靶標(biāo)記錄的軌跡；方形點(diǎn)構(gòu)成的軌跡為棱鏡逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)靶標(biāo)記錄的軌跡?？梢钥闯?兩次軌跡接近,畫(huà)圓規(guī)律相同。根據(jù)圖中軌跡的覆蓋的橫縱坐標(biāo)范圍可知光軸回轉(zhuǎn)誤差在±12″以內(nèi)。滿足系統(tǒng)±15″的指標(biāo)要求。

圖4 裝調(diào)結(jié)果

6 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)光機(jī)裝調(diào)后的消像旋組件,雖然機(jī)械軸系回轉(zhuǎn)誤差±7.4″與理論分析值±5.4″相比較有所超差。進(jìn)而也導(dǎo)致光軸回轉(zhuǎn)誤差±12″與理論分析值±9.3″相比較也有所超差,但是符合±15″的系統(tǒng)指標(biāo)要求。將消像旋組件裝入瞬時(shí)視場(chǎng)為32″的紅外熱像儀光學(xué)系統(tǒng)中,棱鏡旋轉(zhuǎn)一周,靶標(biāo)的抖動(dòng)量不超過(guò)一個(gè)像素。同時(shí)該消像旋組件也具有體積小、重量輕、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。裝配與光軸調(diào)試的流程與方法也比較簡(jiǎn)單,具有較強(qiáng)的可操作性?？傮w滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求,且應(yīng)用效果良好。