一種光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和振動(dòng)穩(wěn)定性研究

引言

近年來,光學(xué)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用,因此對(duì)光軸的準(zhǔn)直性和調(diào)節(jié)的便捷性以及使用的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的光軸調(diào)節(jié)方法通常為對(duì)光源直接進(jìn)行調(diào)整或通過帶楔角的楔形棱鏡進(jìn)行調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)原理復(fù)雜,光軸方向難以控制。因此,需要一款調(diào)節(jié)精度高、使用方便的光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu):考慮到實(shí)際使用環(huán)境的嚴(yán)酷性,此調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)還必須兼具可靠的振動(dòng)穩(wěn)定性。本文設(shè)計(jì)了一款光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),通過旋轉(zhuǎn)分度調(diào)節(jié)旋鈕,方便快捷地實(shí)現(xiàn)光軸X向、Y向的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)精度小于0.5mrad,通過調(diào)整彈簧彈力,能夠在各種條件下具備良好的振動(dòng)穩(wěn)定性,具有廣闊的應(yīng)用前景。

1光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有限元模型

1.1光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1、圖2、圖3所示,此光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由1一分度調(diào)節(jié)旋鈕、2一底座、3一彈簧壓圈、4一光源、5一調(diào)節(jié)鏡筒、6一透鏡、7一復(fù)位彈簧等組成。件4光源、件5調(diào)節(jié)鏡筒和件6透鏡構(gòu)成光學(xué)組件。光學(xué)組件安裝在件2底座內(nèi),件5調(diào)節(jié)鏡筒的斜面與件2底座的倒圓角相接觸構(gòu)成支點(diǎn)。件7復(fù)位彈簧安裝在件5調(diào)節(jié)鏡筒的凹槽內(nèi),與光學(xué)組件一起通過件3彈簧壓圈壓緊在底座內(nèi)。由于四根復(fù)位彈簧都分布在第四象限,因此產(chǎn)生指向第一象限的合力,推動(dòng)光學(xué)組件的光軸向第一象限傾斜,然后再通過旋轉(zhuǎn)件1分度調(diào)節(jié)旋鈕來對(duì)光學(xué)組件的光軸方向進(jìn)行回復(fù)和調(diào)整,以達(dá)到光軸X向、Y向調(diào)節(jié)的目的。

圖1光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)外觀圖

1.2有限元模型的建立

如圖4所示,將光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)三維模型劃分為網(wǎng)格模型,對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,去除對(duì)強(qiáng)度、剛度影響不大的細(xì)小特征。此外,模型還有許多附屬結(jié)構(gòu),對(duì)強(qiáng)度和剛度貢獻(xiàn)較小,對(duì)分析無影響,也進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對(duì)接觸面進(jìn)行網(wǎng)格控制,劃分后共有64037個(gè)節(jié)點(diǎn)、36582個(gè)單元。

圖2光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理圖

圖3光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)復(fù)位彈簧分布圖

圖4光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有限元模型

光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主體材料為6061鋁合金,材料機(jī)械性能參數(shù)如表1所示。

2計(jì)算求解分析

2.1調(diào)節(jié)精度計(jì)算

設(shè)計(jì)要求光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)精度為分度調(diào)節(jié)旋鈕每轉(zhuǎn)動(dòng)69,激光光軸偏轉(zhuǎn)≤0.5mrad。

光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過杠桿原理進(jìn)行光軸指向調(diào)節(jié),如圖5所示,調(diào)節(jié)旋鈕與支點(diǎn)位置距離為L(zhǎng),每移動(dòng)距離h,激光光軸相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度a計(jì)算公式為:

模型中支點(diǎn)與分度調(diào)節(jié)旋鈕的調(diào)節(jié)中心距離L=l4.5mm,調(diào)節(jié)旋鈕一周分為60格,每格對(duì)應(yīng)角度為6m,旋鈕的調(diào)節(jié)螺紋為M6×0.4細(xì)牙螺紋,每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈螺桿前進(jìn)0.4mm,那么每轉(zhuǎn)動(dòng)一格螺桿前進(jìn)距離h=0.4/60mm,經(jīng)過計(jì)算得出分度調(diào)節(jié)旋鈕每轉(zhuǎn)動(dòng)一格,也就是每轉(zhuǎn)動(dòng)6m,激光光軸相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)0.46mrad,滿足調(diào)節(jié)精度<0.5mrad的設(shè)計(jì)要求。

2.2彈簧彈力計(jì)算

如圖6所示,模型中X軸彈簧彈力為F1,y軸彈簧彈力為F2,中間兩根彈簧彈力分別為F3、F4,4根彈簧壓縮量相同,彈力大小相等。F1與F2合力為F5,F3與F4合力為F6,F5與F6方向相同,都斜指向第一象限。

彈簧簧絲直徑d=0.8mm,中徑D=4mm,有效圈數(shù)n=4,自由高度H0=9mm,彈簧材料為60si2Mn,材料機(jī)械性能參數(shù)如表2所示。

式中,k為彈簧剛度(N/mm):G為切變模量(MPa):C為旋繞比,C=D/d。

彈簧彈力:

式中,/為工作載荷下變形量(mm)。

經(jīng)計(jì)算k=15.8N/mm。

工作狀態(tài)1彈簧變形量為/=2.5mm,對(duì)應(yīng)彈簧彈力F=39.5N:

工作狀態(tài)2彈簧變形量為/=3.2mm,對(duì)應(yīng)彈簧彈力F=50.5N。

2.3靜力學(xué)分析及調(diào)節(jié)反作用力計(jì)算

采用有限元分析的方法對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析,并計(jì)算作用在分度調(diào)節(jié)旋鈕上的調(diào)節(jié)反作用力。

光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)底座上有四個(gè)安裝孔,通過螺釘固定到設(shè)備殼體內(nèi)部,因此對(duì)四個(gè)安裝孔施加固定約束。調(diào)節(jié)鏡筒的凹槽與彈簧壓圈之間定義四根剛度為15.8N/mm的彈簧,初始?jí)嚎s預(yù)緊力為39.5N(工作狀態(tài)1)。通過運(yùn)算得出最大應(yīng)力出現(xiàn)在調(diào)節(jié)鏡筒與分度調(diào)節(jié)旋鈕之間的接觸位置,最大等效應(yīng)力為19.7MPa,如圖7所示,遠(yuǎn)低于鋁合金屈服強(qiáng)度:同時(shí)可以得出作用在X向、y向調(diào)節(jié)旋鈕上的調(diào)節(jié)反作用力為53.7N。

圖7分度調(diào)節(jié)旋鈕應(yīng)力云圖

將彈簧壓縮預(yù)緊力調(diào)整為50.5N(工作狀態(tài)2),重復(fù)上述運(yùn)算,得出最大等效應(yīng)力為25MPa,如圖8所示,同樣遠(yuǎn)低于鋁合金屈服強(qiáng)度:同時(shí)可以得出作用在X向、y向調(diào)節(jié)旋鈕上的調(diào)節(jié)反作用力為68.7N。

圖8分度調(diào)節(jié)旋鈕應(yīng)力云圖

3試驗(yàn)與驗(yàn)證

此光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以應(yīng)用于如下三種使用環(huán)境:(1)直升機(jī)機(jī)載設(shè)備:(2)履帶車設(shè)備:(3)組合輪式車輛設(shè)備。要求在每一種使用環(huán)境下都能保證光軸指向穩(wěn)定,因此針對(duì)三種不同環(huán)境分別進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)以驗(yàn)證此調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)穩(wěn)定性。

3.1試驗(yàn)條件與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備為平行光管和振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)復(fù)位彈簧壓縮量設(shè)置為2.5mm,試驗(yàn)按照參考文獻(xiàn)《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分:振動(dòng)試驗(yàn)》(GJB150.16A一2009)進(jìn)行。

3.1.1直升機(jī)機(jī)載設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)譜特點(diǎn)如圖9所示。

按實(shí)際使用安裝方向即垂直軸向進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)參數(shù)詳見參考文獻(xiàn)附錄A.2.3.9,試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為30min。

3.1.2履帶車設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)譜特點(diǎn)如圖10所示。

按實(shí)際使用安裝方向即垂直軸向進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)參數(shù)詳見參考文獻(xiàn)附錄A.2.3.10,每個(gè)試驗(yàn)段12min,一共60min。

3.1.3組合輪式車輛設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)譜特點(diǎn)如圖11所示。

按實(shí)際使用安裝方向即垂直軸向進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)參數(shù)詳見參考文獻(xiàn)附錄A.2.3.10,試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為40min。

3.2試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化

每組振動(dòng)試驗(yàn)前對(duì)光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn),如圖12所示,使光斑的中心與平行光管十字分化的中心重合,試驗(yàn)前光斑位置如圖13所示。

試驗(yàn)結(jié)束后采集光斑位置進(jìn)行對(duì)比,振動(dòng)試驗(yàn)后得到光斑位置分別如圖14、圖15、圖16所示。

說明:平行光管的精度為0.04mrad,以下計(jì)算中,"+"表示向右/上偏移,"-"表示向左/下偏移。

3.2.1結(jié)果分析

直升機(jī)機(jī)載設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)和履帶車設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后,激光光路橫向與縱向均無偏移:組合輪式車輛設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后,激光光路縱向無偏移,橫向偏移-0.28mrad。

3.2.2參數(shù)優(yōu)化

將彈簧壓縮量從2.5mm調(diào)整到3.2mm,那么彈簧彈力從39.5N提高到50.5N,重復(fù)組合輪式車輛設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)后采集光斑位置。

試驗(yàn)前光斑位置如圖17所示,試驗(yàn)后光斑位置如圖18所示,激光光路橫向與縱向均無偏移。因此,可以得出增加彈簧彈力能夠提高光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)振動(dòng)穩(wěn)定性的結(jié)論。

4結(jié)論

（1）本文設(shè)計(jì)了一款光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),通過杠桿原理能夠快速簡(jiǎn)便地對(duì)光軸指向進(jìn)行x向、Y向的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)精度小于0.5mrad,滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）對(duì)光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)三種使用環(huán)境進(jìn)行了相應(yīng)的振動(dòng)試驗(yàn),并且通過彈簧壓縮量的調(diào)整,能夠提高光軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)穩(wěn)定性,滿足各種條件下的使用要求。