（北京遙感設(shè)備研究所，北京100854）

0 引言

光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡是采用光學(xué)成像原理進(jìn)行瞄準(zhǔn)及跟蹤等相關(guān)任務(wù)，與機(jī)械瞄準(zhǔn)鏡相比，光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡的定位更加準(zhǔn)確，且可以有效地削弱天氣對(duì)使用精度的影響。20世紀(jì)以來(lái)，隨著光學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡所應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，瞄準(zhǔn)鏡的種類(lèi)層出不窮，激光瞄準(zhǔn)鏡、紅外瞄準(zhǔn)鏡、熱成像瞄準(zhǔn)鏡產(chǎn)品等應(yīng)用于各類(lèi)航空航天及武器裝備中［1-2］。

航天領(lǐng)域特殊的工作環(huán)境會(huì)使光學(xué)元件的形狀及內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)其光學(xué)特性產(chǎn)生明顯的影響［3］。其中，對(duì)相對(duì)敏感光學(xué)來(lái)說(shuō)，應(yīng)力的控制（包括外部應(yīng)力與內(nèi)部應(yīng)力）對(duì)光學(xué)成像非常重要，本文針對(duì)航天用跟蹤設(shè)備的受力情況進(jìn)行進(jìn)一步研究［4-6］。

1 課題來(lái)源和設(shè)計(jì)裝配要求

1.1 課題來(lái)源與應(yīng)用背景

本課題來(lái)源于一種航天用跟瞄設(shè)備，與常用跟瞄設(shè)備相比，需要更高的裝調(diào)精度，光軸相對(duì)3處基準(zhǔn)面平行度誤差均小于10″，Y、Z向安裝精度高于±0.05mm，同時(shí)需要保證很高的光學(xué)像質(zhì)和穩(wěn)定性。

并且，面向航天應(yīng)用還需要滿(mǎn)足嚴(yán)格的可靠性、維修性和保障性要求。需要建立可靠性模型，依據(jù)GJB／Z299C及 GJB／Z108A進(jìn)行失效率統(tǒng)計(jì)，要求涵蓋相關(guān)的所有元器件；按照GJB／Z1391進(jìn)行故障模式、影響及危害度分析 （FMECA），找出系統(tǒng)中可靠性薄弱環(huán)節(jié)，并提出關(guān)鍵件和重要件。

另外，面向航天設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求是最需要重點(diǎn)考慮的方面。本產(chǎn)品需要通過(guò)氣密試驗(yàn)、溫度類(lèi)試驗(yàn)（高低溫試驗(yàn)、溫度沖擊試驗(yàn)、恒定濕熱等）、加速度試驗(yàn)、沖擊 （半正弦、沖擊響應(yīng)譜）、振動(dòng)（正弦、隨機(jī)）、公路運(yùn)輸?shù)却罅吭囼?yàn)驗(yàn)證，如圖1、圖2所示。

圖1 正弦沖擊譜線(xiàn)Fig.1 Sine impact line

圖2 隨機(jī)振動(dòng)譜線(xiàn)Fig.2 Random vibration line

這就要求本產(chǎn)品在各種溫度、力學(xué)沖擊過(guò)程中保持穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，不因?yàn)橥饨绛h(huán)境的影響，造成光學(xué)鏡組位置和應(yīng)力的變化。為簡(jiǎn)化復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，本文針對(duì)靜力下大過(guò)載、隨機(jī)振動(dòng)、整體模態(tài)強(qiáng)度3個(gè)典型力學(xué)條件對(duì)應(yīng)力的影響情況進(jìn)行討論。得出減小應(yīng)力影響的有效方法，從設(shè)計(jì)角度實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2 設(shè)計(jì)及裝配要求

根據(jù)項(xiàng)目要求，光軸偏移量不大于10″；調(diào)焦方式要求為手動(dòng)調(diào)焦，可以手動(dòng)調(diào)整焦距，焦距調(diào)整完成后能夠鎖定；要求進(jìn)行三防密封設(shè)計(jì)。根據(jù)以上要求，確定主體安裝形式為：鏡組1、鏡組2需安裝在同一高剛度鏡筒結(jié)構(gòu)，以保證精度。鏡組2需軸向可調(diào)，且需要將軸向平動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹芟蜣D(zhuǎn)動(dòng)。電子艙部分需要與前部鏡組剛性連接，且保證在振動(dòng)過(guò)程中對(duì)鏡組2的應(yīng)力影響盡可能小。鏡組安裝后，需通過(guò)安裝底座將精度傳遞到安裝位置3處基準(zhǔn)面上，進(jìn)行對(duì)接安裝。根據(jù)如上分析，具體組合形式如圖3所示。

圖3 組合形式結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Assembly drawing

由安裝形式可以很容易得出：

其中，αa為鏡組1和鏡組2的徑向跳動(dòng)所引起的光軸偏轉(zhuǎn)量，αb為鏡組2整體偏轉(zhuǎn)所帶來(lái)的光軸偏轉(zhuǎn)量，αc為鏡組2鏡片安裝時(shí)所帶來(lái)的光軸偏轉(zhuǎn)量，τ1為鏡組1徑向跳動(dòng)量，τ2為鏡組2徑向跳動(dòng)量，τ3為驅(qū)動(dòng)螺紋單邊公差所帶來(lái)的偏移，S為兩組鏡組的距離，B為二驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)最遠(yuǎn)端距離，C為鏡組2整體寬度。

綜上，由計(jì)算可得，調(diào)整裝配時(shí)應(yīng)先控制大鏡為基準(zhǔn)進(jìn)行注膠固定，可去除鏡組1跳動(dòng)所帶來(lái)的影響，但是由于鏡組2需要軸向可調(diào)，不可避免地存在跳動(dòng)。所以，此處公差設(shè)為0.01且有嚴(yán)格的同軸度和平行度要求，且為了保證順利裝配需表面光潔度較高。具體公差設(shè)計(jì)本文不做詳細(xì)討論，前鏡筒加工方案如圖4所示。

圖4 前鏡筒加工方案Fig.4 Drawing of the former lens

由此可見(jiàn)：

1）由于精度要求最高，鏡組2與前鏡筒零件的裝配很容易引入裝配應(yīng)力。

2）由于使用時(shí)也需要在此處手動(dòng)調(diào)焦，且需要將周向的手輪轉(zhuǎn)動(dòng)力作為驅(qū)動(dòng)力將鏡組2兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)推動(dòng)，二者速度不一致的情況下帶來(lái)的外部應(yīng)力也對(duì)光學(xué)影響很大。

3）前鏡筒與后鏡筒之間的連接需要很高剛度，需要兩處螺紋連接（圖4中2×M3處），在振動(dòng)條件下也容易造成鏡組2的應(yīng)力變化，影響像質(zhì)。

4）鏡組2是通過(guò)光學(xué)鏡片與小鏡筒配合后作為整體進(jìn)行安裝的，作為精度影響最大位置，其本身的裝配過(guò)程也是十分重要的，且很容易引入裝配應(yīng)力。

針對(duì)以上4處應(yīng)力關(guān)鍵區(qū)域，本文提出了一種周向均勻應(yīng)力抱死的固定安裝方式，并設(shè)計(jì)一種螺釘旋緊周向均勻應(yīng)力工裝進(jìn)行應(yīng)力的去除，保證光學(xué)像質(zhì)在試驗(yàn)和使用過(guò)程中不發(fā)生惡化。

2 應(yīng)力消除

在航天產(chǎn)品中，應(yīng)力主要來(lái)源于3個(gè)方面：加工應(yīng)力、裝配應(yīng)力和外部環(huán)境應(yīng)力。其中，加工應(yīng)力相對(duì)獨(dú)立，是由材料本身的性質(zhì)和加工工藝所共同決定的，與其他二者關(guān)系較小。但是需要注意的是，一定要利用時(shí)效處理和振動(dòng)去應(yīng)力等工藝方法，對(duì)加工后的殘余應(yīng)力進(jìn)行去除。不然在裝配和使用過(guò)程中，加工應(yīng)力釋放對(duì)產(chǎn)品性質(zhì)有很大的影響。

裝配應(yīng)力和外部環(huán)境應(yīng)力，經(jīng)過(guò)本文分析研究，是有著一定關(guān)系的。單獨(dú)考慮裝配應(yīng)力的情況下，從理論上來(lái)講，裝配應(yīng)力越小對(duì)產(chǎn)品影響越小。但是在應(yīng)力無(wú)法全部去除的情況下，此應(yīng)力的均勻性十分重要。應(yīng)力越均勻，對(duì)光學(xué)像質(zhì)來(lái)講產(chǎn)生的影響光學(xué)的微形變?cè)叫?，?duì)像質(zhì)的影響越小。當(dāng)然這是針對(duì)最常見(jiàn)的圓柱形光學(xué)鏡片而言，本文所討論的鏡組皆為此種圓柱形光學(xué)鏡片。除單獨(dú)考慮裝配應(yīng)力以外，實(shí)際情況中需要考慮外部環(huán)境應(yīng)力的影響。本文經(jīng)過(guò)有限元分析得出，在裝配過(guò)程中人為引入一合適的的預(yù)應(yīng)力，均勻的周向裝配應(yīng)力不僅對(duì)像質(zhì)沒(méi)有影響，反而能抵御外部環(huán)境應(yīng)力對(duì)光學(xué)像質(zhì)的影響。

2.1 加工應(yīng)力消除

加工過(guò)程中要先進(jìn)行粗加工，再進(jìn)行精加工，每次去除量不宜過(guò)大，一般根據(jù)光學(xué)對(duì)應(yīng)力的敏感度不同確定加工工序。越敏感，每次精加工去除量盡可能越小，減小應(yīng)力殘余。并且根據(jù)不同情況，利用時(shí)效處理和振動(dòng)去應(yīng)力等工藝方法，對(duì)加工應(yīng)力進(jìn)行去除。另外，材料的選取方面，除了注意材料本身性質(zhì)，還需要考慮原材料本身的形狀要與最后成型形狀接近，以減小去除量過(guò)大和不均勻帶來(lái)的加工應(yīng)力和材料鍛造方向與使用時(shí)敏感方向差異帶來(lái)的應(yīng)力不均衡。

2.2 裝配應(yīng)力消除

裝配應(yīng)力的消除是光學(xué)裝配的重點(diǎn)，直接影響最后的光學(xué)像質(zhì)和產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。依據(jù)1.2節(jié)可知，裝配形式根據(jù)其性能要求和公差鏈?zhǔn)崂砜梢曰敬_定。裝配應(yīng)力的消除主要是在此基礎(chǔ)上，減小以下4方面的應(yīng)力：鏡組2與前鏡筒零件的裝配應(yīng)力、前鏡筒與后鏡筒兩處連接螺釘在周向過(guò)載沖擊情況下的應(yīng)力、鏡組2本身的裝配應(yīng)力以及手動(dòng)調(diào)焦所引入的應(yīng)力。

針對(duì)前兩種應(yīng)力形成因素，通過(guò)有限元模擬對(duì)比，本文采用了周向均勻應(yīng)力抱死的固定方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)法蘭螺釘固定方式，如圖5所示。

圖5 周向抱死連接方式示意圖Fig.5 Diagram of all tightened mode

經(jīng)過(guò)應(yīng)力分析，這種安裝方式相對(duì)于傳統(tǒng)的法蘭螺釘固定方式，提供了更均勻的周向與軸向應(yīng)力分布。且由于軸向支撐作用距離較長(zhǎng)，有效地減小了上文所提到的前鏡筒與后鏡筒兩處連接螺釘在周向過(guò)載沖擊情況下的應(yīng)力。且由于其整體剛度的提升，前鏡筒上與鏡組2相對(duì)接的薄壁部分也會(huì)承受更小的加載，減小鏡組2所受應(yīng)力，并保證鏡組2在軸向的順暢移動(dòng)和最小的徑向跳動(dòng)。

利用環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)所要求的徑向過(guò)載進(jìn)行有限元分析，可以發(fā)現(xiàn)此方法相對(duì)傳統(tǒng)的周向法蘭螺釘固定，在鏡組2鏡片的應(yīng)力方面有大幅度減小，整體的最大應(yīng)變也大量減小。計(jì)算對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩種安裝方式鏡片應(yīng)力對(duì)比圖Fig.6 Stress contrast diagram of lens

改動(dòng)后的方式光學(xué)敏感面的應(yīng)力分布更為均勻，而且應(yīng)力最大處由15MPa減小到3MPa，減小了80%的最大應(yīng)力，可見(jiàn)對(duì)光學(xué)鏡組有很良好的應(yīng)力減小作用。

整體的最大應(yīng)力也從107MPa減小為24MPa，減小78%。而且與法蘭連接方案相比，最大應(yīng)力處與鏡組敏感部位相隔離，對(duì)光學(xué)鏡片產(chǎn)生的應(yīng)力極小，有效地提高了光學(xué)像質(zhì)。具體應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 兩種安裝方式整體應(yīng)力對(duì)比圖Fig.7 Stress contrast diagram of assembling

同樣的，減小鏡組2的安裝應(yīng)力也是重要環(huán)節(jié)。用同樣的原理——減小裝配過(guò)程中應(yīng)力的不均勻性，來(lái)達(dá)到減小裝配應(yīng)力殘余的目的。為此，設(shè)計(jì)了一種雙層螺紋壓緊、周向抱緊的調(diào)試工裝，如圖8所示。

圖8 調(diào)試工裝Fig.8 Setting tools

工裝通過(guò)內(nèi)層開(kāi)章魚(yú)爪狀溝槽，來(lái)實(shí)現(xiàn)周向均勻抱緊的目的，通過(guò)外層均勻壓緊工裝提供抱緊力，周向通過(guò)8個(gè)螺紋孔固定外層工裝。其中，內(nèi)層工裝的壓緊程度通過(guò)其根部的剛度設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整到力度適中。通過(guò)此工裝，可以達(dá)到在裝配鏡組2的過(guò)程中裝配應(yīng)力最小的目的。經(jīng)過(guò)計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用，效果良好，相對(duì)于從前的調(diào)試裝配過(guò)程過(guò)程簡(jiǎn)單，且成功率更高。

另外需要提到的是，通過(guò)這種周向抱死的連接方式，天然提供了前鏡筒與后鏡筒、手輪、阻尼墊片等組件連接時(shí)的導(dǎo)向槽，可以在高精度連接過(guò)程中不再需要人工定心夾持、對(duì)心等工作。通過(guò)周向抱死的連接槽可以直接輕松推入，在減小工作量的同時(shí)也減小了對(duì)插過(guò)程中可能帶來(lái)的裝配應(yīng)力。

2.3 抵抗外部環(huán)境應(yīng)力

除了裝配應(yīng)力外，另外一個(gè)影響光學(xué)像質(zhì)的主要因素就是外部環(huán)境應(yīng)力，而外部環(huán)境應(yīng)力本身是初始條件，無(wú)法改變。能做的就是通過(guò)控制裝配時(shí)的預(yù)應(yīng)力，來(lái)達(dá)到提高產(chǎn)品整體剛度，減小鏡片跳動(dòng)量，從而達(dá)到更好的抵抗外部環(huán)境應(yīng)力的目的。通過(guò)有限元模擬與實(shí)際試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，用周向抱緊方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的法蘭連接方式，在提高整體結(jié)構(gòu)剛度、抵抗外部環(huán)境應(yīng)力方面也有很大的作用。圖9為有限元隨機(jī)振動(dòng)分析，采用統(tǒng)一的約束方式與振動(dòng)量級(jí)。可以看到，周向均勻抱死相對(duì)于法蘭連接，振動(dòng)放大部位更靠近高頻，振幅更小，且從單峰變?yōu)殡p峰，有效減少了振動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力的集中。

另外，通過(guò)二者的模態(tài)結(jié)果對(duì)比，也可以明顯地看出，周向均勻抱死的剛度有明顯提升，如表1、表2所示。

圖9 隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison results of random vibration

表1 前6階模態(tài)對(duì)比表Table 1 Correlation table of six lowest order modal

表2 結(jié)果對(duì)比表Table 2 Results of comparison

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)加工應(yīng)力、裝配應(yīng)力與外部環(huán)境應(yīng)力3種應(yīng)力之間的關(guān)系進(jìn)行討論與研究，通過(guò)有限元結(jié)合試驗(yàn)的方法，提出了周向均勻抱死的連接方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的法蘭連接方式。設(shè)計(jì)了基于此原理的裝調(diào)工裝，有效減小了裝調(diào)過(guò)程中的各種應(yīng)力，并有效提高了對(duì)外部環(huán)境應(yīng)力的抵御能力。通過(guò)有限元方法，從沖擊過(guò)載、隨機(jī)振動(dòng)、模態(tài)分析3個(gè)方面入手，結(jié)合試驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行了探究與驗(yàn)證，證明方法有效可行。

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