量化分析技術在光機裝調(diào)工藝中的應用

左曉舟，張　燕，楊海成，惠剛陽，王章利，姜　峰

(西安應用光學研究所，陜西 西安 710065)

量化分析技術在光機裝調(diào)工藝中的應用

左曉舟，張燕，楊海成，惠剛陽，王章利，姜峰

(西安應用光學研究所，陜西 西安 710065)

摘要：介紹了一種定量、直觀、高效的光機裝調(diào)工藝技術思路——量化分析技術，提出了量化分析技術在光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)光機裝調(diào)工藝過程中的作用。通過多個詳實的例子，介紹了量化分析技術在光機裝調(diào)過程中的應用基礎、分析過程和反饋指導等環(huán)節(jié)，并給出了利用量化分析得到的裝調(diào)結(jié)果，即相比傳統(tǒng)工藝，量化分析技術可以明顯提高光電穩(wěn)瞄產(chǎn)品光機裝調(diào)的精度與裝調(diào)效率。最后，對量化分析技術的推廣應用進行了思考，旨在提升光電穩(wěn)瞄產(chǎn)品的試制生產(chǎn)質(zhì)量與效率。

關鍵詞：光機裝調(diào)工藝；量化分析；計算模擬

光機裝調(diào)是光電穩(wěn)瞄產(chǎn)品研制和生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)之一，它直接影響著光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)的精度與可靠性，并決定著產(chǎn)品的試制生產(chǎn)效率與周期[1]；因此可以說， 對光機裝調(diào)工藝過程的優(yōu)化控制就是對產(chǎn)品質(zhì)量與成本的改進。目前，光機裝調(diào)工藝仍然處于定性分析的階段，經(jīng)驗因素在裝調(diào)過程中占主導地位，由此帶來了大量的不確定性與反復工作，嚴重制約著光電穩(wěn)瞄產(chǎn)品的精益制造發(fā)展需求。本文介紹了一種新的光機裝調(diào)工藝思路——量化分析技術，通過對該技術手段在光電穩(wěn)瞄產(chǎn)品光機裝調(diào)過程中的應用，可將原先的定性分析過程改進為定量分析，在提升產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的同時，大幅提高產(chǎn)品試制生產(chǎn)效率。

1量化分析的涵義

量化分析技術屬于光機裝調(diào)工藝技術，是指借助軟件模擬和公式推導等手段，對產(chǎn)品的一些典型技術指標進行定量分析與計算的方法。該方法以數(shù)據(jù)的形式對光機裝調(diào)過程進行技術性的指導，從而使裝調(diào)過程高效、準確，避免經(jīng)驗性及盲目性操作。下述列出了一些量化分析技術在光機裝調(diào)中的應用實例。

2量化分析應用舉例

2.1利用設計與分析軟件進行量化分析

2.1.1光電轉(zhuǎn)臺正交性的裝調(diào)分析

光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)臺通常對瞄準線正交性有著較高的要求，通常在整機集成過程中采用修墊方位機構與俯仰機構連接面的工藝方法，對整機正交性進行控制[2]，該方法需要依靠一定的經(jīng)驗因素且無法正確修正瞄準視軸誤差，會帶來較多的反復工作，由于光電轉(zhuǎn)臺方位機構與俯仰機構的尺寸與質(zhì)量較大，因此會給操作帶來很大的困難。

對影響正交性誤差的因素進行量化分析，得到產(chǎn)生瞄準線正交性誤差的原因：1)正交性調(diào)試檢測中架設產(chǎn)品時方位軸的鉛垂度；2)方位軸與俯仰軸的垂直度；3)瞄準軸與俯仰軸的垂直度。通過三維設計軟件可以分析模擬各種情況下的正交性誤差模型，直觀地得出瞄準軸的掃掠軌跡，以此反饋指導實際情況，確定產(chǎn)品實際的正確裝調(diào)環(huán)節(jié)與調(diào)整量。方位軸與俯仰軸的垂直度誤差模擬圖如圖1所示，瞄準軸與俯仰軸的垂直度誤差模擬圖如圖2所示。

圖1　方位軸與俯仰軸的垂直度誤差模擬圖

圖2　瞄準軸與俯仰軸的垂直度誤差模擬圖

2.1.2光學系統(tǒng)焦距與像質(zhì)裝調(diào)

焦距和成像質(zhì)量都是光學系統(tǒng)的重要指標，根據(jù)系統(tǒng)中各透鏡的材料、面型、中心厚度以及光學間隔來決定。裝調(diào)時如果焦距超差，則首先測量光學間隔，保證其滿足圖樣尺寸要求；但有時即使光學間隔滿足圖樣要求，焦距值也不一定符合設計要求，同時系統(tǒng)分辨率也無法達標。在單透鏡的中心厚與面型精度均合格的情況下，需要人工調(diào)整光學間隔，使焦距滿足圖樣要求，然后檢查像質(zhì)。

為避免光學間隔調(diào)整的盲目性，可以借助Zemax和CODE V等光學設計軟件模擬電視光學系統(tǒng)，在軟件中代入各單透鏡的中心厚度以及面型精度的實測值，然后改變各光學間隔值，得出各光學間隔對焦距影響的權重以及光學間隔的改變量與焦距值變化的關系；同時，利用MTF曲線或點列圖等像質(zhì)評價方法分析光學間隔改變對系統(tǒng)成像質(zhì)量帶來的影響，從而指導操作人員定向、定量地改變光學間隔，以此提高光學系統(tǒng)性能與裝調(diào)效率。

2.1.3兩軸四框架結(jié)構的輕質(zhì)、精準配平

兩軸四框架結(jié)構是機載光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)的典型結(jié)構，其光機裝調(diào)內(nèi)環(huán)系統(tǒng)的精密配平是影響光電系統(tǒng)穩(wěn)瞄精度的重要因素。傳統(tǒng)配平工藝的配平操作主要依靠操作者的手感及經(jīng)驗，質(zhì)心位置確定依靠操作者的觀察與估測，配平塊位置的確定依靠摸索試驗，俯仰與方位配平交叉影響，過程繁瑣，生產(chǎn)效率低，操作隨機誤差大，配平精度低，且因配平方法不當可導致機載吊倉內(nèi)環(huán)系統(tǒng)質(zhì)量增加嚴重，不但難以實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化要求，反而制約系統(tǒng)的工作性能。

為了達到高效、輕質(zhì)和精準配平的目的，提高穩(wěn)瞄系統(tǒng)穩(wěn)定精度，減輕產(chǎn)品配平質(zhì)量，也可采取量化分析技術。首先，根據(jù)經(jīng)典力學原理推導出質(zhì)心計算及精準配平的原理式；然后，在工藝中引入數(shù)字建模分析手段，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構尺寸，通過三維軟件建模的方式，模擬實際產(chǎn)品的質(zhì)心偏移狀態(tài)，在計算機上實現(xiàn)模擬配平并反饋指導實際操作。模擬配平過程中，對于配平位置及配重的計算，采用兼顧、補償?shù)脑瓌t，將光具座組件的質(zhì)心位置調(diào)整到內(nèi)方位軸上，與內(nèi)萬向架在z軸方向的質(zhì)心偏移相補償，達到輕質(zhì)配平的目的。兩軸四框架配平模型圖如圖3所示。

圖3　兩軸四框架配平模型圖

2.2利用光學原理與公式進行量化分析

2.2.1電視成像系統(tǒng)定焦面

所謂電視系統(tǒng)定焦面就是將CCD器件準確地置于電視光學系統(tǒng)的后焦面上，使電視系統(tǒng)對平行光管提供的無窮遠目標清晰成像。傳統(tǒng)裝調(diào)工藝方法是將電視系統(tǒng)置于平行光管前，通過調(diào)整CCD器件的軸向位置，使其對平行光管分劃板成清晰像，然后測量CCD的軸向位移量δ′，即為其所需的調(diào)整量。該工藝方法會受CCD器件裝配型式以及結(jié)構的限制，從而帶來較大的測量誤差，甚至難以實現(xiàn)。定焦面光學示意圖如圖4所示。

圖4　定焦面光學示意圖

應用量化分析技術，改變工藝流程，通過調(diào)整平行光管分劃板的軸向位置，使其分劃清晰地成像于監(jiān)視器上，然后根據(jù)平行光管分劃板的軸向位移量δ′，計算確定電視CCD器件的調(diào)整量δ，從而準確給出CCD墊片的修墊量。

設測試用平行光管的焦距為f′，被測電視光學系統(tǒng)的焦距為f，則：

式中，“-”號表示兩者方向相反，即如果平行光管分劃板遠離平行光管物鏡，則電視CCD應靠近電視物鏡系統(tǒng)，反之亦然。

2.2.2可見光望遠系統(tǒng)視差的裝調(diào)與檢測

可見光望遠系統(tǒng)的物鏡組件往往要求將分劃板置于其物鏡的后焦面上，否則會對觀瞄系統(tǒng)帶來視差，存在視差的望遠觀瞄系統(tǒng)使觀察者無法同時看清觀測目標與瞄準分劃十字，嚴重影響觀測精度[3]。視差可用線視差b與角視差ε 2種方式進行表示，所謂視差的裝調(diào)就是確定分劃板偏離焦面的軸向位置量，即線視差b，然后修墊隔圈進行保證，對此過程的量化分析與電視系統(tǒng)定焦面相同。

對于視差的檢測，通常用角視差ε來度量。檢測時將產(chǎn)品置于測試用平行光管前，觀察者在產(chǎn)品目鏡處觀察，通過調(diào)整平行光管分劃板的軸向位置，使產(chǎn)品物鏡分劃與平行光管分劃同時清晰成像，然后根據(jù)平行光管分劃板的軸向位移量δ′計算角視差ε。

設測試用平行光管的焦距為f′，產(chǎn)品望遠系統(tǒng)的放大率為Γ，望遠系統(tǒng)的出瞳直徑為D，則：

2.2.3光學定中心時球心像位置的確定

在利用反射法進行光學組件的定心切削與定心裝調(diào)時，需要正確定位光學系統(tǒng)中各表面的球心自準像，并將其劃圈調(diào)至指標范圍內(nèi)[4]。通常的找像方法是改變自準直管的焦距或移動自準直管的位置，在較大范圍內(nèi)對球心反射像進行搜尋，如果光學系統(tǒng)僅僅是單透鏡或膠合透鏡，該方法還可行，但如果光學系統(tǒng)含有2片以上的透鏡單元，則此方法根本無法區(qū)分全范圍內(nèi)的諸多反射像。多球面球心反射像光學原理圖如圖5所示。

圖5　多球面球心反射像光學原理圖

根據(jù)該遞推方程組，開發(fā)編制了球心反射像計算程序，技術人員只需輸入已知的光學參數(shù)，便可方便快速地計算出任意鏡面的球心反射像位置并反饋給操作人員，從而大幅度提高了定心調(diào)試的效率，取得了很好的效果。

3裝調(diào)結(jié)果

量化分析與傳統(tǒng)工藝裝調(diào)結(jié)果對比見表1。從表1可以看出，利用量化分析對光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)光機裝調(diào)工藝過程進行優(yōu)化，可以顯著提高裝調(diào)精度與裝調(diào)效率。

表1　量化分析與傳統(tǒng)工藝裝調(diào)結(jié)果對比

4結(jié)語

量化分析技術可以對光機裝調(diào)過程提供客觀、準確和定量的技術支持，其他一些典型的光機裝調(diào)工藝過程，如光機裝配應力分析、高低溫下產(chǎn)品的形變、構件承受載荷與其緊固螺釘?shù)臄Q緊力矩等也都可以運用量化分析技術。量化分析要求技術人員具備扎實的光學和機械專業(yè)知識，較強的分析、思考能力以及設計分析軟件的運用能力。為了滿足光電穩(wěn)瞄產(chǎn)品的精益制造發(fā)展需求，應該從上述幾個方面提升技術水平，提高運用量化分析解決技術問題的意識，將量化分析能力融會貫通并加以推廣，使其可以貫穿整個試制生產(chǎn)過程的始終。

參考文獻

[1] 姜峰.光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)裝調(diào)的關鍵技術[J].應用光學，2007，28(2)：156-158.

[2] 劉愈銘.光學儀器設計生產(chǎn)與裝配、檢校及光學冷加工新工藝新技術、質(zhì)量檢驗標準規(guī)范實務全書[M].北京：北方工業(yè)出版社,2006.

[3] 《計量測試技術手冊》編輯委員會.計量測試技術手冊 第10卷：光學[M].北京：中國計量出版社,1997.

[4] 張泉，羅勁峰.反射式光學系統(tǒng)中心偏的測量[J].光學儀器，2008，30(5)：6-7.

責任編輯李思文

Application of Quantitative Analysis in Mech-optic Assembly and Alignment

ZUO Xiaozhou, ZHANG Yan, YANG Haicheng, HUI Gangyang,WANG Zhangli, JIANG Feng

(Xi’an Institute of Applied Optics, Xi’an 710065,China)

Abstract:The paper introduced a quantitative, measurable and efficient technique for assembly and alignment of a mech-optic quantitative analysis. The paper defined the meaning of quantitative analysis in the assembly and alignment process of stabilized electro-optical sight system. By giving several specific instances, the general application, procedure analysis, feedback indicators, as well as the performance of quantitative analysis method were introduced, that is compared with traditional technics, quantitative analysis can improve precision and efficiency of stabilized electro-optical sight system aiming at improving the production quality and efficiency of stabilized electro-optical sight product, the paper also discussed the popularization of the technique.

Key words:mech-optic alignment technics, quantitative analysis, calculate and simulate

收稿日期：2014-04-29

作者簡介：左曉舟(1985-)，男，工程師，碩士，主要從事光電儀器光機裝調(diào)工藝等方面的研究。

中圖分類號：TN 205

文獻標志碼：B