一種長(zhǎng)焦大變倍連續(xù)變焦光機(jī)組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝調(diào)

徐明軒,石 彰,潘 棟,胡建飛

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

隨著紅外光電系統(tǒng)的不斷發(fā)展,對(duì)紅外熱像儀的各方面性能也在日益提高,產(chǎn)品逐漸向輕量化、模塊化發(fā)展,同時(shí)也要滿足作用距離、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等要求。紅外熱像儀通常采用多視場(chǎng)的光機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),通過視場(chǎng)之間的切換實(shí)現(xiàn)紅外熱像儀在不同使用條件下需求,如大范圍目標(biāo)搜索、目標(biāo)跟蹤識(shí)別等[1-3]。在多視場(chǎng)結(jié)構(gòu)熱像儀中,連續(xù)變焦結(jié)構(gòu)的熱像儀以其焦距連續(xù)、不易丟失目標(biāo)的優(yōu)勢(shì)在軍事和民用領(lǐng)域上占有重要位置。由于連續(xù)變焦結(jié)構(gòu)的光機(jī)特點(diǎn),變倍鏡和補(bǔ)償鏡需要按照給定的光學(xué)曲線在軸向進(jìn)行反復(fù)移動(dòng)。在傳統(tǒng)凸輪和導(dǎo)桿形式的變焦結(jié)構(gòu)中,光軸穩(wěn)定性大多是依靠機(jī)械加工精度保證,在變焦過程中,零件之間的配合間隙會(huì)產(chǎn)生光軸的抖動(dòng)甚至卡死,且間隙無法消除。同時(shí),傳統(tǒng)的變焦結(jié)構(gòu)缺少有效的光機(jī)裝調(diào)方案,加大了光軸一致性的裝調(diào)難度。以上問題在長(zhǎng)焦距大變倍比的連續(xù)變焦紅外熱像儀中更加突出。本文提供了一種連續(xù)變焦紅外熱像儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝調(diào)方法,在保證圖像清晰的前提下,能夠明顯改善紅外熱像儀在連續(xù)變焦過程中的光軸晃動(dòng),提高紅外熱像儀的光軸一致性和光軸穩(wěn)定性,控制焦距精度,降低整機(jī)裝調(diào)難度。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

某型連續(xù)變焦紅外熱像儀由物鏡組件、連續(xù)變焦組件、反射鏡組件、探測(cè)器組件、主框架等零部件組成,其中連續(xù)變焦組件的設(shè)計(jì)及裝調(diào)方案直接影響整機(jī)的光軸一致性、光軸穩(wěn)定性及成像質(zhì)量。

2.2 連續(xù)變焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連續(xù)變焦組件分為變倍組件和補(bǔ)償組件,兩者設(shè)計(jì)及裝調(diào)思路相似。以變倍組件為例,如圖1所示,主要由變倍基板、直線導(dǎo)軌(成對(duì)使用)、直線電機(jī)、視場(chǎng)鏡框、變倍鏡座、等零件組成。

圖1 變倍組件Fig.1 Zoom assembly

組件結(jié)構(gòu)形式采用雙導(dǎo)軌設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)形式更加穩(wěn)定,兩條直線導(dǎo)軌安裝在變倍基板上,直線電機(jī)布置在兩導(dǎo)軌中間位置,電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸線在水平方向位置與載荷重心位置一致,有效改善鏡片軸向移動(dòng)時(shí)因?qū)к壓突瑝K之間的間隙產(chǎn)生的位移,避免運(yùn)動(dòng)部件受力不均,從而保證光軸一致性指標(biāo)并大幅降低光軸的晃動(dòng)量,保證圖像在連續(xù)變焦過程中穩(wěn)定清晰。變倍鏡座和視場(chǎng)鏡框之間設(shè)計(jì)微調(diào)機(jī)構(gòu),用于整機(jī)裝調(diào)中調(diào)節(jié)變倍鏡的角度和方位。

直線導(dǎo)軌是連續(xù)變焦結(jié)構(gòu)中重要零件之一,其選型也決定了紅外熱像儀光軸指標(biāo)的精度。影響導(dǎo)軌選型的因素包括承受載荷的大小、紅外熱像儀的體積重量、紅外熱像儀的使用環(huán)境、光學(xué)鏡片的位置和變倍鏡補(bǔ)償鏡的移動(dòng)位移等。本結(jié)構(gòu)中作用在導(dǎo)軌上的載荷為0.2 kg≈1.96×10-3kN,變倍鏡和補(bǔ)償鏡移動(dòng)位移分別為140 mm和90 mm,熱像儀使用環(huán)境-45～65 ℃。

根據(jù)紅外熱像儀指標(biāo)要求,結(jié)合熱像儀的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù),確定選用THK廠家的HSR 12RM型號(hào)導(dǎo)軌,如圖2所示,導(dǎo)軌基本額定靜載荷C0=8.53 kN,基本額定動(dòng)載荷C=4.7 kN,滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

圖2 導(dǎo)軌示意圖Fig.2 Schematic diagram of guide rail

此型號(hào)導(dǎo)軌特性有:

a)4方向等負(fù)荷:滑塊各鋼球列按接觸角45°配置,無論何種姿勢(shì)都可以使用,滑塊上的4個(gè)作用方向均具有相同的額定載荷；

b)高剛性:鋼球采用良好平衡性的4列排列,能施加充分的預(yù)壓,容易提升4個(gè)方向的剛性。

c)自動(dòng)調(diào)心能力:獨(dú)特的圓弧溝槽設(shè)計(jì),具有自動(dòng)調(diào)心能力,能夠吸收安裝誤差,從而得到高精度,平滑穩(wěn)定的直線運(yùn)動(dòng)。

d)耐久性高不易磨損。

選擇好導(dǎo)軌型號(hào)后確定導(dǎo)軌的精度,考慮到熱像儀工作狀態(tài)下連續(xù)變焦經(jīng)常的往復(fù)運(yùn)動(dòng)可能產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng),所以徑向間隙選用輕預(yù)壓(C1),其徑向間隙為-6～-2 μm,可提高壽命和精度。精度等級(jí)選擇精密級(jí)(P),在導(dǎo)軌長(zhǎng)度80～200 mm內(nèi),行走平行度2 μm,如圖3所示,高度M的容許尺寸公差±0.015 mm,高度M的成組相互公差≤0.005 mm,寬度W2的容許尺寸公差±0.01 mm,寬度W2的成組相互公差≤0.006 mm,如圖3、4所示[4]。本結(jié)構(gòu)采用雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式,導(dǎo)軌成組使用。

圖3 導(dǎo)軌行走平行度Fig.3 Guide rail running parallelism

圖4 導(dǎo)軌精度規(guī)格Fig.4 Guide rail accuracy specification

變焦過程中導(dǎo)軌最大偏差為δ=2 μm,變倍鏡移動(dòng)位移L1=140 mm,補(bǔ)償鏡移動(dòng)位移L2=90 mm。根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)的要求,變倍鏡和補(bǔ)償鏡的光機(jī)不同軸誤差分別為1′和0.8′,通過公式可得變焦過程中由于直線導(dǎo)軌和滑塊之間的偏差產(chǎn)生的變倍鏡和補(bǔ)償鏡最大偏角分別為2.9″和4.6″,導(dǎo)軌選型結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

2.3 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

1)基于長(zhǎng)焦大變倍的雙導(dǎo)軌連續(xù)變焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)形式穩(wěn)定,加工容易、加工成本低,通用性強(qiáng)。能夠大幅降低光軸的晃動(dòng)量,保證圖像穩(wěn)定清晰；

2)整機(jī)高度組件化設(shè)計(jì),嚴(yán)格控制系統(tǒng)誤差,提高光軸一致性指標(biāo),保證熱像儀視場(chǎng)范圍；

3)優(yōu)化連續(xù)變焦組件光機(jī)裝調(diào)工藝方法和整機(jī)裝調(diào)方法,降低光軸一致性調(diào)試難度。

3 連續(xù)變焦結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真

為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果合理性,需要通過ANSYS Workbench對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,用以分析在實(shí)際工作狀態(tài)下,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏡座沿導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),鏡座的抖動(dòng)及變形對(duì)光學(xué)鏡片的影響。

ANSYS設(shè)計(jì)流程包括,模型簡(jiǎn)化、材料設(shè)置、接觸設(shè)置、網(wǎng)格劃分、約束和載荷施加、得出仿真分析結(jié)果(包括總體變形、鏡面變形和應(yīng)力情況)[5]

3.1 簡(jiǎn)化模型

以變倍組件為例,將三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中,將步進(jìn)電機(jī)控制參數(shù)輸入到分析軟件中,并運(yùn)用前處理軟件SpaceClaim,按照簡(jiǎn)化后不影響力學(xué)性能的原則對(duì)模型進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化,如圖5所示:

①去掉結(jié)構(gòu)件的圓角、倒角及無關(guān)緊要的螺紋孔；

②不規(guī)則形狀簡(jiǎn)化為規(guī)則形狀；

圖5 變倍組件簡(jiǎn)化模型Fig.5 Simplified model of zoom assembly

3.2 零件材質(zhì)選擇

在劃分網(wǎng)格之前需要對(duì)零件的材料屬性進(jìn)行設(shè)置,其中導(dǎo)軌和導(dǎo)軌滑塊為40Cr鋼,鏡片為ZnSe,其余結(jié)構(gòu)為2A12鋁合金,各材料屬性如表1所示。

表1 零件材料屬性Tab.1 Part material properties

3.3 接觸設(shè)置

ANSYS共有5種接觸類型,分別為綁定接觸、不分離接觸、無摩擦接觸、粗糙接觸和摩擦接觸。模型中導(dǎo)軌和滑塊接觸的地方是摩擦接觸,摩擦系數(shù)為0.01,其余部分為綁定接觸。

3.4 網(wǎng)格劃分

對(duì)雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量較差,利用網(wǎng)格的全局控制將網(wǎng)格尺寸調(diào)整為5 mm,共劃分了132826個(gè)節(jié)點(diǎn),78271個(gè)單元,網(wǎng)格平均質(zhì)量提升為0.68,滿足分析需要,如下圖6所示。

圖6 變倍組件網(wǎng)格劃分Fig.6 Zoom assembly meshing

3.5 約束和載荷的施加

根據(jù)實(shí)際工作情況,變倍組件中基板底面施加固定約束,約束代號(hào)為A,驅(qū)動(dòng)力施加在框架上,代號(hào)為B,方向?yàn)檠貙?dǎo)軌方向,如圖7所示。驅(qū)動(dòng)力是通過電機(jī)產(chǎn)生的,加速度為127 mm/s2,作用時(shí)間為30 ms。

圖7 變倍組件約束與載荷Fig.7 Zoom assembly constraints and loads

3.6 仿真結(jié)果

在驅(qū)動(dòng)力的作用下,變倍組件的形變結(jié)果如圖8所示。

模型中最小變形為0.003 mm,最大變形為0.013 mm,因此鏡面面形最大變化為0.0067 mm。通過計(jì)算可得鏡片偏心19.74″。設(shè)計(jì)結(jié)果滿足要求。

4 連續(xù)變焦光機(jī)裝調(diào)方案

連續(xù)變焦組件的光機(jī)裝調(diào)是本設(shè)計(jì)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié),是紅外熱像儀光機(jī)裝調(diào)的重點(diǎn),其方案工藝決定了整機(jī)的光軸穩(wěn)定性和光軸一致性指標(biāo)。

圖8 變倍組件仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of zoom assembly

4.1 變倍/補(bǔ)償鏡框裝調(diào)

搭建如圖9所示的光學(xué)平臺(tái),光學(xué)自準(zhǔn)值儀作為基準(zhǔn)光軸,以變倍鏡為例,將兩根導(dǎo)軌安裝到基板上,導(dǎo)軌基準(zhǔn)面與基板基準(zhǔn)面緊貼牢固。視場(chǎng)鏡框裝在兩個(gè)導(dǎo)軌滑塊上,將裝有調(diào)試反射鏡的變倍鏡座裝入變倍鏡框,將組件放置于自準(zhǔn)直儀前合適位置,將平晶貼緊基板前端基準(zhǔn)面,調(diào)節(jié)自準(zhǔn)直儀使得反射像位于視場(chǎng)中心位置,固定組件和自準(zhǔn)直儀,自準(zhǔn)直儀清零,取下平晶。觀察反射鏡成像,調(diào)節(jié)變倍鏡框,并前后移動(dòng)滑塊,使得全過程反射鏡成像與基準(zhǔn)十字偏差最小,固定變倍鏡框,記錄此時(shí)水平及俯仰數(shù)值X11、Y11。按照同樣裝調(diào)方法,裝調(diào)補(bǔ)償鏡框,記錄水平及俯仰數(shù)值X21、Y21。

圖9 鏡框裝調(diào)Fig.9 Frame assembly and adjustment

4.2 組件裝調(diào)

搭建如圖10所示的光學(xué)平臺(tái),光學(xué)自準(zhǔn)值儀作為基準(zhǔn)光軸,將調(diào)好的變倍組件及補(bǔ)償組件裝到主框架上,整體固定在穩(wěn)定平臺(tái)上,主框架前適當(dāng)位置放置光學(xué)自準(zhǔn)直儀,以主框架前端面為基準(zhǔn)貼緊平晶,調(diào)節(jié)自準(zhǔn)直儀十字光標(biāo)至屏幕居中位置,清零,固定自準(zhǔn)直儀,取下平晶。觀察屏幕反射鏡成像,調(diào)節(jié)變倍組件,并前后移動(dòng)變倍鏡組,使得全過程反射鏡成像與基準(zhǔn)十字光標(biāo)偏差最小,固定變倍組件,記錄組件水平及俯仰偏差數(shù)值X12、Y12。同理,調(diào)節(jié)補(bǔ)償組件,記錄偏差數(shù)值X22、Y22。

圖10 組件裝調(diào)Fig.10 Assembly and adjustment of components

4.3 光機(jī)裝調(diào)

通過步驟4.1,4.2的逐級(jí)調(diào)試,最終實(shí)現(xiàn)變倍鏡及補(bǔ)償鏡沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的方向與系統(tǒng)光軸的偏差滿足設(shè)計(jì)范圍,暨鏡片光軸與機(jī)械軸平行。

搭建如圖11所示的光學(xué)平臺(tái),將變倍組件及補(bǔ)償組件中調(diào)試反射鏡換成變倍鏡和補(bǔ)償鏡,整體架設(shè)在光學(xué)中心偏檢測(cè)儀上,與工裝卡盤連接,主框架可沿工裝卡盤旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)過程中保證主框架軸向無跳動(dòng),徑向無位移。通過打表將主框架基準(zhǔn)面基準(zhǔn)軸與中心偏檢測(cè)儀對(duì)中調(diào)平,轉(zhuǎn)動(dòng)氣動(dòng)平臺(tái),通過光學(xué)中心偏檢測(cè)儀上下兩個(gè)光學(xué)鏡頭,觀察變倍鏡、補(bǔ)償鏡正反兩個(gè)面的角度偏差,調(diào)節(jié)鏡片角度,將變倍鏡和補(bǔ)償鏡的上下表面偏差調(diào)到最小,分別記錄變倍鏡及補(bǔ)償鏡中心偏檢測(cè)儀讀數(shù)X13、Y13和X23、Y23[6]。

圖11 光機(jī)裝調(diào)Fig.11 Optical machine assembly and adjustment

5 裝調(diào)結(jié)果及數(shù)據(jù)

將某型連續(xù)變焦紅外熱像儀按照步驟2的方法進(jìn)行光機(jī)裝調(diào),再將其余組件裝配完成進(jìn)行整機(jī)調(diào)試,裝調(diào)結(jié)果及紅外熱像儀光軸一致性測(cè)試結(jié)果如下。

如表2所示,變倍鏡框裝調(diào)后,調(diào)試反射鏡與組件基準(zhǔn)偏差最大為35.8″,移動(dòng)過程中最大偏差14.4″；補(bǔ)償鏡框裝調(diào)后,調(diào)試反射鏡與組件基準(zhǔn)偏差32.1″,移動(dòng)過程中最大11.6″。

表2 變倍鏡框及補(bǔ)償鏡框裝調(diào)結(jié)果Tab.2 Installation and adjustment results of zoom frame and compensation frame

如表3所示,變倍組件裝調(diào)后與系統(tǒng)基準(zhǔn)最大偏差20.1″,變倍鏡組移動(dòng)過程中最大偏差3.8″補(bǔ)償組件裝調(diào)后與系統(tǒng)基準(zhǔn)最大偏差16.1″,補(bǔ)償鏡組移動(dòng)過程中最大偏差6.7″。

表3 變倍組件及補(bǔ)償組件裝調(diào)結(jié)果Tab.3 Installation and adjustment results of zoom assembly and compensation assembly

如表4所示,將變倍鏡及補(bǔ)償鏡裝入各自組件中,裝調(diào)后,變倍鏡正反表面中心偏差為34.68″和37.7″；補(bǔ)償鏡正反表面中心偏差為24.94″和31.77″。裝調(diào)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 變倍鏡及補(bǔ)償鏡中心偏裝調(diào)結(jié)果Tab.4 Adjustment results of center deviation of zoom mirror and compensation mirror

如圖12、13所示,整機(jī)成像后,通過調(diào)節(jié)探測(cè)器位置及角度,將大小視場(chǎng)焦面調(diào)節(jié)清晰,光軸一致性調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài),通過測(cè)試系統(tǒng),將十字叉與小視場(chǎng)靶標(biāo)對(duì)齊,切換到大視場(chǎng),靶標(biāo)位置水平相差0.5個(gè)像素,高低相差1個(gè)像素。調(diào)試結(jié)果滿足整機(jī)指標(biāo)要求。

圖12 小視場(chǎng)靶標(biāo)Fig.12 Small field of view target

圖13 大視場(chǎng)靶標(biāo)Fig.13 Large field of view target

6 結(jié) 論

本文針對(duì)長(zhǎng)焦距大變倍比連續(xù)變焦紅外熱像儀,提供了一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及裝調(diào)方案。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、標(biāo)準(zhǔn)件選型、模型有限元分析等手段,保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性及可靠性；通過多級(jí)裝調(diào)方案,嚴(yán)格控制系統(tǒng)誤差,提高光軸一致性指標(biāo),降低光軸一致性調(diào)試難度。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式穩(wěn)定、易于加工、成本較低、通用性強(qiáng)。

本設(shè)計(jì)已經(jīng)用于某型紅外熱像儀的研制,通過組件的有限元仿真分析結(jié)果、熱像儀實(shí)際光機(jī)裝調(diào)數(shù)據(jù)以及整機(jī)測(cè)試指標(biāo)可以驗(yàn)證本設(shè)計(jì)對(duì)于長(zhǎng)焦大變倍比連續(xù)變焦紅外熱像儀的光軸一致性及穩(wěn)定性,有明顯的改善效果。