大型高精度錐體安裝工藝研究*

費國強，馬連英，周世友

( 西北核技術研究所 激光與物質相互作用國家重點實驗室，陜西 西安 710024)

大型高精度錐體安裝工藝研究*

費國強，馬連英，周世友

( 西北核技術研究所 激光與物質相互作用國家重點實驗室，陜西 西安 710024)

從某光學試驗系統(tǒng)對錐體提出的物理需求出發(fā)，根據(jù)錐體部件的結構特點和安裝技術要求，設計了3種專用的安裝調試工裝。經過實際使用表明，該工裝結構簡單，使用輕巧方便，完全可滿足對大型錐體進行六維精密調整的要求。介紹了錐體的安裝調整工藝過程，經過實際測量和光學試驗驗證，安裝到位后的大型錐體的安裝精度達到了設計要求，可滿足精密光學試驗要求。

安裝；工藝；錐體

1 錐體結構特點和安裝要求

在某大型光學試驗系統(tǒng)中[1]，要求在已有球形靶室(φ1 320 mm)位于赤道面(即過靶室中心的水平面)的φ300 mm法蘭處,通過1段波紋管連接1個大型錐體，如圖1所示。該錐體部件上安裝有18個透鏡，通過光學系統(tǒng)中前端激光器系統(tǒng)放大的18束激光，經過18個透鏡后聚焦至位于靶室的中心，即靶心處的平面靶上，從而獲得高功率的激光輸出。

錐體大端直徑為900 mm，總長為1 200 mm，使用1Cr18Ni9Ti不銹鋼制造。在大端法蘭上設計有18個小法蘭，用于安裝透鏡，小法蘭的軸線均勻分布在3個具有不同錐角的圓錐面上(每個圓錐上均勻分布6個小法蘭)，3個圓錐頂點(以下稱為錐體的頂點)重合于靶室靶心處。錐體固定于上支承上，上、下支承之間通過支承螺桿連接，后者直接固定于地面。

錐體安裝的技術要求如下：錐體的頂點必須與靶室的靶心重合；錐體的中心軸線與靶室φ300 mm法蘭(即安裝連接波紋管的法蘭)軸線重合；錐體的赤道面(如圖1中所示的過錐體軸線且其上分布的3個法蘭的水平面)與靶室赤道面重合。

圖1 靶室與錐體示意圖

2 專用安裝工裝設計

為滿足上述安裝要求，在安裝過程中應能夠對錐體進行六維調節(jié)。根據(jù)錐體本身的結構特點及支承要求，通過現(xiàn)有的支承方式，可以實現(xiàn)對錐體進行除繞自身軸線旋轉之外的五維調節(jié)，即利用調節(jié)4個支承螺桿上螺母的位置實現(xiàn)對錐體的三維調節(jié)。上支承與支承螺桿相配的孔徑足夠大，可以滿足錐體在一定范圍內的平移要求，從而實現(xiàn)二維調節(jié)。

錐體自身質量約為300 kg，如果依靠4個支承螺桿進行調節(jié)，則需克服較大的摩擦力，不滿足多次反復的精密調節(jié)要求；另外，對錐體進行平推移動調節(jié)時，錐體與4個螺母(與支承螺桿構成螺紋副)之間會產生較大的滑動摩擦力，同樣無法滿足錐體在水平方向的精密調節(jié)要求。因此，需要設計專用的調節(jié)工裝。

2.1 錐體高度調整工裝

該工裝安裝在上、下支承之間，支承螺桿旁邊，共4組，具體結構如圖2所示。調節(jié)螺桿卡在定位板寬40 mm的通槽內，而定位板焊接在下支承的上平面上。軸承座與調節(jié)螺桿構成螺紋副，軸承座內安裝有單向推力球軸承，在后者上依次安裝帶有止口的圓盤、鋼球和頂板，螺釘安裝在軸承座的外圓上，用于確保鋼球在調節(jié)開始前處于圓盤的中心位置。

圖2 錐體高度調節(jié)工裝

利用該工裝對錐體進行調節(jié)時，只需使用扳手轉動軸承座，就可以帶動鋼球、頂板等上下移動，實現(xiàn)對錐體高度的調整。推力軸承的使用減小了調節(jié)過程中的摩擦力。

2.2 錐體平移調整工裝

錐體平移工裝全部安裝在下支承上(見圖3)。在下支承上端面長邊、短邊兩側分別放置2個工裝和1個固定板，長邊兩側的固定板由長拉桿固定，短邊兩側的固定板由短拉桿固定，在固定板靠上位置安裝有調節(jié)螺釘，通過調節(jié)該螺釘可以輕松地對錐體進行平移調節(jié)。為防止調節(jié)螺釘在轉動過程中對上支承側面造成損傷，在其表面夾墊了橡膠墊。

圖3 錐體平移調節(jié)工裝

2.3 錐體旋轉調整工裝

錐體旋轉調整工裝如圖4所示。旋轉調節(jié)工裝固定于下支承上端的2個短橫梁上面，其中，梯形支承通過螺栓固定于下支承橫梁上，其上端面焊接固定螺母，調節(jié)螺桿與固定螺母構成一對螺紋副，其上端插入V形軸承座的孔內，V形軸承座內放置滾動軸承，由其支承穿過錐體的轉軸。

圖4 錐體旋轉調節(jié)工裝

根據(jù)錐體的結構，為了與轉軸配合使用，需在其大端和小端分別加工和安裝相應的法蘭盤。對于法蘭盤與錐體的配合沒有特別要求，旋轉調整只要實現(xiàn)錐體大端位于通過錐體中心軸的平面上的3個法蘭中心同一水平面上即可。在對錐體進行旋轉調整時，使用扳手轉動調節(jié)螺桿，使錐體與上支承分離，之后就可以轉動錐體，對其進行旋轉調整。

3 錐體安裝工藝過程

3.1 安裝基準確定

在安裝靶室時，為了實現(xiàn)與后續(xù)安裝的錐體和其他光學部件精密對接，借助激光標線儀在靶室上預留了基準標記[2]。在安裝錐體之前，應使用激光標線儀恢復安裝基準——激光標線儀發(fā)出的2條水平激光線和鉛垂激光線的交點通過靶心，水平激光線形成的扇形面與靶室赤道面重合，鉛垂線形成的扇形面與赤道面垂直，且穿過與波紋管相連的φ300 mm法蘭的中心線。

3.2 下支承的安裝

首先，在下支承上表面的短橫梁上找出中線，并做出標記(至少要在2根橫梁上作出標記)；然后，將下支承安裝到大概位置，調整其位置使所做的標記與標線儀的鉛垂線重合，并對其進行整體調平(整體調平有助于下支承在以后的使用過程中保持自然狀態(tài))，調平通過在下支承下端的平板與地面之間加塞墊片來實現(xiàn)，隨后在下支承與地面接觸的平板和地面之間灌注特制的膠體并固化；最后，通過螺栓使平板與地面固定在一起。

3.3 錐體的安裝

1)將錐體置于上支承上，通過螺栓將兩者固定，將圖3中提及的法蘭盤安裝到錐體兩端的法蘭上，再將旋轉軸安裝于法蘭盤的孔內。

2)在下支承上安裝圖1中提及的支承螺桿與螺母，將4個螺母調整至統(tǒng)一高度，以盡量減小后面上支承的調節(jié)量，將上支承與錐體放置于下支承上。

3)將旋轉工裝安裝到下支承上，調節(jié)工裝中的調節(jié)螺桿，使得滾動軸承基本與旋轉軸同軸，并將軸承安裝在旋轉軸的兩端。

4)松開并拿掉連接錐體與上支承的螺栓。

5)調節(jié)旋轉工裝中的調節(jié)螺桿，使得V形軸承座將軸承頂緊，繼續(xù)調節(jié)，將錐體與上支承脫開，并能夠使轉軸順利旋轉。

6)以之前確定的激光標線儀的水平線為基準，稍微轉動錐體，直到錐體上位于赤道面的2個法蘭中心與水平線完全重合(見圖5)。在2個法蘭盤上都安裝了特別加工的法蘭蓋，在其中心加工了φ2 mm的小孔，水平儀的水平線寬度約為2 mm，用肉眼判斷小孔與水平線的重合程度即可。

圖5 錐體旋轉調整示意圖

7)將4組高度調節(jié)工裝放入上、下支承之間。放入之前需調節(jié)其中的螺釘，使鋼球位于中心位置；放入之后轉動軸承座直至頂板頂緊上支承，此時卸掉工裝中的螺釘。

8)轉動旋轉工裝中的調節(jié)螺桿，使V形軸承座與軸承完全分離，將旋轉工裝、錐體兩端的法蘭蓋和轉軸全部拆卸。至此，錐體和上支承全部由4組高度調節(jié)工裝支承.

9)將平移工裝固定在下支承上。

10)同時使用平移工裝和高度調整工裝對錐體進行精密調節(jié)。借助特制的測量工具檢測錐體大端小法蘭端面到靶心的距離，以此判斷錐體頂點與靶心的重合精度；以激光標記儀的2條激光線作為安裝基準，繼續(xù)使用步驟6中使用的法蘭蓋，同時在中心法蘭上也安裝1個同樣的法蘭蓋(見圖6)，中間的法蘭蓋用來檢測錐體中心是否與靶心重合，兩邊的法蘭蓋用來檢測錐體赤道面是否與靶室赤道面重合。這個調整過程耗時較長，需要多次反復調整。

圖6 錐體調整工裝

經過分析計算，激光標線儀的精度和專用測量工裝的精度均滿足錐體安裝精度的要求。

4 結語

從某光學試驗系統(tǒng)對錐體提出的物理需求出發(fā)，根據(jù)錐體的結構特點和安裝技術要求，設計了3種專用的安裝調試工裝。經過實際使用，該工裝結構簡單，使用輕巧方便，完全可滿足對大型錐體進行六維精密調節(jié)的要求。經過實際測量和光學試驗驗證，安裝到位后的大型錐體的安裝精度達到了設計要求,完全滿足開展精密光學試驗的要求。

[1] 趙學慶,劉晶儒,易愛平.平滑化窄脈沖高功率準分子激光放大技術[J].光學精密工程, 2011,19(2)：397-405.

[2] 霍曉飛,王建敏,梁雅軍.激光標線儀校準方法研究[J].宇航計測技術, 2013,33(6)：13-16.

*激光與物質相互作用國家重點實驗室基礎研究基金資助項目(SKLLIM1006-01)

責任編輯李思文

TheResearchonInstallingProcessofLarge-scaleHigh-precisionConeParts

FEI Gouqiang,MA Lianying,ZHOU Shiyou

(State Key Laboratory of Laser and Material Interaction, Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi′an 710024，China)

Based on the optical experiment’s physical requirement to the cone parts, and according to the structural characteristic and technical requirement of the cone parts, three kinds of special adjusting equipments were designed. The practical application showed that these three equipments can be operated easily, which had simple structures and satisfied the requirements of six dimensional adjustments to the cone parts. The installing process of the cone parts were introduced. The practical measurement and optical experiments showed that the installing accuracy meets the designing requirements.

installing, technics, cone

TH 16

：A

費國強(1966-)，男，高級工程師，主要從事機械設計與制造等方面的研究。

2015-01-16