一種長焦大變倍連續變焦光機組件結構設計及裝調

徐明軒,石 彰,潘 棟,胡建飛

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

隨著紅外光電系統的不斷發展,對紅外熱像儀的各方面性能也在日益提高,產品逐漸向輕量化、模塊化發展,同時也要滿足作用距離、環境適應性、可靠性等要求。紅外熱像儀通常采用多視場的光機機構設計,通過視場之間的切換實現紅外熱像儀在不同使用條件下需求,如大范圍目標搜索、目標跟蹤識別等[1-3]。在多視場結構熱像儀中,連續變焦結構的熱像儀以其焦距連續、不易丟失目標的優勢在軍事和民用領域上占有重要位置。由于連續變焦結構的光機特點,變倍鏡和補償鏡需要按照給定的光學曲線在軸向進行反復移動。在傳統凸輪和導桿形式的變焦結構中,光軸穩定性大多是依靠機械加工精度保證,在變焦過程中,零件之間的配合間隙會產生光軸的抖動甚至卡死,且間隙無法消除。同時,傳統的變焦結構缺少有效的光機裝調方案,加大了光軸一致性的裝調難度。以上問題在長焦距大變倍比的連續變焦紅外熱像儀中更加突出。本文提供了一種連續變焦紅外熱像儀的結構設計和裝調方法,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變焦過程中的光軸晃動,提高紅外熱像儀的光軸一致性和光軸穩定性,控制焦距精度,降低整機裝調難度。

2 結構設計

2.1 結構組成

某型連續變焦紅外熱像儀由物鏡組件、連續變焦組件、反射鏡組件、探測器組件、主框架等零部件組成,其中連續變焦組件的設計及裝調方案直接影響整機的光軸一致性、光軸穩定性及成像質量。

2.2 連續變焦結構設計

連續變焦組件分為變倍組件和補償組件,兩者設計及裝調思路相似。以變倍組件為例,如圖1所示,主要由變倍基板、直線導軌(成對使用)、直線電機、視場鏡框、變倍鏡座、等零件組成。

圖1 變倍組件Fig.1 Zoom assembly

組件結構形式采用雙導軌設計,結構形式更加穩定,兩條直線導軌安裝在變倍基板上,直線電機布置在兩導軌中間位置,電機驅動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時因導軌和滑塊之間的間隙產生的位移,避免運動部件受力不均,從而保證光軸一致性指標并大幅降低光軸的晃動量,保證圖像在連續變焦過程中穩定清晰。變倍鏡座和視場鏡框之間設計微調機構,用于整機裝調中調節變倍鏡的角度和方位。

直線導軌是連續變焦結構中重要零件之一,其選型也決定了紅外熱像儀光軸指標的精度。影響導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境、光學鏡片的位置和變倍鏡補償鏡的移動位移等。本結構中作用在導軌上的載荷為0.2 kg≈1.96×10-3kN,變倍鏡和補償鏡移動位移分別為140 mm和90 mm,熱像儀使用環境-45～65 ℃。

根據紅外熱像儀指標要求,結合熱像儀的相關設計參數,確定選用THK廠家的HSR 12RM型號導軌,如圖2所示,導軌基本額定靜載荷C0=8.53 kN,基本額定動載荷C=4.7 kN,滿足結構設計要求。

圖2 導軌示意圖Fig.2 Schematic diagram of guide rail

此型號導軌特性有:

a)4方向等負荷:滑塊各鋼球列按接觸角45°配置,無論何種姿勢都可以使用,滑塊上的4個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,能施加充分的預壓,容易提升4個方向的剛性。

c)自動調心能力:獨特的圓弧溝槽設計,具有自動調心能力,能夠吸收安裝誤差,從而得到高精度,平滑穩定的直線運動。

d)耐久性高不易磨損。

選擇好導軌型號后確定導軌的精度,考慮到熱像儀工作狀態下連續變焦經常的往復運動可能產生的沖擊和振動,所以徑向間隙選用輕預壓(C1),其徑向間隙為-6～-2 μm,可提高壽命和精度。精度等級選擇精密級(P),在導軌長度80～200 mm內,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]。本結構采用雙導軌結構形式,導軌成組使用。

圖3 導軌行走平行度Fig.3 Guide rail running parallelism

圖4 導軌精度規格Fig.4 Guide rail accuracy specification

變焦過程中導軌最大偏差為δ=2 μm,變倍鏡移動位移L1=140 mm,補償鏡移動位移L2=90 mm。根據光學設計的要求,變倍鏡和補償鏡的光機不同軸誤差分別為1′和0.8′,通過公式可得變焦過程中由于直線導軌和滑塊之間的偏差產生的變倍鏡和補償鏡最大偏角分別為2.9″和4.6″,導軌選型結果滿足指標要求。

2.3 設計優點

1)基于長焦大變倍的雙導軌連續變焦結構設計,結構形式穩定,加工容易、加工成本低,通用性強。能夠大幅降低光軸的晃動量,保證圖像穩定清晰；

2)整機高度組件化設計,嚴格控制系統誤差,提高光軸一致性指標,保證熱像儀視場范圍；

3)優化連續變焦組件光機裝調工藝方法和整機裝調方法,降低光軸一致性調試難度。

3 連續變焦結構力學仿真

為了進一步驗證結構設計結果合理性,需要通過ANSYS Workbench對結構進行動力學仿真,用以分析在實際工作狀態下,步進電機驅動鏡座沿導軌往復運動時,鏡座的抖動及變形對光學鏡片的影響。

ANSYS設計流程包括,模型簡化、材料設置、接觸設置、網格劃分、約束和載荷施加、得出仿真分析結果(包括總體變形、鏡面變形和應力情況)[5]

3.1 簡化模型

以變倍組件為例,將三維模型導入到ANSYS軟件中,將步進電機控制參數輸入到分析軟件中,并運用前處理軟件SpaceClaim,按照簡化后不影響力學性能的原則對模型進行了如下簡化,如圖5所示:

①去掉結構件的圓角、倒角及無關緊要的螺紋孔；

②不規則形狀簡化為規則形狀；

圖5 變倍組件簡化模型Fig.5 Simplified model of zoom assembly

3.2 零件材質選擇

在劃分網格之前需要對零件的材料屬性進行設置,其中導軌和導軌滑塊為40Cr鋼,鏡片為ZnSe,其余結構為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。模型中導軌和滑塊接觸的地方是摩擦接觸,摩擦系數為0.01,其余部分為綁定接觸。

3.4 網格劃分

對雙導軌結構模型進行自動網格劃分,發現網格質量較差,利用網格的全局控制將網格尺寸調整為5 mm,共劃分了132826個節點,78271個單元,網格平均質量提升為0.68,滿足分析需要,如下圖6所示。

圖6 變倍組件網格劃分Fig.6 Zoom assembly meshing

3.5 約束和載荷的施加

根據實際工作情況,變倍組件中基板底面施加固定約束,約束代號為A,驅動力施加在框架上,代號為B,方向為沿導軌方向,如圖7所示。驅動力是通過電機產生的,加速度為127 mm/s2,作用時間為30 ms。

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

3.6 仿真結果

在驅動力的作用下,變倍組件的形變結果如圖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。通過計算可得鏡片偏心19.74″。設計結果滿足要求。

4 連續變焦光機裝調方案

連續變焦組件的光機裝調是本設計中重要的一個環節,是紅外熱像儀光機裝調的重點,其方案工藝決定了整機的光軸穩定性和光軸一致性指標。

圖8 變倍組件仿真結果Fig.8 Simulation results of zoom assembly

4.1 變倍/補償鏡框裝調

搭建如圖9所示的光學平臺,光學自準值儀作為基準光軸,以變倍鏡為例,將兩根導軌安裝到基板上,導軌基準面與基板基準面緊貼牢固。視場鏡框裝在兩個導軌滑塊上,將裝有調試反射鏡的變倍鏡座裝入變倍鏡框,將組件放置于自準直儀前合適位置,將平晶貼緊基板前端基準面,調節自準直儀使得反射像位于視場中心位置,固定組件和自準直儀,自準直儀清零,取下平晶。觀察反射鏡成像,調節變倍鏡框,并前后移動滑塊,使得全過程反射鏡成像與基準十字偏差最小,固定變倍鏡框,記錄此時水平及俯仰數值X11、Y11。按照同樣裝調方法,裝調補償鏡框,記錄水平及俯仰數值X21、Y21。

圖9 鏡框裝調Fig.9 Frame assembly and adjustment

4.2 組件裝調

搭建如圖10所示的光學平臺,光學自準值儀作為基準光軸,將調好的變倍組件及補償組件裝到主框架上,整體固定在穩定平臺上,主框架前適當位置放置光學自準直儀,以主框架前端面為基準貼緊平晶,調節自準直儀十字光標至屏幕居中位置,清零,固定自準直儀,取下平晶。觀察屏幕反射鏡成像,調節變倍組件,并前后移動變倍鏡組,使得全過程反射鏡成像與基準十字光標偏差最小,固定變倍組件,記錄組件水平及俯仰偏差數值X12、Y12。同理,調節補償組件,記錄偏差數值X22、Y22。

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

4.3 光機裝調

通過步驟4.1,4.2的逐級調試,最終實現變倍鏡及補償鏡沿導軌運動的方向與系統光軸的偏差滿足設計范圍,暨鏡片光軸與機械軸平行。

搭建如圖11所示的光學平臺,將變倍組件及補償組件中調試反射鏡換成變倍鏡和補償鏡,整體架設在光學中心偏檢測儀上,與工裝卡盤連接,主框架可沿工裝卡盤旋轉,旋轉過程中保證主框架軸向無跳動,徑向無位移。通過打表將主框架基準面基準軸與中心偏檢測儀對中調平,轉動氣動平臺,通過光學中心偏檢測儀上下兩個光學鏡頭,觀察變倍鏡、補償鏡正反兩個面的角度偏差,調節鏡片角度,將變倍鏡和補償鏡的上下表面偏差調到最小,分別記錄變倍鏡及補償鏡中心偏檢測儀讀數X13、Y13和X23、Y23[6]。

圖11 光機裝調Fig.11 Optical machine assembly and adjustment

5 裝調結果及數據

將某型連續變焦紅外熱像儀按照步驟2的方法進行光機裝調,再將其余組件裝配完成進行整機調試,裝調結果及紅外熱像儀光軸一致性測試結果如下。

如表2所示,變倍鏡框裝調后,調試反射鏡與組件基準偏差最大為35.8″,移動過程中最大偏差14.4″；補償鏡框裝調后,調試反射鏡與組件基準偏差32.1″,移動過程中最大11.6″。

表2 變倍鏡框及補償鏡框裝調結果Tab.2 Installation and adjustment results of zoom frame and compensation frame

如表3所示,變倍組件裝調后與系統基準最大偏差20.1″,變倍鏡組移動過程中最大偏差3.8″補償組件裝調后與系統基準最大偏差16.1″,補償鏡組移動過程中最大偏差6.7″。

表3 變倍組件及補償組件裝調結果Tab.3 Installation and adjustment results of zoom assembly and compensation assembly

如表4所示,將變倍鏡及補償鏡裝入各自組件中,裝調后,變倍鏡正反表面中心偏差為34.68″和37.7″；補償鏡正反表面中心偏差為24.94″和31.77″。裝調結果滿足設計要求。

表4 變倍鏡及補償鏡中心偏裝調結果Tab.4 Adjustment results of center deviation of zoom mirror and compensation mirror

如圖12、13所示,整機成像后,通過調節探測器位置及角度,將大小視場焦面調節清晰,光軸一致性調節到最佳狀態,通過測試系統,將十字叉與小視場靶標對齊,切換到大視場,靶標位置水平相差0.5個像素,高低相差1個像素。調試結果滿足整機指標要求。

圖12 小視場靶標Fig.12 Small field of view target

圖13 大視場靶標Fig.13 Large field of view target

6 結 論

本文針對長焦距大變倍比連續變焦紅外熱像儀,提供了一種新的結構設計方法及裝調方案。通過結構設計計算、標準件選型、模型有限元分析等手段,保證結構設計的穩定性及可靠性；通過多級裝調方案,嚴格控制系統誤差,提高光軸一致性指標,降低光軸一致性調試難度。本設計結構形式穩定、易于加工、成本較低、通用性強。

本設計已經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果、熱像儀實際光機裝調數據以及整機測試指標可以驗證本設計對于長焦大變倍比連續變焦紅外熱像儀的光軸一致性及穩定性,有明顯的改善效果。