光電探測器調(diào)焦機構(gòu)的設(shè)計與精度分析

占 潛，高云國，于 萍

(1．中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春130033;2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

約為1。

1 引言

光電探測技術(shù)作為現(xiàn)代信息技術(shù)的前端，廣泛應(yīng)用在人類生活的各行各業(yè)之中。在對目標(biāo)進行跟蹤捕獲的過程中，要想獲得高清晰度的圖像，目標(biāo)必須準(zhǔn)確地成像在CCD的感光面上。如果調(diào)焦不正確，會造成像點離散，降低目標(biāo)和背景的對比度，從而影響設(shè)備的作用距離和成像質(zhì)量。因此調(diào)焦機構(gòu)是探測系統(tǒng)的重要組成部分，調(diào)焦系統(tǒng)的精度直接影響到光學(xué)系統(tǒng)的成像［1－2］。

本課題針對項目的參數(shù)要求，在常用的調(diào)焦機構(gòu)基礎(chǔ)之上，基于密珠軸系回轉(zhuǎn)精度高、摩擦力矩小、承載能力大等優(yōu)點，在保證相機的成像質(zhì)量的前提下，設(shè)計了一種新型調(diào)焦機構(gòu)。介紹了其組成及工作原理，詳細(xì)分析了其誤差來源及精度，最后對其進行了精度檢測和實驗論證。

2 調(diào)焦機構(gòu)的設(shè)計

2．1 參數(shù)要求

為在保證分辨率、作用距離滿足要求前提下，盡量增大捕獲視場，光電探測器選擇加拿大DALAS公司的1M60相機，該相機的特點是靶面大，靈敏度高。其調(diào)焦系統(tǒng)的設(shè)計要求如下:

(1)工作溫度:－40～ +45℃

(2)光學(xué)設(shè)備振動范圍:16～60 Hz，加速度為1．5 g

(3)調(diào)焦晃動精度≤2″

2．2 調(diào)焦方式的選擇［3－5］

光電探測器的調(diào)焦方式主要取決于光學(xué)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)形式以及調(diào)焦精度的要求。常用的調(diào)焦方式有三種:焦平面移動式、焦面反射鏡移動式和鏡組移動式。焦平面移動式是最直接的調(diào)焦方式，即調(diào)整焦平面的位置使其與像面重合。但在實際應(yīng)用中往往受到機構(gòu)的運動精度和結(jié)構(gòu)尺寸的制約而難以實現(xiàn)。焦面反射鏡移動調(diào)焦即通過調(diào)整折轉(zhuǎn)光路的反射鏡來實現(xiàn)調(diào)焦，適用于反射式系統(tǒng)中。鏡組移動式是在光學(xué)系統(tǒng)中通過調(diào)整透鏡的位置來改變透鏡間的間距，從而達到調(diào)焦的目的。根據(jù)本探測器光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，本文選擇了鏡組移動式的調(diào)焦方式，通過調(diào)整調(diào)焦鏡組位置來實現(xiàn)像面位置的校正。

2．3 調(diào)焦機構(gòu)的設(shè)計［6－8］

一般的調(diào)焦結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有以下兩種:

a．凸輪調(diào)焦方式

凸輪傳動調(diào)焦方式的結(jié)構(gòu)和裝配工藝簡單，凸輪、齒輪等運動件表面經(jīng)特殊處理后無冷焊、無卡滯現(xiàn)象，有很好的抗沖擊振動能力。但對凸輪曲線加工精度要求較高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增高。

b．絲杠螺母調(diào)焦

絲杠螺母調(diào)焦方式的結(jié)構(gòu)比較簡單，體積小，重量輕，便于加工且成本低。但是容易產(chǎn)生卡滯現(xiàn)象，抗振動沖擊的能力差，且調(diào)焦精度低，穩(wěn)定性差。

此外，有的調(diào)焦機構(gòu)還采用了蝸輪蝸桿調(diào)焦方式。其特點是可以產(chǎn)生較大的傳動比，缺點是體積大、質(zhì)量重。

通過對這幾種調(diào)焦機構(gòu)的設(shè)計對比，根據(jù)現(xiàn)有的加工能力以及調(diào)焦方式的精度要求，本文最終選用了一種由齒輪傳動配合螺旋傳動的密珠軸系直線運動系統(tǒng)。其主要零部件如圖1所示。

圖1 調(diào)焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure diagram of the focusingmechanism

調(diào)焦鏡通過壓圈安裝在鏡筒內(nèi)，調(diào)焦鏡筒外圓面及固定筒內(nèi)孔面為經(jīng)過特殊處理的滾道，借助于保持架保證鋼球處在滾道內(nèi)的相對位置。精密鋼球經(jīng)過盈配合裝配在滾道內(nèi)，相對內(nèi)外滾道沿光軸的平行方向滾動，沿光軸方向旋轉(zhuǎn)運動被限，并通過直線電位計標(biāo)記調(diào)焦鏡位置。電機帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)，同時驅(qū)動大齒輪轉(zhuǎn)動，螺母與主軸間通過鋼球與軸套及限位實現(xiàn)主軸帶動調(diào)焦鏡作直線運動，從而實現(xiàn)調(diào)焦鏡組件借助于精密鋼球相對固定筒沿光軸作平移運動的功能。

這種結(jié)構(gòu)主軸主要有以下幾種特點:(1)機構(gòu)緊湊;(2)剛度好;(3)由于鋼球和內(nèi)外圈有較高的加工精度以及誤差均勻化作用，運動精度高。

最終加工出來的調(diào)焦機構(gòu)實物如圖2所示。

式中，δ1為軸套的單邊變形;δ2為主軸的單邊變形;δ為滾珠與主軸或軸套的接觸變形，當(dāng)近似考慮:δ1=δ2= δ時，過盈量為 Δ =8δ。

我們國家對密珠軸系推薦采用的過盈量一般為Δ=0．002～0．004 mm，根據(jù)加工條件及實際要求，本結(jié)構(gòu)采用過盈0．003 mm裝配。故:

Δ =8δ=0．003 mm

求得滾珠與主軸的接觸變形:

δ =3．75 ×10－4mm

根據(jù)赫茲理論，兩個具有曲率的滾動體接觸時，在負(fù)荷作用下產(chǎn)生的接觸面為橢圓形，其點接觸處的兩接觸滾動體變形量為:

圖2 調(diào)焦機構(gòu)實物圖Fig．2 Real figure of the focusingmechanism

3 調(diào)焦機構(gòu)計算分析

3．1 調(diào)焦機構(gòu)分辨率計算

CCD相機半焦深為0．015 mm，調(diào)焦機構(gòu)的分辨率處在1/3半焦深，為0．005 mm以內(nèi)，能夠很好地實現(xiàn)調(diào)焦功能。選擇電機每轉(zhuǎn)細(xì)分400份，螺母轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)調(diào)焦鏡移動2 mm，齒輪傳動比為3，所以螺母轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，電機轉(zhuǎn)3轉(zhuǎn)，調(diào)焦鏡分辨率:

2 mm/(3 ×400)=0．0017 mm ＜0．005 mm

滿足調(diào)焦分辨率要求。

3．2 調(diào)焦機構(gòu)力學(xué)分析計算［9－10］

密珠軸系的主軸、滾珠和軸套采取過盈配合，適當(dāng)選取過盈量，可以減小零件加工誤差的影響，提高軸系的回轉(zhuǎn)精度。

過盈量計算公式如下:

式中，dw為主軸外徑;dn為軸套內(nèi)徑;d為鋼球直徑。過盈量又是軸套、主軸以及滾珠三者的變形之和，即:

其中，∑Q=Q11+Q12+Q21+Q22代表曲率和，單位1/mm;Q的兩個下標(biāo)，第一個代表物體，第二個代表主曲率面，主曲率面為有最大和最小曲率值相互垂直的兩個面，且曲率中心在物體內(nèi)為“+”，物體外為“－”。

②按照變壓器檢修規(guī)程的要求，在進行變壓器抽真空期間，要求變壓器內(nèi)部真空度為4mbar以下，變壓器內(nèi)部各處壓力均相等，并且要求保持真空至少48H；

圖3 赫茲系數(shù)曲線Fig．3 Curve of Hertz coefficient

約為1。

主軸、軸套和鋼球的材料選用40Cr，鋼球直徑為9 mm，主軸的直徑為74 mm，材料的正彈性模量E=211 GPa，泊松系數(shù)ν=0．3，通過以上公式可以計算出單個鋼球受力:

本軸系每周分布6個滾珠，主軸共有54個滾珠。調(diào)焦時主軸沿軸向直線運動，與滾珠之間存在滾動摩擦，取滾動摩擦系數(shù)f=0．01，得出主軸軸向受到的摩擦阻力:

根據(jù)調(diào)焦系統(tǒng)的參數(shù)要求以及現(xiàn)有的實驗室電機設(shè)備，選擇實驗室常用的一種驅(qū)動電機，型號為:SS1704A20A;電機的外形尺寸:42．3 mm×

帶入得:

cosτ=0．057 ，查得此時42．3 mm ×49．5 mm，靜力矩為 0．54 Nm;步距角為1．8°;啟動電流為2 A 。

電機輸出軸上的齒輪z1=37;與z1嚙合的大齒輪z2=111;(齒輪壓力角 α =20°;模數(shù)m=1)，螺母和主軸的螺紋配合傳動比為i=z2/z1=3。

Vz為主軸和調(diào)焦鏡直線運動速度，螺紋副螺距2 mm，調(diào)焦鏡調(diào)焦范圍3 mm，在1 s內(nèi)完成調(diào)焦:

n為電機軸的轉(zhuǎn)速，n=(3/2)×3×60=270 rpm，由電機力矩與轉(zhuǎn)速特性曲線知道此時電機轉(zhuǎn)矩 t0=0．49 Nm，齒輪傳動效率 η =0．98，故電機輸出到大齒輪上的轉(zhuǎn)矩:

電機帶動小齒輪z1旋轉(zhuǎn)，同時驅(qū)動大齒輪z2轉(zhuǎn)動，大齒輪與螺母一體，螺紋副輸入力矩與輸出的軸向力計算公式近似為:

式中，K為擰緊力系數(shù)，一般取 K=0．1～0．3，對于M70 螺紋，取 K=0．2，代入得 F=102．9 N ，大于運行時受到的摩擦阻力，由此可以看出電機滿足設(shè)計要求。

3．3 調(diào)焦機構(gòu)晃動精度分析

軸系在豎直平面內(nèi)的晃動誤差主要是由于軸系和滾珠的不圓度引起的。其最大晃動誤差可由以下公式近似計算:

式中，ΔD為不圓度值，設(shè)計時鋼球采用零級精度，參照GB/T 308－2002，滾珠的不圓度值為0．00025mm。加工時主軸的不圓度值為0．0010 mm，軸套的為0．0025 mm。由于滾珠與主軸均位于軸套內(nèi)，而軸比孔更易加工出較高精度，故取 ΔD=0．0010 mm;L為鋼球在軸向上的最大跨距，L=100 mm;K'為負(fù)載變形系數(shù)，一般取 K'=0．4～0．96，此處取K'=0．5。計算得:σmax=1．03″，滿足調(diào)焦機構(gòu)設(shè)計要求。

4 調(diào)焦機構(gòu)試驗

4．1 調(diào)焦機構(gòu)振動實驗

調(diào)焦機構(gòu)的模態(tài)要求是對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求，取決于機構(gòu)自身的剛度。利用振動實驗對調(diào)焦機構(gòu)進行模態(tài)分析，可以避免其在工作時達到共振影響機構(gòu)精度。

項目要求光學(xué)設(shè)備工作振動頻率在16～60 Hz，為了確保調(diào)焦機構(gòu)在工作頻率范圍內(nèi)不會因為共振而破壞機構(gòu)精度，在振動實驗臺上對調(diào)焦機構(gòu)進行1．5 g正弦振動試驗，振動方向垂直軸向。實驗如圖4所示。

圖4 調(diào)焦機構(gòu)振動實驗Fig．4 Vibration experiment of the focusingmechanism

實驗得出的調(diào)焦機構(gòu)頻率響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 調(diào)焦機構(gòu)頻率響應(yīng)曲線Fig．5 Frequency response curve of the focusingmechanism

從曲線圖可以看出，在要求的工作頻率范圍內(nèi)該調(diào)焦機構(gòu)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性好，不會出現(xiàn)共振，能夠平穩(wěn)地運行，具有良好的剛度，滿足工作需求。

4．2 振動前后晃動實驗

由于本調(diào)焦機構(gòu)采用的是鏡組移動式的調(diào)焦方式，調(diào)焦組鏡的晃動量是影響調(diào)焦效果的主要因素，故本文主要對調(diào)焦機構(gòu)進行晃動精度實驗分析，實驗如圖6所示。

圖6 隔振臺調(diào)焦機構(gòu)晃動實驗Fig．6 Shaking precision experiment of the focusingmechanism

為了驗證在振動前后調(diào)焦系統(tǒng)的精度是否受到影響，在常溫下對調(diào)焦機構(gòu)振前和振后進行晃動精度實驗對比。

將調(diào)焦系統(tǒng)置于隔振臺上，用0．2″自準(zhǔn)值平行光管作為檢測工具，通過平行光管讀取平面鏡成像的數(shù)據(jù)。用計算機進行編程驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，帶動主軸進行直線運動，每運行1 mm進行一次計數(shù)，分別記錄機構(gòu)在運行過程中水平方向和垂直方向上的晃動量。實驗數(shù)據(jù)整理之后的曲線圖如圖7和圖8所示。

圖7 振動前后水平方向晃動精度實驗數(shù)據(jù)對比Fig．7 Curve of horizontal shaking precision after vibration

圖8 振動前后垂直方向晃動精度實驗數(shù)據(jù)對比Fig．8 Curve of vertical shaking precision after vibration

由圖7、圖8可知，使用0．2″自準(zhǔn)值平行光管作為檢測量具，可以看出在要求的振動頻率范圍內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)能夠保持較高精度，水平方向和垂直方向上的最大晃動量均在2″以內(nèi)，滿足光學(xué)設(shè)備的精度要求。

5 結(jié)論

根據(jù)探測器總體技術(shù)指標(biāo)要求，本文設(shè)計了一種密珠軸系調(diào)焦機構(gòu)，將電機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為主軸沿軸向的高精度直線運動，從而調(diào)整透鏡組的位置來實現(xiàn)像面位置的校正。最終加工出來的調(diào)焦機構(gòu)外形尺寸為200 mm×200 mm×140 mm。通過對該機構(gòu)進行振動實驗和晃動精度實驗可知，該調(diào)焦機構(gòu)具有一定的剛度，在要求的工作振動頻率內(nèi)能夠很好地實現(xiàn)調(diào)焦功能，晃動精度小于2″?？傮w來說，該機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運行平穩(wěn)、晃動精度高等特點，滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，同時也為密珠軸系在探測器調(diào)焦系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了范例。

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