大型高精度錐體安裝工藝研究*

費(fèi)國(guó)強(qiáng)，馬連英，周世友

( 西北核技術(shù)研究所 激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024)

大型高精度錐體安裝工藝研究*

費(fèi)國(guó)強(qiáng)，馬連英，周世友

( 西北核技術(shù)研究所 激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024)

從某光學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)錐體提出的物理需求出發(fā)，根據(jù)錐體部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安裝技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了3種專(zhuān)用的安裝調(diào)試工裝。經(jīng)過(guò)實(shí)際使用表明，該工裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用輕巧方便，完全可滿足對(duì)大型錐體進(jìn)行六維精密調(diào)整的要求。介紹了錐體的安裝調(diào)整工藝過(guò)程，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量和光學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證，安裝到位后的大型錐體的安裝精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可滿足精密光學(xué)試驗(yàn)要求。

安裝；工藝；錐體

1 錐體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安裝要求

在某大型光學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)中[1]，要求在已有球形靶室(φ1 320 mm)位于赤道面(即過(guò)靶室中心的水平面)的φ300 mm法蘭處,通過(guò)1段波紋管連接1個(gè)大型錐體，如圖1所示。該錐體部件上安裝有18個(gè)透鏡，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)中前端激光器系統(tǒng)放大的18束激光，經(jīng)過(guò)18個(gè)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(zhǎng)為1 200 mm，使用1Cr18Ni9Ti不銹鋼制造。在大端法蘭上設(shè)計(jì)有18個(gè)小法蘭，用于安裝透鏡，小法蘭的軸線均勻分布在3個(gè)具有不同錐角的圓錐面上(每個(gè)圓錐上均勻分布6個(gè)小法蘭)，3個(gè)圓錐頂點(diǎn)(以下稱為錐體的頂點(diǎn))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(guò)支承螺桿連接，后者直接固定于地面。

錐體安裝的技術(shù)要求如下：錐體的頂點(diǎn)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(guò)錐體軸線且其上分布的3個(gè)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(zhuān)用安裝工裝設(shè)計(jì)

為滿足上述安裝要求，在安裝過(guò)程中應(yīng)能夠?qū)﹀F體進(jìn)行六維調(diào)節(jié)。根據(jù)錐體本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及支承要求，通過(guò)現(xiàn)有的支承方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)錐體進(jìn)行除繞自身軸線旋轉(zhuǎn)之外的五維調(diào)節(jié)，即利用調(diào)節(jié)4個(gè)支承螺桿上螺母的位置實(shí)現(xiàn)對(duì)錐體的三維調(diào)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(nèi)的平移要求，從而實(shí)現(xiàn)二維調(diào)節(jié)。

錐體自身質(zhì)量約為300 kg，如果依靠4個(gè)支承螺桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，則需克服較大的摩擦力，不滿足多次反復(fù)的精密調(diào)節(jié)要求；另外，對(duì)錐體進(jìn)行平推移動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，錐體與4個(gè)螺母(與支承螺桿構(gòu)成螺紋副)之間會(huì)產(chǎn)生較大的滑動(dòng)摩擦力，同樣無(wú)法滿足錐體在水平方向的精密調(diào)節(jié)要求。因此，需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用的調(diào)節(jié)工裝。

2.1 錐體高度調(diào)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(jié)構(gòu)如圖2所示。調(diào)節(jié)螺桿卡在定位板寬40 mm的通槽內(nèi)，而定位板焊接在下支承的上平面上。軸承座與調(diào)節(jié)螺桿構(gòu)成螺紋副，軸承座內(nèi)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(pán)、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(diào)節(jié)開(kāi)始前處于圓盤(pán)的中心位置。

圖2 錐體高度調(diào)節(jié)工裝

利用該工裝對(duì)錐體進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，只需使用扳手轉(zhuǎn)動(dòng)軸承座，就可以帶動(dòng)鋼球、頂板等上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)錐體高度的調(diào)整。推力軸承的使用減小了調(diào)節(jié)過(guò)程中的摩擦力。

2.2 錐體平移調(diào)整工裝

錐體平移工裝全部安裝在下支承上(見(jiàn)圖3)。在下支承上端面長(zhǎng)邊、短邊兩側(cè)分別放置2個(gè)工裝和1個(gè)固定板，長(zhǎng)邊兩側(cè)的固定板由長(zhǎng)拉桿固定，短邊兩側(cè)的固定板由短拉桿固定，在固定板靠上位置安裝有調(diào)節(jié)螺釘，通過(guò)調(diào)節(jié)該螺釘可以輕松地對(duì)錐體進(jìn)行平移調(diào)節(jié)。為防止調(diào)節(jié)螺釘在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)上支承側(cè)面造成損傷，在其表面夾墊了橡膠墊。

圖3 錐體平移調(diào)節(jié)工裝

2.3 錐體旋轉(zhuǎn)調(diào)整工裝

錐體旋轉(zhuǎn)調(diào)整工裝如圖4所示。旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)工裝固定于下支承上端的2個(gè)短橫梁上面，其中，梯形支承通過(guò)螺栓固定于下支承橫梁上，其上端面焊接固定螺母，調(diào)節(jié)螺桿與固定螺母構(gòu)成一對(duì)螺紋副，其上端插入V形軸承座的孔內(nèi)，V形軸承座內(nèi)放置滾動(dòng)軸承，由其支承穿過(guò)錐體的轉(zhuǎn)軸。

圖4 錐體旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)工裝

根據(jù)錐體的結(jié)構(gòu)，為了與轉(zhuǎn)軸配合使用，需在其大端和小端分別加工和安裝相應(yīng)的法蘭盤(pán)。對(duì)于法蘭盤(pán)與錐體的配合沒(méi)有特別要求，旋轉(zhuǎn)調(diào)整只要實(shí)現(xiàn)錐體大端位于通過(guò)錐體中心軸的平面上的3個(gè)法蘭中心同一水平面上即可。在對(duì)錐體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)整時(shí)，使用扳手轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿，使錐體與上支承分離，之后就可以轉(zhuǎn)動(dòng)錐體，對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)整。

3 錐體安裝工藝過(guò)程

3.1 安裝基準(zhǔn)確定

在安裝靶室時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)與后續(xù)安裝的錐體和其他光學(xué)部件精密對(duì)接，借助激光標(biāo)線儀在靶室上預(yù)留了基準(zhǔn)標(biāo)記[2]。在安裝錐體之前，應(yīng)使用激光標(biāo)線儀恢復(fù)安裝基準(zhǔn)——激光標(biāo)線儀發(fā)出的2條水平激光線和鉛垂激光線的交點(diǎn)通過(guò)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(guò)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(biāo)記(至少要在2根橫梁上作出標(biāo)記)；然后，將下支承安裝到大概位置，調(diào)整其位置使所做的標(biāo)記與標(biāo)線儀的鉛垂線重合，并對(duì)其進(jìn)行整體調(diào)平(整體調(diào)平有助于下支承在以后的使用過(guò)程中保持自然狀態(tài))，調(diào)平通過(guò)在下支承下端的平板與地面之間加塞墊片來(lái)實(shí)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(guò)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(guò)螺栓將兩者固定，將圖3中提及的法蘭盤(pán)安裝到錐體兩端的法蘭上，再將旋轉(zhuǎn)軸安裝于法蘭盤(pán)的孔內(nèi)。

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

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

4)松開(kāi)并拿掉連接錐體與上支承的螺栓。

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

6)以之前確定的激光標(biāo)線儀的水平線為基準(zhǔn)，稍微轉(zhuǎn)動(dòng)錐體，直到錐體上位于赤道面的2個(gè)法蘭中心與水平線完全重合(見(jiàn)圖5)。在2個(gè)法蘭盤(pán)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(zhuǎn)調(diào)整示意圖

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

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

9)將平移工裝固定在下支承上。

10)同時(shí)使用平移工裝和高度調(diào)整工裝對(duì)錐體進(jìn)行精密調(diào)節(jié)。借助特制的測(cè)量工具檢測(cè)錐體大端小法蘭端面到靶心的距離，以此判斷錐體頂點(diǎn)與靶心的重合精度；以激光標(biāo)記儀的2條激光線作為安裝基準(zhǔn)，繼續(xù)使用步驟6中使用的法蘭蓋，同時(shí)在中心法蘭上也安裝1個(gè)同樣的法蘭蓋(見(jiàn)圖6)，中間的法蘭蓋用來(lái)檢測(cè)錐體中心是否與靶心重合，兩邊的法蘭蓋用來(lái)檢測(cè)錐體赤道面是否與靶室赤道面重合。這個(gè)調(diào)整過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，需要多次反復(fù)調(diào)整。

圖6 錐體調(diào)整工裝

經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，激光標(biāo)線儀的精度和專(zhuān)用測(cè)量工裝的精度均滿足錐體安裝精度的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

從某光學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)錐體提出的物理需求出發(fā)，根據(jù)錐體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安裝技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了3種專(zhuān)用的安裝調(diào)試工裝。經(jīng)過(guò)實(shí)際使用，該工裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用輕巧方便，完全可滿足對(duì)大型錐體進(jìn)行六維精密調(diào)節(jié)的要求。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量和光學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證，安裝到位后的大型錐體的安裝精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,完全滿足開(kāi)展精密光學(xué)試驗(yàn)的要求。

[1] 趙學(xué)慶,劉晶儒,易愛(ài)平.平滑化窄脈沖高功率準(zhǔn)分子激光放大技術(shù)[J].光學(xué)精密工程, 2011,19(2)：397-405.

[2] 霍曉飛,王建敏,梁雅軍.激光標(biāo)線儀校準(zhǔn)方法研究[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù), 2013,33(6)：13-16.

*激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(SKLLIM1006-01)

責(zé)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(fèi)國(guó)強(qiáng)(1966-)，男，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等方面的研究。

2015-01-16