基于拼裝式光學(xué)玻璃窗口防護(hù)裝置的研究

王輝平

（南京拓控信息科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

隨著科技的進(jìn)步，精密光學(xué)元器件如激光器、相機(jī)、紅外線溫度傳感器、其他各類光學(xué)傳感器等越來越多的應(yīng)用于工業(yè)界的產(chǎn)品開發(fā)，且精密光學(xué)器件運(yùn)用條件苛刻，防水等級須達(dá)到IP67、工作溫度要求較高，精密光學(xué)器件因本身達(dá)不到這些要求，應(yīng)用中需要由封閉殼體和光學(xué)玻璃窗口做一個(gè)密封體，因光學(xué)玻璃被沖撞后易碎，所以需要在光學(xué)玻璃窗口前增加一個(gè)防護(hù)裝置。當(dāng)光學(xué)器件工作時(shí)，防護(hù)裝置處在打開狀態(tài)；而當(dāng)光學(xué)器件停止工作時(shí)，防護(hù)裝置處在關(guān)閉狀態(tài)，能有效起到防護(hù)作用。

1 常見光學(xué)玻璃窗口防護(hù)裝置

帶控制光學(xué)玻璃窗口防護(hù)裝置的目的是在光學(xué)器件停止工作時(shí)有效防止意外沖撞導(dǎo)致光學(xué)玻璃破裂。光學(xué)玻璃窗口防護(hù)裝置按運(yùn)動(dòng)方式可以分為擺動(dòng)和滑動(dòng)，按運(yùn)動(dòng)軌跡可以分為弧面運(yùn)動(dòng)和平面運(yùn)動(dòng)，按運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)軌跡組合的類型有弧面擺動(dòng)、平面擺動(dòng)、弧面滑動(dòng)、平面滑動(dòng)等。

（1）弧面擺動(dòng)式帶控制光學(xué)玻璃窗口防護(hù)裝置，其與封閉殼體分離，其主要組成部分有異步電機(jī)、主軸、軸承、軸承座、連桿、多層葉片、耐磨墊片、限位開關(guān)、限位觸發(fā)塊等。電機(jī)和軸承套在主軸上，軸承固定于軸承座內(nèi)，限位觸發(fā)塊和連桿固定在主軸上，限位觸發(fā)塊位于兩個(gè)限位開關(guān)之間，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)中心同樣在主軸上，外層葉片固定在連桿上，內(nèi)層葉片固定不動(dòng)，葉片之間防止摩擦，在轉(zhuǎn)動(dòng)處用耐磨墊片間隔開來。設(shè)定葉片初始狀態(tài)為打開狀態(tài)，電機(jī)在外部給予動(dòng)作信號(hào)后開始動(dòng)作，電機(jī)帶動(dòng)主軸，主軸帶動(dòng)連桿，連桿帶動(dòng)外層葉片向一個(gè)方向弧面擺動(dòng)一定距離，限位開關(guān)被限位觸發(fā)塊觸發(fā)后電機(jī)停止動(dòng)作，此時(shí)葉片處在關(guān)閉狀態(tài)，此過程主軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°；電機(jī)在外部再次給予動(dòng)作信號(hào)后主軸再轉(zhuǎn)動(dòng)180°，外層葉片向相反方向弧面擺動(dòng)相同距離，此時(shí)葉片處在打開狀態(tài)。此動(dòng)作過程循環(huán)往復(fù)，可提供光學(xué)玻璃窗口有效的防護(hù)。

（2）平面擺動(dòng)式帶控制光學(xué)玻璃窗口防護(hù)裝置，為節(jié)省空間可將其融入封閉殼體，其主要組成部分有異步電機(jī)、聯(lián)軸器、主軸、連桿、軸承、防護(hù)片、限位開關(guān)、外罩等。設(shè)定防護(hù)片初始狀態(tài)為打開狀態(tài)；電機(jī)固定在密封殼體內(nèi)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)；軸承嵌在密封殼體內(nèi)且套在主軸上；防護(hù)片固定在主軸上且置于密封殼體和外罩之間；限位開關(guān)同樣嵌在密封殼體內(nèi)，連桿和防護(hù)片隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)觸發(fā)限位開關(guān)后，電機(jī)停止動(dòng)作，此時(shí)防護(hù)片處在關(guān)閉狀態(tài)；外部再次給予電機(jī)動(dòng)作信號(hào)后，電機(jī)向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，待觸發(fā)另一限位開關(guān)后，電機(jī)停止動(dòng)作，此時(shí)防護(hù)片處在打開狀態(tài)。此動(dòng)作過程循環(huán)往復(fù)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)光學(xué)玻璃窗口的開放和防護(hù)。

（3）平面滑動(dòng)式帶控制光學(xué)玻璃窗口防護(hù)裝置，為節(jié)省空間可將其融入封閉殼體，其主要組成部分有異步電機(jī)、帶齒皮帶輪、帶齒皮帶、固定塊、防護(hù)片、滑槽、限位開關(guān)、外罩等。電機(jī)固定在密封殼體內(nèi)部且?guī)?dòng)帶齒皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)；兩個(gè)帶齒皮帶輪相距一定距離固定在密封殼體外部，帶齒皮帶固定在帶齒皮帶輪上；防護(hù)片通過固定塊固定在皮帶上且置于密封殼體和外罩之間；限位開關(guān)嵌在密封殼體內(nèi)，電機(jī)在外部給予其動(dòng)作信號(hào)后帶動(dòng)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶輪帶動(dòng)防護(hù)片在滑槽內(nèi)直線滑動(dòng)一定距離觸發(fā)限位開關(guān)后，電機(jī)停止動(dòng)作，若設(shè)定防護(hù)片初始狀態(tài)為打開狀態(tài)，此時(shí)防護(hù)片處在關(guān)閉狀態(tài)；外部再次給予電機(jī)動(dòng)作信號(hào)后，電機(jī)帶動(dòng)皮帶輪向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，待觸發(fā)另一限位開關(guān)后，電機(jī)停止動(dòng)作，此時(shí)防護(hù)片處在打開狀態(tài)。此動(dòng)作過程循環(huán)往復(fù)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)光學(xué)玻璃窗口的開放和防護(hù)。

（4）弧面滑動(dòng)式帶控制光學(xué)玻璃窗口防護(hù)裝置，其與封閉殼體分離，其主要組成部分有電機(jī)、連桿、防護(hù)片、彈簧、弧形滑槽、限位開關(guān)、外罩等。連桿固定在電機(jī)上，防護(hù)片固定在連桿上，彈簧固定在防護(hù)片一端，限位開關(guān)固定在外罩上；外部給予電機(jī)動(dòng)作信號(hào)后，電機(jī)通過連桿帶動(dòng)防護(hù)片順著弧形滑槽滑動(dòng)，在滑槽內(nèi)滑動(dòng)一定距離觸發(fā)限位開關(guān)后，電機(jī)停止動(dòng)作，若設(shè)定防護(hù)片初始狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)防護(hù)片處在打開狀態(tài)；外部再次給予電機(jī)動(dòng)作信號(hào)后，電機(jī)向相反方向運(yùn)動(dòng)，待觸發(fā)另一限位開關(guān)后，電機(jī)停止動(dòng)作，此時(shí)防護(hù)片處在關(guān)閉狀態(tài)。此動(dòng)作過程循環(huán)往復(fù)，可提供光學(xué)玻璃窗口有效的防護(hù)。

2 拼裝式光學(xué)玻璃窗口防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

拼裝式光學(xué)玻璃窗口防護(hù)裝置，其光學(xué)窗階差越小，整個(gè)光學(xué)窗與結(jié)構(gòu)形式之間的銜接更好，氣密性能也就更好；但這樣一來光學(xué)玻璃窗口防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)空間就會(huì)相當(dāng)小，而且給要同時(shí)實(shí)現(xiàn)保護(hù)多塊窗口的光學(xué)玻璃帶來相當(dāng)大的難度。根據(jù)該拼裝式光學(xué)窗口的下折形式特征，充分考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)形約束的條件，設(shè)計(jì)塊狀控制光學(xué)玻璃窗口的保護(hù)罩聯(lián)動(dòng)方案，見下圖1所示。原理是：使電機(jī)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)通過滾珠絲杠組件轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，并通過連接板實(shí)現(xiàn)窗口保護(hù)罩的直線運(yùn)動(dòng)。此設(shè)計(jì)能夠有效將窗口保護(hù)罩與整個(gè)結(jié)構(gòu)形式融合在一起，解決了小空間、多段窗保護(hù)罩同步平穩(wěn)作用，并能達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)的高精度要求等關(guān)鍵問題，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拼裝式光學(xué)玻璃窗口防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)參數(shù)計(jì)算

針對低溫下軸系會(huì)出現(xiàn)卡滯的現(xiàn)象等，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸系采用了一端雙向固定、一端游動(dòng)的支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，見下圖2示意圖。

圖2 軸系傳動(dòng)示意圖

由圖2可作進(jìn)一步的推算，即在實(shí)現(xiàn)窗口玻璃保護(hù)罩的軌跡時(shí)，滾動(dòng)珠絲杠的驅(qū)使下扭矩

其中，F(xiàn)為窗口玻璃保護(hù)罩活動(dòng)軌跡的阻力，l為進(jìn)給螺桿的行程，l=2mm時(shí)，為進(jìn)給螺桿的正向效率，。L=保護(hù)罩行程，當(dāng)L=300mm；t=窗口玻璃保護(hù)罩啟動(dòng)、關(guān)合時(shí)長，t＜25s，合理選擇各傳動(dòng)比，確定各傳動(dòng)部件的參數(shù)為：

由以上可以推算出，滾珠絲杠導(dǎo)程l=2mm；齒輪怠慢減速比=18：1。鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比達(dá)到1：1。

2.2 傳動(dòng)精度分析

分析各種誤差對傳輸速度的影響，是為了提高傳輸精度。窗口玻璃蓋保護(hù)理論傳輸速度計(jì)算公式表明，傳動(dòng)精度誤差主要來源于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比誤差、滾珠絲杠導(dǎo)軌誤差和電機(jī)速度誤差，最終測得機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，平穩(wěn)過渡，開合可靠，速度均勻，誤差只有1.3%。

3 試驗(yàn)測試

3.1 振動(dòng)試驗(yàn)

振動(dòng)試驗(yàn)是用于鑒定結(jié)構(gòu)承受適用環(huán)境能力的一種有效方法，可以暴露結(jié)構(gòu)缺陷，鑒定結(jié)構(gòu)的可靠性。防護(hù)裝置放置在振功試驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證的有限元分析結(jié)果的正確性。滿足從頻率在100Hz下的任務(wù)要求。結(jié)果見下表1所示。

表1 振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果顯示

3.2 高低模擬環(huán)境試驗(yàn)

利用高低溫箱模擬高空低溫低壓環(huán)境下的傳動(dòng)速度精度測試，當(dāng)溫度設(shè)定在-58℃時(shí)，壓降設(shè)為5.5kPa時(shí)，通過10次記錄光學(xué)玻璃窗口保護(hù)裝置的開合精度及時(shí)間時(shí)的值，其與理論計(jì)算值12.8mm/s（此處受篇幅限制不推算過程）相對比誤差不過為1.3%，試驗(yàn)結(jié)果在當(dāng)初設(shè)計(jì)要求3%的范圍內(nèi)，滿足使用要求。

4 結(jié)語

總的來說，不同的帶控制光學(xué)玻璃窗口防護(hù)裝置，在不同的條件下選用的類型不盡相同。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，適用即是最優(yōu)，針對各類型衍生出能適用于特殊環(huán)境下，如高空、高壓、高頻的精確作業(yè)情況下使用，需要考慮到設(shè)計(jì)通過作分段拼裝窗口玻璃配備一個(gè)保護(hù)罩的聯(lián)動(dòng)方案，其裝置組成及部件功能測度表明可以成功應(yīng)用于特殊或苛刻環(huán)境作業(yè)，其能平穩(wěn)，快速，可靠地作出保護(hù)動(dòng)作。