（北京遙感設(shè)備研究所，北京100854）

0 引言

光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡是采用光學(xué)成像原理進(jìn)行瞄準(zhǔn)及跟蹤等相關(guān)任務(wù)，與機(jī)械瞄準(zhǔn)鏡相比，光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡的定位更加準(zhǔn)確，且可以有效地削弱天氣對使用精度的影響。20世紀(jì)以來，隨著光學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡所應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，瞄準(zhǔn)鏡的種類層出不窮，激光瞄準(zhǔn)鏡、紅外瞄準(zhǔn)鏡、熱成像瞄準(zhǔn)鏡產(chǎn)品等應(yīng)用于各類航空航天及武器裝備中［1-2］。

航天領(lǐng)域特殊的工作環(huán)境會使光學(xué)元件的形狀及內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而對其光學(xué)特性產(chǎn)生明顯的影響［3］。其中，對相對敏感光學(xué)來說，應(yīng)力的控制（包括外部應(yīng)力與內(nèi)部應(yīng)力）對光學(xué)成像非常重要，本文針對航天用跟蹤設(shè)備的受力情況進(jìn)行進(jìn)一步研究［4-6］。

1 課題來源和設(shè)計(jì)裝配要求

1.1 課題來源與應(yīng)用背景

本課題來源于一種航天用跟瞄設(shè)備，與常用跟瞄設(shè)備相比，需要更高的裝調(diào)精度，光軸相對3處基準(zhǔn)面平行度誤差均小于10″，Y、Z向安裝精度高于±0.05mm，同時需要保證很高的光學(xué)像質(zhì)和穩(wěn)定性。

并且，面向航天應(yīng)用還需要滿足嚴(yán)格的可靠性、維修性和保障性要求。需要建立可靠性模型，依據(jù)GJB／Z299C及 GJB／Z108A進(jìn)行失效率統(tǒng)計(jì)，要求涵蓋相關(guān)的所有元器件；按照GJB／Z1391進(jìn)行故障模式、影響及危害度分析 （FMECA），找出系統(tǒng)中可靠性薄弱環(huán)節(jié)，并提出關(guān)鍵件和重要件。

另外，面向航天設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求是最需要重點(diǎn)考慮的方面。本產(chǎn)品需要通過氣密試驗(yàn)、溫度類試驗(yàn)（高低溫試驗(yàn)、溫度沖擊試驗(yàn)、恒定濕熱等）、加速度試驗(yàn)、沖擊 （半正弦、沖擊響應(yīng)譜）、振動（正弦、隨機(jī)）、公路運(yùn)輸?shù)却罅吭囼?yàn)驗(yàn)證，如圖1、圖2所示。

圖1 正弦沖擊譜線Fig.1 Sine impact line

圖2 隨機(jī)振動譜線Fig.2 Random vibration line

這就要求本產(chǎn)品在各種溫度、力學(xué)沖擊過程中保持穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，不因?yàn)橥饨绛h(huán)境的影響，造成光學(xué)鏡組位置和應(yīng)力的變化。為簡化復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，本文針對靜力下大過載、隨機(jī)振動、整體模態(tài)強(qiáng)度3個典型力學(xué)條件對應(yīng)力的影響情況進(jìn)行討論。得出減小應(yīng)力影響的有效方法，從設(shè)計(jì)角度實(shí)現(xiàn)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2 設(shè)計(jì)及裝配要求

根據(jù)項(xiàng)目要求，光軸偏移量不大于10″；調(diào)焦方式要求為手動調(diào)焦，可以手動調(diào)整焦距，焦距調(diào)整完成后能夠鎖定；要求進(jìn)行三防密封設(shè)計(jì)。根據(jù)以上要求，確定主體安裝形式為：鏡組1、鏡組2需安裝在同一高剛度鏡筒結(jié)構(gòu)，以保證精度。鏡組2需軸向可調(diào)，且需要將軸向平動轉(zhuǎn)變?yōu)橹芟蜣D(zhuǎn)動。電子艙部分需要與前部鏡組剛性連接，且保證在振動過程中對鏡組2的應(yīng)力影響盡可能小。鏡組安裝后，需通過安裝底座將精度傳遞到安裝位置3處基準(zhǔn)面上，進(jìn)行對接安裝。根據(jù)如上分析，具體組合形式如圖3所示。

圖3 組合形式結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Assembly drawing

由安裝形式可以很容易得出：

其中，αa為鏡組1和鏡組2的徑向跳動所引起的光軸偏轉(zhuǎn)量，αb為鏡組2整體偏轉(zhuǎn)所帶來的光軸偏轉(zhuǎn)量，αc為鏡組2鏡片安裝時所帶來的光軸偏轉(zhuǎn)量，τ1為鏡組1徑向跳動量，τ2為鏡組2徑向跳動量，τ3為驅(qū)動螺紋單邊公差所帶來的偏移，S為兩組鏡組的距離，B為二驅(qū)動銷最遠(yuǎn)端距離，C為鏡組2整體寬度。

綜上，由計(jì)算可得，調(diào)整裝配時應(yīng)先控制大鏡為基準(zhǔn)進(jìn)行注膠固定，可去除鏡組1跳動所帶來的影響，但是由于鏡組2需要軸向可調(diào)，不可避免地存在跳動。所以，此處公差設(shè)為0.01且有嚴(yán)格的同軸度和平行度要求，且為了保證順利裝配需表面光潔度較高。具體公差設(shè)計(jì)本文不做詳細(xì)討論，前鏡筒加工方案如圖4所示。

圖4 前鏡筒加工方案Fig.4 Drawing of the former lens

由此可見：

1）由于精度要求最高，鏡組2與前鏡筒零件的裝配很容易引入裝配應(yīng)力。

2）由于使用時也需要在此處手動調(diào)焦，且需要將周向的手輪轉(zhuǎn)動力作為驅(qū)動力將鏡組2兩側(cè)的驅(qū)動銷推動，二者速度不一致的情況下帶來的外部應(yīng)力也對光學(xué)影響很大。

3）前鏡筒與后鏡筒之間的連接需要很高剛度，需要兩處螺紋連接（圖4中2×M3處），在振動條件下也容易造成鏡組2的應(yīng)力變化，影響像質(zhì)。

4）鏡組2是通過光學(xué)鏡片與小鏡筒配合后作為整體進(jìn)行安裝的，作為精度影響最大位置，其本身的裝配過程也是十分重要的，且很容易引入裝配應(yīng)力。

針對以上4處應(yīng)力關(guān)鍵區(qū)域，本文提出了一種周向均勻應(yīng)力抱死的固定安裝方式，并設(shè)計(jì)一種螺釘旋緊周向均勻應(yīng)力工裝進(jìn)行應(yīng)力的去除，保證光學(xué)像質(zhì)在試驗(yàn)和使用過程中不發(fā)生惡化。

2 應(yīng)力消除

在航天產(chǎn)品中，應(yīng)力主要來源于3個方面：加工應(yīng)力、裝配應(yīng)力和外部環(huán)境應(yīng)力。其中，加工應(yīng)力相對獨(dú)立，是由材料本身的性質(zhì)和加工工藝所共同決定的，與其他二者關(guān)系較小。但是需要注意的是，一定要利用時效處理和振動去應(yīng)力等工藝方法，對加工后的殘余應(yīng)力進(jìn)行去除。不然在裝配和使用過程中，加工應(yīng)力釋放對產(chǎn)品性質(zhì)有很大的影響。

裝配應(yīng)力和外部環(huán)境應(yīng)力，經(jīng)過本文分析研究，是有著一定關(guān)系的。單獨(dú)考慮裝配應(yīng)力的情況下，從理論上來講，裝配應(yīng)力越小對產(chǎn)品影響越小。但是在應(yīng)力無法全部去除的情況下，此應(yīng)力的均勻性十分重要。應(yīng)力越均勻，對光學(xué)像質(zhì)來講產(chǎn)生的影響光學(xué)的微形變越小，對像質(zhì)的影響越小。當(dāng)然這是針對最常見的圓柱形光學(xué)鏡片而言，本文所討論的鏡組皆為此種圓柱形光學(xué)鏡片。除單獨(dú)考慮裝配應(yīng)力以外，實(shí)際情況中需要考慮外部環(huán)境應(yīng)力的影響。本文經(jīng)過有限元分析得出，在裝配過程中人為引入一合適的的預(yù)應(yīng)力，均勻的周向裝配應(yīng)力不僅對像質(zhì)沒有影響，反而能抵御外部環(huán)境應(yīng)力對光學(xué)像質(zhì)的影響。

2.1 加工應(yīng)力消除

加工過程中要先進(jìn)行粗加工，再進(jìn)行精加工，每次去除量不宜過大，一般根據(jù)光學(xué)對應(yīng)力的敏感度不同確定加工工序。越敏感，每次精加工去除量盡可能越小，減小應(yīng)力殘余。并且根據(jù)不同情況，利用時效處理和振動去應(yīng)力等工藝方法，對加工應(yīng)力進(jìn)行去除。另外，材料的選取方面，除了注意材料本身性質(zhì)，還需要考慮原材料本身的形狀要與最后成型形狀接近，以減小去除量過大和不均勻帶來的加工應(yīng)力和材料鍛造方向與使用時敏感方向差異帶來的應(yīng)力不均衡。

2.2 裝配應(yīng)力消除

裝配應(yīng)力的消除是光學(xué)裝配的重點(diǎn)，直接影響最后的光學(xué)像質(zhì)和產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。依據(jù)1.2節(jié)可知，裝配形式根據(jù)其性能要求和公差鏈?zhǔn)崂砜梢曰敬_定。裝配應(yīng)力的消除主要是在此基礎(chǔ)上，減小以下4方面的應(yīng)力：鏡組2與前鏡筒零件的裝配應(yīng)力、前鏡筒與后鏡筒兩處連接螺釘在周向過載沖擊情況下的應(yīng)力、鏡組2本身的裝配應(yīng)力以及手動調(diào)焦所引入的應(yīng)力。

針對前兩種應(yīng)力形成因素，通過有限元模擬對比，本文采用了周向均勻應(yīng)力抱死的固定方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)法蘭螺釘固定方式，如圖5所示。

圖5 周向抱死連接方式示意圖Fig.5 Diagram of all tightened mode

經(jīng)過應(yīng)力分析，這種安裝方式相對于傳統(tǒng)的法蘭螺釘固定方式，提供了更均勻的周向與軸向應(yīng)力分布。且由于軸向支撐作用距離較長，有效地減小了上文所提到的前鏡筒與后鏡筒兩處連接螺釘在周向過載沖擊情況下的應(yīng)力。且由于其整體剛度的提升，前鏡筒上與鏡組2相對接的薄壁部分也會承受更小的加載，減小鏡組2所受應(yīng)力，并保證鏡組2在軸向的順暢移動和最小的徑向跳動。

利用環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)所要求的徑向過載進(jìn)行有限元分析，可以發(fā)現(xiàn)此方法相對傳統(tǒng)的周向法蘭螺釘固定，在鏡組2鏡片的應(yīng)力方面有大幅度減小，整體的最大應(yīng)變也大量減小。計(jì)算對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩種安裝方式鏡片應(yīng)力對比圖Fig.6 Stress contrast diagram of lens

改動后的方式光學(xué)敏感面的應(yīng)力分布更為均勻，而且應(yīng)力最大處由15MPa減小到3MPa，減小了80%的最大應(yīng)力，可見對光學(xué)鏡組有很良好的應(yīng)力減小作用。

整體的最大應(yīng)力也從107MPa減小為24MPa，減小78%。而且與法蘭連接方案相比，最大應(yīng)力處與鏡組敏感部位相隔離，對光學(xué)鏡片產(chǎn)生的應(yīng)力極小，有效地提高了光學(xué)像質(zhì)。具體應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 兩種安裝方式整體應(yīng)力對比圖Fig.7 Stress contrast diagram of assembling

同樣的，減小鏡組2的安裝應(yīng)力也是重要環(huán)節(jié)。用同樣的原理——減小裝配過程中應(yīng)力的不均勻性，來達(dá)到減小裝配應(yīng)力殘余的目的。為此，設(shè)計(jì)了一種雙層螺紋壓緊、周向抱緊的調(diào)試工裝，如圖8所示。

圖8 調(diào)試工裝Fig.8 Setting tools

工裝通過內(nèi)層開章魚爪狀溝槽，來實(shí)現(xiàn)周向均勻抱緊的目的，通過外層均勻壓緊工裝提供抱緊力，周向通過8個螺紋孔固定外層工裝。其中，內(nèi)層工裝的壓緊程度通過其根部的剛度設(shè)計(jì)來調(diào)整到力度適中。通過此工裝，可以達(dá)到在裝配鏡組2的過程中裝配應(yīng)力最小的目的。經(jīng)過計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用，效果良好，相對于從前的調(diào)試裝配過程過程簡單，且成功率更高。

另外需要提到的是，通過這種周向抱死的連接方式，天然提供了前鏡筒與后鏡筒、手輪、阻尼墊片等組件連接時的導(dǎo)向槽，可以在高精度連接過程中不再需要人工定心夾持、對心等工作。通過周向抱死的連接槽可以直接輕松推入，在減小工作量的同時也減小了對插過程中可能帶來的裝配應(yīng)力。

2.3 抵抗外部環(huán)境應(yīng)力

除了裝配應(yīng)力外，另外一個影響光學(xué)像質(zhì)的主要因素就是外部環(huán)境應(yīng)力，而外部環(huán)境應(yīng)力本身是初始條件，無法改變。能做的就是通過控制裝配時的預(yù)應(yīng)力，來達(dá)到提高產(chǎn)品整體剛度，減小鏡片跳動量，從而達(dá)到更好的抵抗外部環(huán)境應(yīng)力的目的。通過有限元模擬與實(shí)際試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，用周向抱緊方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的法蘭連接方式，在提高整體結(jié)構(gòu)剛度、抵抗外部環(huán)境應(yīng)力方面也有很大的作用。圖9為有限元隨機(jī)振動分析，采用統(tǒng)一的約束方式與振動量級。可以看到，周向均勻抱死相對于法蘭連接，振動放大部位更靠近高頻，振幅更小，且從單峰變?yōu)殡p峰，有效減少了振動過程中應(yīng)力的集中。

另外，通過二者的模態(tài)結(jié)果對比，也可以明顯地看出，周向均勻抱死的剛度有明顯提升，如表1、表2所示。

圖9 隨機(jī)振動分析結(jié)果對比Fig.9 Comparison results of random vibration

表1 前6階模態(tài)對比表Table 1 Correlation table of six lowest order modal

表2 結(jié)果對比表Table 2 Results of comparison

3 結(jié)論

本文通過對加工應(yīng)力、裝配應(yīng)力與外部環(huán)境應(yīng)力3種應(yīng)力之間的關(guān)系進(jìn)行討論與研究，通過有限元結(jié)合試驗(yàn)的方法，提出了周向均勻抱死的連接方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的法蘭連接方式。設(shè)計(jì)了基于此原理的裝調(diào)工裝，有效減小了裝調(diào)過程中的各種應(yīng)力，并有效提高了對外部環(huán)境應(yīng)力的抵御能力。通過有限元方法，從沖擊過載、隨機(jī)振動、模態(tài)分析3個方面入手，結(jié)合試驗(yàn)，對其進(jìn)行了探究與驗(yàn)證，證明方法有效可行。

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