一種光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計和振動穩(wěn)定性研究

時間：2022-08-17 01:37:02

關(guān)鍵字：兩維調(diào)節(jié) 有限元分析振動

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[導(dǎo)讀]摘要:設(shè)計了一種光軸調(diào)節(jié)機構(gòu),闡述了此調(diào)節(jié)機構(gòu)的原理和結(jié)構(gòu)組成,計算了調(diào)節(jié)精度和彈簧彈力,通過有限元方法進(jìn)行靜力分析并求解調(diào)節(jié)反作用力,通過振動試驗來驗證調(diào)節(jié)機構(gòu)振動穩(wěn)定性,通過調(diào)整彈簧彈力及重復(fù)振動試驗來論證彈簧彈力對調(diào)節(jié)機構(gòu)振動穩(wěn)定性的影響。此光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)精度高,使用簡便,抗振動性好,可以應(yīng)用于光學(xué)校準(zhǔn)等領(lǐng)域。

引言

近年來,光學(xué)技術(shù)在各個領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用,因此對光軸的準(zhǔn)直性和調(diào)節(jié)的便捷性以及使用的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計提出了更高的要求。傳統(tǒng)的光軸調(diào)節(jié)方法通常為對光源直接進(jìn)行調(diào)整或通過帶楔角的楔形棱鏡進(jìn)行調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)原理復(fù)雜,光軸方向難以控制。因此,需要一款調(diào)節(jié)精度高、使用方便的光軸調(diào)節(jié)機構(gòu):考慮到實際使用環(huán)境的嚴(yán)酷性,此調(diào)節(jié)機構(gòu)還必須兼具可靠的振動穩(wěn)定性。本文設(shè)計了一款光軸調(diào)節(jié)機構(gòu),通過旋轉(zhuǎn)分度調(diào)節(jié)旋鈕,方便快捷地實現(xiàn)光軸X向、Y向的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)精度小于0.5mrad,通過調(diào)整彈簧彈力,能夠在各種條件下具備良好的振動穩(wěn)定性,具有廣闊的應(yīng)用前景。

1光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)有限元模型

1.1光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1、圖2、圖3所示,此光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)主要由1一分度調(diào)節(jié)旋鈕、2一底座、3一彈簧壓圈、4一光源、5一調(diào)節(jié)鏡筒、6一透鏡、7一復(fù)位彈簧等組成。件4光源、件5調(diào)節(jié)鏡筒和件6透鏡構(gòu)成光學(xué)組件。光學(xué)組件安裝在件2底座內(nèi),件5調(diào)節(jié)鏡筒的斜面與件2底座的倒圓角相接觸構(gòu)成支點。件7復(fù)位彈簧安裝在件5調(diào)節(jié)鏡筒的凹槽內(nèi),與光學(xué)組件一起通過件3彈簧壓圈壓緊在底座內(nèi)。由于四根復(fù)位彈簧都分布在第四象限,因此產(chǎn)生指向第一象限的合力,推動光學(xué)組件的光軸向第一象限傾斜,然后再通過旋轉(zhuǎn)件1分度調(diào)節(jié)旋鈕來對光學(xué)組件的光軸方向進(jìn)行回復(fù)和調(diào)整,以達(dá)到光軸X向、Y向調(diào)節(jié)的目的。

圖1光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)外觀圖

1.2有限元模型的建立

如圖4所示,將光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)三維模型劃分為網(wǎng)格模型,對模型進(jìn)行簡化,去除對強度、剛度影響不大的細(xì)小特征。此外,模型還有許多附屬結(jié)構(gòu),對強度和剛度貢獻(xiàn)較小,對分析無影響,也進(jìn)行適當(dāng)簡化。采用實體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對接觸面進(jìn)行網(wǎng)格控制,劃分后共有64037個節(jié)點、36582個單元。

圖2光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)原理圖

圖3光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)復(fù)位彈簧分布圖

圖4光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)有限元模型

光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)主體材料為6061鋁合金,材料機械性能參數(shù)如表1所示。

2計算求解分析

2.1調(diào)節(jié)精度計算

設(shè)計要求光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)的調(diào)節(jié)精度為分度調(diào)節(jié)旋鈕每轉(zhuǎn)動69,激光光軸偏轉(zhuǎn)≤0.5mrad。

光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)通過杠桿原理進(jìn)行光軸指向調(diào)節(jié),如圖5所示,調(diào)節(jié)旋鈕與支點位置距離為L,每移動距離h,激光光軸相應(yīng)轉(zhuǎn)動角度a計算公式為:

模型中支點與分度調(diào)節(jié)旋鈕的調(diào)節(jié)中心距離L=l4.5mm,調(diào)節(jié)旋鈕一周分為60格,每格對應(yīng)角度為6m,旋鈕的調(diào)節(jié)螺紋為M6×0.4細(xì)牙螺紋,每轉(zhuǎn)動一圈螺桿前進(jìn)0.4mm,那么每轉(zhuǎn)動一格螺桿前進(jìn)距離h=0.4/60mm,經(jīng)過計算得出分度調(diào)節(jié)旋鈕每轉(zhuǎn)動一格,也就是每轉(zhuǎn)動6m,激光光軸相應(yīng)轉(zhuǎn)動0.46mrad,滿足調(diào)節(jié)精度<0.5mrad的設(shè)計要求。

2.2彈簧彈力計算

如圖6所示,模型中X軸彈簧彈力為F1,y軸彈簧彈力為F2,中間兩根彈簧彈力分別為F3、F4,4根彈簧壓縮量相同,彈力大小相等。F1與F2合力為F5,F3與F4合力為F6,F5與F6方向相同,都斜指向第一象限。

彈簧簧絲直徑d=0.8mm,中徑D=4mm,有效圈數(shù)n=4,自由高度H0=9mm,彈簧材料為60si2Mn,材料機械性能參數(shù)如表2所示。

式中,k為彈簧剛度(N/mm):G為切變模量(MPa):C為旋繞比,C=D/d。

彈簧彈力:

式中,/為工作載荷下變形量(mm)。

經(jīng)計算k=15.8N/mm。

工作狀態(tài)1彈簧變形量為/=2.5mm,對應(yīng)彈簧彈力F=39.5N:

工作狀態(tài)2彈簧變形量為/=3.2mm,對應(yīng)彈簧彈力F=50.5N。

2.3靜力學(xué)分析及調(diào)節(jié)反作用力計算

采用有限元分析的方法對模型進(jìn)行靜力學(xué)分析,并計算作用在分度調(diào)節(jié)旋鈕上的調(diào)節(jié)反作用力。

光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)底座上有四個安裝孔,通過螺釘固定到設(shè)備殼體內(nèi)部,因此對四個安裝孔施加固定約束。調(diào)節(jié)鏡筒的凹槽與彈簧壓圈之間定義四根剛度為15.8N/mm的彈簧,初始壓縮預(yù)緊力為39.5N(工作狀態(tài)1)。通過運算得出最大應(yīng)力出現(xiàn)在調(diào)節(jié)鏡筒與分度調(diào)節(jié)旋鈕之間的接觸位置,最大等效應(yīng)力為19.7MPa,如圖7所示,遠(yuǎn)低于鋁合金屈服強度:同時可以得出作用在X向、y向調(diào)節(jié)旋鈕上的調(diào)節(jié)反作用力為53.7N。

圖7分度調(diào)節(jié)旋鈕應(yīng)力云圖

將彈簧壓縮預(yù)緊力調(diào)整為50.5N(工作狀態(tài)2),重復(fù)上述運算,得出最大等效應(yīng)力為25MPa,如圖8所示,同樣遠(yuǎn)低于鋁合金屈服強度:同時可以得出作用在X向、y向調(diào)節(jié)旋鈕上的調(diào)節(jié)反作用力為68.7N。

圖8分度調(diào)節(jié)旋鈕應(yīng)力云圖

3試驗與驗證

此光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)可以應(yīng)用于如下三種使用環(huán)境:(1)直升機機載設(shè)備:(2)履帶車設(shè)備:(3)組合輪式車輛設(shè)備。要求在每一種使用環(huán)境下都能保證光軸指向穩(wěn)定,因此針對三種不同環(huán)境分別進(jìn)行相應(yīng)的試驗以驗證此調(diào)節(jié)機構(gòu)的振動穩(wěn)定性。

3.1試驗條件與試驗方法

試驗設(shè)備為平行光管和振動試驗臺,光軸調(diào)節(jié)機構(gòu)復(fù)位彈簧壓縮量設(shè)置為2.5mm,試驗按照參考文獻(xiàn)《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第16部分:振動試驗》(GJB150.16A一2009)進(jìn)行。

3.1.1直升機機載設(shè)備振動試驗

試驗譜特點如圖9所示。