量化分析技术在光机装调工艺中的应用

左晓舟，张　燕，杨海成，惠刚阳，王章利，姜　峰

(西安应用光学研究所，陕西 西安 710065)

量化分析技术在光机装调工艺中的应用

左晓舟，张燕，杨海成，惠刚阳，王章利，姜峰

(西安应用光学研究所，陕西 西安 710065)

摘要：介绍了一种定量、直观、高效的光机装调工艺技术思路——量化分析技术，提出了量化分析技术在光电稳瞄系统光机装调工艺过程中的作用。通过多个详实的例子，介绍了量化分析技术在光机装调过程中的应用基础、分析过程和反馈指导等环节，并给出了利用量化分析得到的装调结果，即相比传统工艺，量化分析技术可以明显提高光电稳瞄产品光机装调的精度与装调效率。最后，对量化分析技术的推广应用进行了思考，旨在提升光电稳瞄产品的试制生产质量与效率。

关键词：光机装调工艺；量化分析；计算模拟

光机装调是光电稳瞄产品研制和生产过程中的重要环节之一，它直接影响着光电稳瞄系统的精度与可靠性，并决定着产品的试制生产效率与周期[1]；因此可以说， 对光机装调工艺过程的优化控制就是对产品质量与成本的改进。目前，光机装调工艺仍然处于定性分析的阶段，经验因素在装调过程中占主导地位，由此带来了大量的不确定性与反复工作，严重制约着光电稳瞄产品的精益制造发展需求。本文介绍了一种新的光机装调工艺思路——量化分析技术，通过对该技术手段在光电稳瞄产品光机装调过程中的应用，可将原先的定性分析过程改进为定量分析，在提升产品质量与可靠性的同时，大幅提高产品试制生产效率。

1量化分析的涵义

量化分析技术属于光机装调工艺技术，是指借助软件模拟和公式推导等手段，对产品的一些典型技术指标进行定量分析与计算的方法。该方法以数据的形式对光机装调过程进行技术性的指导，从而使装调过程高效、准确，避免经验性及盲目性操作。下述列出了一些量化分析技术在光机装调中的应用实例。

2量化分析应用举例

2.1利用设计与分析软件进行量化分析

2.1.1光电转台正交性的装调分析

光电稳瞄系统光电转台通常对瞄准线正交性有着较高的要求，通常在整机集成过程中采用修垫方位机构与俯仰机构连接面的工艺方法，对整机正交性进行控制[2]，该方法需要依靠一定的经验因素且无法正确修正瞄准视轴误差，会带来较多的反复工作，由于光电转台方位机构与俯仰机构的尺寸与质量较大，因此会给操作带来很大的困难。

对影响正交性误差的因素进行量化分析，得到产生瞄准线正交性误差的原因：1)正交性调试检测中架设产品时方位轴的铅垂度；2)方位轴与俯仰轴的垂直度；3)瞄准轴与俯仰轴的垂直度。通过三维设计软件可以分析模拟各种情况下的正交性误差模型，直观地得出瞄准轴的扫掠轨迹，以此反馈指导实际情况，确定产品实际的正确装调环节与调整量。方位轴与俯仰轴的垂直度误差模拟图如图1所示，瞄准轴与俯仰轴的垂直度误差模拟图如图2所示。

图1　方位轴与俯仰轴的垂直度误差模拟图

图2　瞄准轴与俯仰轴的垂直度误差模拟图

2.1.2光学系统焦距与像质装调

焦距和成像质量都是光学系统的重要指标，根据系统中各透镜的材料、面型、中心厚度以及光学间隔来决定。装调时如果焦距超差，则首先测量光学间隔，保证其满足图样尺寸要求；但有时即使光学间隔满足图样要求，焦距值也不一定符合设计要求，同时系统分辨率也无法达标。在单透镜的中心厚与面型精度均合格的情况下，需要人工调整光学间隔，使焦距满足图样要求，然后检查像质。

为避免光学间隔调整的盲目性，可以借助Zemax和CODE V等光学设计软件模拟电视光学系统，在软件中代入各单透镜的中心厚度以及面型精度的实测值，然后改变各光学间隔值，得出各光学间隔对焦距影响的权重以及光学间隔的改变量与焦距值变化的关系；同时，利用MTF曲线或点列图等像质评价方法分析光学间隔改变对系统成像质量带来的影响，从而指导操作人员定向、定量地改变光学间隔，以此提高光学系统性能与装调效率。

2.1.3两轴四框架结构的轻质、精准配平

两轴四框架结构是机载光电稳瞄系统的典型结构，其光机装调内环系统的精密配平是影响光电系统稳瞄精度的重要因素。传统配平工艺的配平操作主要依靠操作者的手感及经验，质心位置确定依靠操作者的观察与估测，配平块位置的确定依靠摸索试验，俯仰与方位配平交叉影响，过程繁琐，生产效率低，操作随机误差大，配平精度低，且因配平方法不当可导致机载吊仓内环系统质量增加严重，不但难以实现产品轻量化要求，反而制约系统的工作性能。

为了达到高效、轻质和精准配平的目的，提高稳瞄系统稳定精度，减轻产品配平质量，也可采取量化分析技术。首先，根据经典力学原理推导出质心计算及精准配平的原理式；然后，在工艺中引入数字建模分析手段，根据产品结构尺寸，通过三维软件建模的方式，模拟实际产品的质心偏移状态，在计算机上实现模拟配平并反馈指导实际操作。模拟配平过程中，对于配平位置及配重的计算，采用兼顾、补偿的原则，将光具座组件的质心位置调整到内方位轴上，与内万向架在z轴方向的质心偏移相补偿，达到轻质配平的目的。两轴四框架配平模型图如图3所示。

图3　两轴四框架配平模型图

2.2利用光学原理与公式进行量化分析

2.2.1电视成像系统定焦面

所谓电视系统定焦面就是将CCD器件准确地置于电视光学系统的后焦面上，使电视系统对平行光管提供的无穷远目标清晰成像。传统装调工艺方法是将电视系统置于平行光管前，通过调整CCD器件的轴向位置，使其对平行光管分划板成清晰像，然后测量CCD的轴向位移量δ′，即为其所需的调整量。该工艺方法会受CCD器件装配型式以及结构的限制，从而带来较大的测量误差，甚至难以实现。定焦面光学示意图如图4所示。

图4　定焦面光学示意图

应用量化分析技术，改变工艺流程，通过调整平行光管分划板的轴向位置，使其分划清晰地成像于监视器上，然后根据平行光管分划板的轴向位移量δ′，计算确定电视CCD器件的调整量δ，从而准确给出CCD垫片的修垫量。

设测试用平行光管的焦距为f′，被测电视光学系统的焦距为f，则：

式中，“-”号表示两者方向相反，即如果平行光管分划板远离平行光管物镜，则电视CCD应靠近电视物镜系统，反之亦然。

2.2.2可见光望远系统视差的装调与检测

可见光望远系统的物镜组件往往要求将分划板置于其物镜的后焦面上，否则会对观瞄系统带来视差，存在视差的望远观瞄系统使观察者无法同时看清观测目标与瞄准分划十字，严重影响观测精度[3]。视差可用线视差b与角视差ε 2种方式进行表示，所谓视差的装调就是确定分划板偏离焦面的轴向位置量，即线视差b，然后修垫隔圈进行保证，对此过程的量化分析与电视系统定焦面相同。

对于视差的检测，通常用角视差ε来度量。检测时将产品置于测试用平行光管前，观察者在产品目镜处观察，通过调整平行光管分划板的轴向位置，使产品物镜分划与平行光管分划同时清晰成像，然后根据平行光管分划板的轴向位移量δ′计算角视差ε。

设测试用平行光管的焦距为f′，产品望远系统的放大率为Γ，望远系统的出瞳直径为D，则：

2.2.3光学定中心时球心像位置的确定

在利用反射法进行光学组件的定心切削与定心装调时，需要正确定位光学系统中各表面的球心自准像，并将其划圈调至指标范围内[4]。通常的找像方法是改变自准直管的焦距或移动自准直管的位置，在较大范围内对球心反射像进行搜寻，如果光学系统仅仅是单透镜或胶合透镜，该方法还可行，但如果光学系统含有2片以上的透镜单元，则此方法根本无法区分全范围内的诸多反射像。多球面球心反射像光学原理图如图5所示。

图5　多球面球心反射像光学原理图

根据该递推方程组，开发编制了球心反射像计算程序，技术人员只需输入已知的光学参数，便可方便快速地计算出任意镜面的球心反射像位置并反馈给操作人员，从而大幅度提高了定心调试的效率，取得了很好的效果。

3装调结果

量化分析与传统工艺装调结果对比见表1。从表1可以看出，利用量化分析对光电稳瞄系统光机装调工艺过程进行优化，可以显著提高装调精度与装调效率。

表1　量化分析与传统工艺装调结果对比

4结语

量化分析技术可以对光机装调过程提供客观、准确和定量的技术支持，其他一些典型的光机装调工艺过程，如光机装配应力分析、高低温下产品的形变、构件承受载荷与其紧固螺钉的拧紧力矩等也都可以运用量化分析技术。量化分析要求技术人员具备扎实的光学和机械专业知识，较强的分析、思考能力以及设计分析软件的运用能力。为了满足光电稳瞄产品的精益制造发展需求，应该从上述几个方面提升技术水平，提高运用量化分析解决技术问题的意识，将量化分析能力融会贯通并加以推广，使其可以贯穿整个试制生产过程的始终。

参考文献

[1] 姜峰.光电稳瞄系统装调的关键技术[J].应用光学，2007，28(2)：156-158.

[2] 刘愈铭.光学仪器设计生产与装配、检校及光学冷加工新工艺新技术、质量检验标准规范实务全书[M].北京：北方工业出版社,2006.

[3] 《计量测试技术手册》编辑委员会.计量测试技术手册 第10卷：光学[M].北京：中国计量出版社,1997.

[4] 张泉，罗劲峰.反射式光学系统中心偏的测量[J].光学仪器，2008，30(5)：6-7.

责任编辑李思文

Application of Quantitative Analysis in Mech-optic Assembly and Alignment

ZUO Xiaozhou, ZHANG Yan, YANG Haicheng, HUI Gangyang,WANG Zhangli, JIANG Feng

(Xi’an Institute of Applied Optics, Xi’an 710065,China)

Abstract:The paper introduced a quantitative, measurable and efficient technique for assembly and alignment of a mech-optic quantitative analysis. The paper defined the meaning of quantitative analysis in the assembly and alignment process of stabilized electro-optical sight system. By giving several specific instances, the general application, procedure analysis, feedback indicators, as well as the performance of quantitative analysis method were introduced, that is compared with traditional technics, quantitative analysis can improve precision and efficiency of stabilized electro-optical sight system aiming at improving the production quality and efficiency of stabilized electro-optical sight product, the paper also discussed the popularization of the technique.

Key words:mech-optic alignment technics, quantitative analysis, calculate and simulate

收稿日期：2014-04-29

作者简介：左晓舟(1985-)，男，工程师，硕士，主要从事光电仪器光机装调工艺等方面的研究。

中图分类号：TN 205

文献标志码：B