基于航天应用焦距可调镜组装配应力优化

（北京遥感设备研究所，北京100854）

0 引言

光学瞄准镜是采用光学成像原理进行瞄准及跟踪等相关任务，与机械瞄准镜相比，光学瞄准镜的定位更加准确，且可以有效地削弱天气对使用精度的影响。20世纪以来，随着光学技术的高速发展，光学瞄准镜所应用的领域也在不断扩大，瞄准镜的种类层出不穷，激光瞄准镜、红外瞄准镜、热成像瞄准镜产品等应用于各类航空航天及武器装备中［1-2］。

航天领域特殊的工作环境会使光学元件的形状及内部应力发生变化，进而对其光学特性产生明显的影响［3］。其中，对相对敏感光学来说，应力的控制（包括外部应力与内部应力）对光学成像非常重要，本文针对航天用跟踪设备的受力情况进行进一步研究［4-6］。

1 课题来源和设计装配要求

1.1 课题来源与应用背景

本课题来源于一种航天用跟瞄设备，与常用跟瞄设备相比，需要更高的装调精度，光轴相对3处基准面平行度误差均小于10″，Y、Z向安装精度高于±0.05mm，同时需要保证很高的光学像质和稳定性。

并且，面向航天应用还需要满足严格的可靠性、维修性和保障性要求。需要建立可靠性模型，依据GJB／Z299C及 GJB／Z108A进行失效率统计，要求涵盖相关的所有元器件；按照GJB／Z1391进行故障模式、影响及危害度分析 （FMECA），找出系统中可靠性薄弱环节，并提出关键件和重要件。

另外，面向航天设备的环境适应性要求是最需要重点考虑的方面。本产品需要通过气密试验、温度类试验（高低温试验、温度冲击试验、恒定湿热等）、加速度试验、冲击 （半正弦、冲击响应谱）、振动（正弦、随机）、公路运输等大量试验验证，如图1、图2所示。

图1 正弦冲击谱线Fig.1 Sine impact line

图2 随机振动谱线Fig.2 Random vibration line

这就要求本产品在各种温度、力学冲击过程中保持稳定的应力状态，不因为外界环境的影响，造成光学镜组位置和应力的变化。为简化复杂的力学环境，本文针对静力下大过载、随机振动、整体模态强度3个典型力学条件对应力的影响情况进行讨论。得出减小应力影响的有效方法，从设计角度实现，并通过试验验证。

1.2 设计及装配要求

根据项目要求，光轴偏移量不大于10″；调焦方式要求为手动调焦，可以手动调整焦距，焦距调整完成后能够锁定；要求进行三防密封设计。根据以上要求，确定主体安装形式为：镜组1、镜组2需安装在同一高刚度镜筒结构，以保证精度。镜组2需轴向可调，且需要将轴向平动转变为周向转动。电子舱部分需要与前部镜组刚性连接，且保证在振动过程中对镜组2的应力影响尽可能小。镜组安装后，需通过安装底座将精度传递到安装位置3处基准面上，进行对接安装。根据如上分析，具体组合形式如图3所示。

图3 组合形式结构图Fig.3 Assembly drawing

由安装形式可以很容易得出：

其中，αa为镜组1和镜组2的径向跳动所引起的光轴偏转量，αb为镜组2整体偏转所带来的光轴偏转量，αc为镜组2镜片安装时所带来的光轴偏转量，τ1为镜组1径向跳动量，τ2为镜组2径向跳动量，τ3为驱动螺纹单边公差所带来的偏移，S为两组镜组的距离，B为二驱动销最远端距离，C为镜组2整体宽度。

综上，由计算可得，调整装配时应先控制大镜为基准进行注胶固定，可去除镜组1跳动所带来的影响，但是由于镜组2需要轴向可调，不可避免地存在跳动。所以，此处公差设为0.01且有严格的同轴度和平行度要求，且为了保证顺利装配需表面光洁度较高。具体公差设计本文不做详细讨论，前镜筒加工方案如图4所示。

图4 前镜筒加工方案Fig.4 Drawing of the former lens

由此可见：

1）由于精度要求最高，镜组2与前镜筒零件的装配很容易引入装配应力。

2）由于使用时也需要在此处手动调焦，且需要将周向的手轮转动力作为驱动力将镜组2两侧的驱动销推动，二者速度不一致的情况下带来的外部应力也对光学影响很大。

3）前镜筒与后镜筒之间的连接需要很高刚度，需要两处螺纹连接（图4中2×M3处），在振动条件下也容易造成镜组2的应力变化，影响像质。

4）镜组2是通过光学镜片与小镜筒配合后作为整体进行安装的，作为精度影响最大位置，其本身的装配过程也是十分重要的，且很容易引入装配应力。

针对以上4处应力关键区域，本文提出了一种周向均匀应力抱死的固定安装方式，并设计一种螺钉旋紧周向均匀应力工装进行应力的去除，保证光学像质在试验和使用过程中不发生恶化。

2 应力消除

在航天产品中，应力主要来源于3个方面：加工应力、装配应力和外部环境应力。其中，加工应力相对独立，是由材料本身的性质和加工工艺所共同决定的，与其他二者关系较小。但是需要注意的是，一定要利用时效处理和振动去应力等工艺方法，对加工后的残余应力进行去除。不然在装配和使用过程中，加工应力释放对产品性质有很大的影响。

装配应力和外部环境应力，经过本文分析研究，是有着一定关系的。单独考虑装配应力的情况下，从理论上来讲，装配应力越小对产品影响越小。但是在应力无法全部去除的情况下，此应力的均匀性十分重要。应力越均匀，对光学像质来讲产生的影响光学的微形变越小，对像质的影响越小。当然这是针对最常见的圆柱形光学镜片而言，本文所讨论的镜组皆为此种圆柱形光学镜片。除单独考虑装配应力以外，实际情况中需要考虑外部环境应力的影响。本文经过有限元分析得出，在装配过程中人为引入一合适的的预应力，均匀的周向装配应力不仅对像质没有影响，反而能抵御外部环境应力对光学像质的影响。

2.1 加工应力消除

加工过程中要先进行粗加工，再进行精加工，每次去除量不宜过大，一般根据光学对应力的敏感度不同确定加工工序。越敏感，每次精加工去除量尽可能越小，减小应力残余。并且根据不同情况，利用时效处理和振动去应力等工艺方法，对加工应力进行去除。另外，材料的选取方面，除了注意材料本身性质，还需要考虑原材料本身的形状要与最后成型形状接近，以减小去除量过大和不均匀带来的加工应力和材料锻造方向与使用时敏感方向差异带来的应力不均衡。

2.2 装配应力消除

装配应力的消除是光学装配的重点，直接影响最后的光学像质和产品的环境适应性。依据1.2节可知，装配形式根据其性能要求和公差链梳理可以基本确定。装配应力的消除主要是在此基础上，减小以下4方面的应力：镜组2与前镜筒零件的装配应力、前镜筒与后镜筒两处连接螺钉在周向过载冲击情况下的应力、镜组2本身的装配应力以及手动调焦所引入的应力。

针对前两种应力形成因素，通过有限元模拟对比，本文采用了周向均匀应力抱死的固定方式代替传统法兰螺钉固定方式，如图5所示。

图5 周向抱死连接方式示意图Fig.5 Diagram of all tightened mode

经过应力分析，这种安装方式相对于传统的法兰螺钉固定方式，提供了更均匀的周向与轴向应力分布。且由于轴向支撑作用距离较长，有效地减小了上文所提到的前镜筒与后镜筒两处连接螺钉在周向过载冲击情况下的应力。且由于其整体刚度的提升，前镜筒上与镜组2相对接的薄壁部分也会承受更小的加载，减小镜组2所受应力，并保证镜组2在轴向的顺畅移动和最小的径向跳动。

利用环境应力试验所要求的径向过载进行有限元分析，可以发现此方法相对传统的周向法兰螺钉固定，在镜组2镜片的应力方面有大幅度减小，整体的最大应变也大量减小。计算对比结果如图6所示。

图6 两种安装方式镜片应力对比图Fig.6 Stress contrast diagram of lens

改动后的方式光学敏感面的应力分布更为均匀，而且应力最大处由15MPa减小到3MPa，减小了80%的最大应力，可见对光学镜组有很良好的应力减小作用。

整体的最大应力也从107MPa减小为24MPa，减小78%。而且与法兰连接方案相比，最大应力处与镜组敏感部位相隔离，对光学镜片产生的应力极小，有效地提高了光学像质。具体应力云图如图7所示。

图7 两种安装方式整体应力对比图Fig.7 Stress contrast diagram of assembling

同样的，减小镜组2的安装应力也是重要环节。用同样的原理——减小装配过程中应力的不均匀性，来达到减小装配应力残余的目的。为此，设计了一种双层螺纹压紧、周向抱紧的调试工装，如图8所示。

图8 调试工装Fig.8 Setting tools

工装通过内层开章鱼爪状沟槽，来实现周向均匀抱紧的目的，通过外层均匀压紧工装提供抱紧力，周向通过8个螺纹孔固定外层工装。其中，内层工装的压紧程度通过其根部的刚度设计来调整到力度适中。通过此工装，可以达到在装配镜组2的过程中装配应力最小的目的。经过计算与实际应用，效果良好，相对于从前的调试装配过程过程简单，且成功率更高。

另外需要提到的是，通过这种周向抱死的连接方式，天然提供了前镜筒与后镜筒、手轮、阻尼垫片等组件连接时的导向槽，可以在高精度连接过程中不再需要人工定心夹持、对心等工作。通过周向抱死的连接槽可以直接轻松推入，在减小工作量的同时也减小了对插过程中可能带来的装配应力。

2.3 抵抗外部环境应力

除了装配应力外，另外一个影响光学像质的主要因素就是外部环境应力，而外部环境应力本身是初始条件，无法改变。能做的就是通过控制装配时的预应力，来达到提高产品整体刚度，减小镜片跳动量，从而达到更好的抵抗外部环境应力的目的。通过有限元模拟与实际试验可以发现，用周向抱紧方式代替传统的法兰连接方式，在提高整体结构刚度、抵抗外部环境应力方面也有很大的作用。图9为有限元随机振动分析，采用统一的约束方式与振动量级。可以看到，周向均匀抱死相对于法兰连接，振动放大部位更靠近高频，振幅更小，且从单峰变为双峰，有效减少了振动过程中应力的集中。

另外，通过二者的模态结果对比，也可以明显地看出，周向均匀抱死的刚度有明显提升，如表1、表2所示。

图9 随机振动分析结果对比Fig.9 Comparison results of random vibration

表1 前6阶模态对比表Table 1 Correlation table of six lowest order modal

表2 结果对比表Table 2 Results of comparison

3 结论

本文通过对加工应力、装配应力与外部环境应力3种应力之间的关系进行讨论与研究，通过有限元结合试验的方法，提出了周向均匀抱死的连接方式代替传统的法兰连接方式。设计了基于此原理的装调工装，有效减小了装调过程中的各种应力，并有效提高了对外部环境应力的抵御能力。通过有限元方法，从冲击过载、随机振动、模态分析3个方面入手，结合试验，对其进行了探究与验证，证明方法有效可行。

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