基于拼装式光学玻璃窗口防护装置的研究

王辉平

（南京拓控信息科技股份有限公司，江苏 南京 210000）

随着科技的进步，精密光学元器件如激光器、相机、红外线温度传感器、其他各类光学传感器等越来越多的应用于工业界的产品开发，且精密光学器件运用条件苛刻，防水等级须达到IP67、工作温度要求较高，精密光学器件因本身达不到这些要求，应用中需要由封闭壳体和光学玻璃窗口做一个密封体，因光学玻璃被冲撞后易碎，所以需要在光学玻璃窗口前增加一个防护装置。当光学器件工作时，防护装置处在打开状态；而当光学器件停止工作时，防护装置处在关闭状态，能有效起到防护作用。

1 常见光学玻璃窗口防护装置

带控制光学玻璃窗口防护装置的目的是在光学器件停止工作时有效防止意外冲撞导致光学玻璃破裂。光学玻璃窗口防护装置按运动方式可以分为摆动和滑动，按运动轨迹可以分为弧面运动和平面运动，按运动方式和运动轨迹组合的类型有弧面摆动、平面摆动、弧面滑动、平面滑动等。

（1）弧面摆动式带控制光学玻璃窗口防护装置，其与封闭壳体分离，其主要组成部分有异步电机、主轴、轴承、轴承座、连杆、多层叶片、耐磨垫片、限位开关、限位触发块等。电机和轴承套在主轴上，轴承固定于轴承座内，限位触发块和连杆固定在主轴上，限位触发块位于两个限位开关之间，叶片转动中心同样在主轴上，外层叶片固定在连杆上，内层叶片固定不动，叶片之间防止摩擦，在转动处用耐磨垫片间隔开来。设定叶片初始状态为打开状态，电机在外部给予动作信号后开始动作，电机带动主轴，主轴带动连杆，连杆带动外层叶片向一个方向弧面摆动一定距离，限位开关被限位触发块触发后电机停止动作，此时叶片处在关闭状态，此过程主轴转动180°；电机在外部再次给予动作信号后主轴再转动180°，外层叶片向相反方向弧面摆动相同距离，此时叶片处在打开状态。此动作过程循环往复，可提供光学玻璃窗口有效的防护。

（2）平面摆动式带控制光学玻璃窗口防护装置，为节省空间可将其融入封闭壳体，其主要组成部分有异步电机、联轴器、主轴、连杆、轴承、防护片、限位开关、外罩等。设定防护片初始状态为打开状态；电机固定在密封壳体内通过联轴器带动主轴旋转；轴承嵌在密封壳体内且套在主轴上；防护片固定在主轴上且置于密封壳体和外罩之间；限位开关同样嵌在密封壳体内，连杆和防护片随主轴转动触发限位开关后，电机停止动作，此时防护片处在关闭状态；外部再次给予电机动作信号后，电机向相反方向转动，待触发另一限位开关后，电机停止动作，此时防护片处在打开状态。此动作过程循环往复运行，可实现光学玻璃窗口的开放和防护。

（3）平面滑动式带控制光学玻璃窗口防护装置，为节省空间可将其融入封闭壳体，其主要组成部分有异步电机、带齿皮带轮、带齿皮带、固定块、防护片、滑槽、限位开关、外罩等。电机固定在密封壳体内部且带动带齿皮带轮转动；两个带齿皮带轮相距一定距离固定在密封壳体外部，带齿皮带固定在带齿皮带轮上；防护片通过固定块固定在皮带上且置于密封壳体和外罩之间；限位开关嵌在密封壳体内，电机在外部给予其动作信号后带动皮带轮转动，皮带轮带动防护片在滑槽内直线滑动一定距离触发限位开关后，电机停止动作，若设定防护片初始状态为打开状态，此时防护片处在关闭状态；外部再次给予电机动作信号后，电机带动皮带轮向相反方向转动，待触发另一限位开关后，电机停止动作，此时防护片处在打开状态。此动作过程循环往复运行，可实现光学玻璃窗口的开放和防护。

（4）弧面滑动式带控制光学玻璃窗口防护装置，其与封闭壳体分离，其主要组成部分有电机、连杆、防护片、弹簧、弧形滑槽、限位开关、外罩等。连杆固定在电机上，防护片固定在连杆上，弹簧固定在防护片一端，限位开关固定在外罩上；外部给予电机动作信号后，电机通过连杆带动防护片顺着弧形滑槽滑动，在滑槽内滑动一定距离触发限位开关后，电机停止动作，若设定防护片初始状态为关闭状态，此时防护片处在打开状态；外部再次给予电机动作信号后，电机向相反方向运动，待触发另一限位开关后，电机停止动作，此时防护片处在关闭状态。此动作过程循环往复，可提供光学玻璃窗口有效的防护。

2 拼装式光学玻璃窗口防护装置设计

拼装式光学玻璃窗口防护装置，其光学窗阶差越小，整个光学窗与结构形式之间的衔接更好，气密性能也就更好；但这样一来光学玻璃窗口防护装置的设计空间就会相当小，而且给要同时实现保护多块窗口的光学玻璃带来相当大的难度。根据该拼装式光学窗口的下折形式特征，充分考虑结构构形约束的条件，设计块状控制光学玻璃窗口的保护罩联动方案，见下图1所示。原理是：使电机的转向运动通过滚珠丝杠组件转化为直线运动，并通过连接板实现窗口保护罩的直线运动。此设计能够有效将窗口保护罩与整个结构形式融合在一起，解决了小空间、多段窗保护罩同步平稳作用，并能达到设计时的高精度要求等关键问题，结构如图1所示。

图1 拼装式光学玻璃窗口防护装置设计

2.1 传动参数计算

针对低温下轴系会出现卡滞的现象等，其传动机构的轴系采用了一端双向固定、一端游动的支点结构，见下图2示意图。

图2 轴系传动示意图

由图2可作进一步的推算，即在实现窗口玻璃保护罩的轨迹时，滚动珠丝杠的驱使下扭矩

其中，F为窗口玻璃保护罩活动轨迹的阻力，l为进给螺杆的行程，l=2mm时，为进给螺杆的正向效率，。L=保护罩行程，当L=300mm；t=窗口玻璃保护罩启动、关合时长，t＜25s，合理选择各传动比，确定各传动部件的参数为：

由以上可以推算出，滚珠丝杠导程l=2mm；齿轮怠慢减速比=18：1。链传动的传动比达到1：1。

2.2 传动精度分析

分析各种误差对传输速度的影响，是为了提高传输精度。窗口玻璃盖保护理论传输速度计算公式表明，传动精度误差主要来源于传动机构传动比误差、滚珠丝杠导轨误差和电机速度误差，最终测得机构运转时，平稳过渡，开合可靠，速度均匀，误差只有1.3%。

3 试验测试

3.1 振动试验

振动试验是用于鉴定结构承受适用环境能力的一种有效方法，可以暴露结构缺陷，鉴定结构的可靠性。防护装置放置在振功试验台上，进行正弦振动试验，验证的有限元分析结果的正确性。满足从频率在100Hz下的任务要求。结果见下表1所示。

表1 振动试验结果显示

3.2 高低模拟环境试验

利用高低温箱模拟高空低温低压环境下的传动速度精度测试，当温度设定在-58℃时，压降设为5.5kPa时，通过10次记录光学玻璃窗口保护装置的开合精度及时间时的值，其与理论计算值12.8mm/s（此处受篇幅限制不推算过程）相对比误差不过为1.3%，试验结果在当初设计要求3%的范围内，满足使用要求。

4 结语

总的来说，不同的带控制光学玻璃窗口防护装置，在不同的条件下选用的类型不尽相同。在产品开发过程中，适用即是最优，针对各类型衍生出能适用于特殊环境下，如高空、高压、高频的精确作业情况下使用，需要考虑到设计通过作分段拼装窗口玻璃配备一个保护罩的联动方案，其装置组成及部件功能测度表明可以成功应用于特殊或苛刻环境作业，其能平稳，快速，可靠地作出保护动作。