一种光轴调节机构设计和振动稳定性研究

时间：2022-08-17 01:37:02

关键字：两维调节有限元分析振动

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[导读]摘要:设计了一种光轴调节机构,阐述了此调节机构的原理和结构组成,计算了调节精度和弹簧弹力,通过有限元方法进行静力分析并求解调节反作用力,通过振动试验来验证调节机构振动稳定性,通过调整弹簧弹力及重复振动试验来论证弹簧弹力对调节机构振动稳定性的影响。此光轴调节机构调节精度高,使用简便,抗振动性好,可以应用于光学校准等领域。

引言

近年来,光学技术在各个领域都得到了广泛应用,因此对光轴的准直性和调节的便捷性以及使用的环境适应性设计提出了更高的要求。传统的光轴调节方法通常为对光源直接进行调整或通过带楔角的楔形棱镜进行调节,调节原理复杂,光轴方向难以控制。因此,需要一款调节精度高、使用方便的光轴调节机构:考虑到实际使用环境的严酷性,此调节机构还必须兼具可靠的振动稳定性。本文设计了一款光轴调节机构,通过旋转分度调节旋钮,方便快捷地实现光轴X向、Y向的调节,调节精度小于0.5mrad,通过调整弹簧弹力,能够在各种条件下具备良好的振动稳定性,具有广阔的应用前景。

1光轴调节机构有限元模型

1.1光轴调节机构结构设计

如图1、图2、图3所示,此光轴调节机构主要由1一分度调节旋钮、2一底座、3一弹簧压圈、4一光源、5一调节镜筒、6一透镜、7一复位弹簧等组成。件4光源、件5调节镜筒和件6透镜构成光学组件。光学组件安装在件2底座内,件5调节镜筒的斜面与件2底座的倒圆角相接触构成支点。件7复位弹簧安装在件5调节镜筒的凹槽内,与光学组件一起通过件3弹簧压圈压紧在底座内。由于四根复位弹簧都分布在第四象限,因此产生指向第一象限的合力,推动光学组件的光轴向第一象限倾斜,然后再通过旋转件1分度调节旋钮来对光学组件的光轴方向进行回复和调整,以达到光轴X向、Y向调节的目的。

图1光轴调节机构外观图

1.2有限元模型的建立

如图4所示,将光轴调节机构三维模型划分为网格模型,对模型进行简化,去除对强度、刚度影响不大的细小特征。此外,模型还有许多附属结构,对强度和刚度贡献较小,对分析无影响,也进行适当简化。采用实体单元进行网格划分,并对接触面进行网格控制,划分后共有64037个节点、36582个单元。

图2光轴调节机构原理图

图3光轴调节机构复位弹簧分布图

图4光轴调节机构有限元模型

光轴调节机构主体材料为6061铝合金,材料机械性能参数如表1所示。

2计算求解分析

2.1调节精度计算

设计要求光轴调节机构的调节精度为分度调节旋钮每转动69,激光光轴偏转≤0.5mrad。

光轴调节机构通过杠杆原理进行光轴指向调节,如图5所示,调节旋钮与支点位置距离为L,每移动距离h,激光光轴相应转动角度a计算公式为:

模型中支点与分度调节旋钮的调节中心距离L=l4.5mm,调节旋钮一周分为60格,每格对应角度为6m,旋钮的调节螺纹为M6×0.4细牙螺纹,每转动一圈螺杆前进0.4mm,那么每转动一格螺杆前进距离h=0.4/60mm,经过计算得出分度调节旋钮每转动一格,也就是每转动6m,激光光轴相应转动0.46mrad,满足调节精度<0.5mrad的设计要求。

2.2弹簧弹力计算

如图6所示,模型中X轴弹簧弹力为F1,y轴弹簧弹力为F2,中间两根弹簧弹力分别为F3、F4,4根弹簧压缩量相同,弹力大小相等。F1与F2合力为F5,F3与F4合力为F6,F5与F6方向相同,都斜指向第一象限。

弹簧簧丝直径d=0.8mm,中径D=4mm,有效圈数n=4,自由高度H0=9mm,弹簧材料为60si2Mn,材料机械性能参数如表2所示。

式中,k为弹簧刚度(N/mm):G为切变模量(MPa):C为旋绕比,C=D/d。

弹簧弹力:

式中,/为工作载荷下变形量(mm)。

经计算k=15.8N/mm。

工作状态1弹簧变形量为/=2.5mm,对应弹簧弹力F=39.5N:

工作状态2弹簧变形量为/=3.2mm,对应弹簧弹力F=50.5N。

2.3静力学分析及调节反作用力计算

采用有限元分析的方法对模型进行静力学分析,并计算作用在分度调节旋钮上的调节反作用力。

光轴调节机构底座上有四个安装孔,通过螺钉固定到设备壳体内部,因此对四个安装孔施加固定约束。调节镜筒的凹槽与弹簧压圈之间定义四根刚度为15.8N/mm的弹簧,初始压缩预紧力为39.5N(工作状态1)。通过运算得出最大应力出现在调节镜筒与分度调节旋钮之间的接触位置,最大等效应力为19.7MPa,如图7所示,远低于铝合金屈服强度:同时可以得出作用在X向、y向调节旋钮上的调节反作用力为53.7N。