王輝平

（南京拓控信息科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

隨著科技的進步，精密光學元器件如激光器、相機、紅外線溫度傳感器、其他各類光學傳感器等越來越多的應(yīng)用于工業(yè)界的產(chǎn)品開發(fā)，且精密光學器件運用條件苛刻，防水等級須達到IP67、工作溫度要求較高，精密光學器件因本身達不到這些要求，應(yīng)用中需要由封閉殼體和光學玻璃窗口做一個密封體，因光學玻璃被沖撞后易碎，所以需要在光學玻璃窗口前增加一個防護裝置。當光學器件工作時，防護裝置處在打開狀態(tài)；而當光學器件停止工作時，防護裝置處在關(guān)閉狀態(tài)，能有效起到防護作用。

1 常見光學玻璃窗口防護裝置

帶控制光學玻璃窗口防護裝置的目的是在光學器件停止工作時有效防止意外沖撞導致光學玻璃破裂。光學玻璃窗口防護裝置按運動方式可以分為擺動和滑動，按運動軌跡可以分為弧面運動和平面運動，按運動方式和運動軌跡組合的類型有弧面擺動、平面擺動、弧面滑動、平面滑動等。

（1）弧面擺動式帶控制光學玻璃窗口防護裝置，其與封閉殼體分離，其主要組成部分有異步電機、主軸、軸承、軸承座、連桿、多層葉片、耐磨墊片、限位開關(guān)、限位觸發(fā)塊等。電機和軸承套在主軸上，軸承固定于軸承座內(nèi)，限位觸發(fā)塊和連桿固定在主軸上，限位觸發(fā)塊位于兩個限位開關(guān)之間，葉片轉(zhuǎn)動中心同樣在主軸上，外層葉片固定在連桿上，內(nèi)層葉片固定不動，葉片之間防止摩擦，在轉(zhuǎn)動處用耐磨墊片間隔開來。設(shè)定葉片初始狀態(tài)為打開狀態(tài)，電機在外部給予動作信號后開始動作，電機帶動主軸，主軸帶動連桿，連桿帶動外層葉片向一個方向弧面擺動一定距離，限位開關(guān)被限位觸發(fā)塊觸發(fā)后電機停止動作，此時葉片處在關(guān)閉狀態(tài)，此過程主軸轉(zhuǎn)動180°；電機在外部再次給予動作信號后主軸再轉(zhuǎn)動180°，外層葉片向相反方向弧面擺動相同距離，此時葉片處在打開狀態(tài)。此動作過程循環(huán)往復(fù)，可提供光學玻璃窗口有效的防護。

（2）平面擺動式帶控制光學玻璃窗口防護裝置，為節(jié)省空間可將其融入封閉殼體，其主要組成部分有異步電機、聯(lián)軸器、主軸、連桿、軸承、防護片、限位開關(guān)、外罩等。設(shè)定防護片初始狀態(tài)為打開狀態(tài)；電機固定在密封殼體內(nèi)通過聯(lián)軸器帶動主軸旋轉(zhuǎn)；軸承嵌在密封殼體內(nèi)且套在主軸上；防護片固定在主軸上且置于密封殼體和外罩之間；限位開關(guān)同樣嵌在密封殼體內(nèi)，連桿和防護片隨主軸轉(zhuǎn)動觸發(fā)限位開關(guān)后，電機停止動作，此時防護片處在關(guān)閉狀態(tài)；外部再次給予電機動作信號后，電機向相反方向轉(zhuǎn)動，待觸發(fā)另一限位開關(guān)后，電機停止動作，此時防護片處在打開狀態(tài)。此動作過程循環(huán)往復(fù)運行，可實現(xiàn)光學玻璃窗口的開放和防護。

（3）平面滑動式帶控制光學玻璃窗口防護裝置，為節(jié)省空間可將其融入封閉殼體，其主要組成部分有異步電機、帶齒皮帶輪、帶齒皮帶、固定塊、防護片、滑槽、限位開關(guān)、外罩等。電機固定在密封殼體內(nèi)部且?guī)訋X皮帶輪轉(zhuǎn)動；兩個帶齒皮帶輪相距一定距離固定在密封殼體外部，帶齒皮帶固定在帶齒皮帶輪上；防護片通過固定塊固定在皮帶上且置于密封殼體和外罩之間；限位開關(guān)嵌在密封殼體內(nèi)，電機在外部給予其動作信號后帶動皮帶輪轉(zhuǎn)動，皮帶輪帶動防護片在滑槽內(nèi)直線滑動一定距離觸發(fā)限位開關(guān)后，電機停止動作，若設(shè)定防護片初始狀態(tài)為打開狀態(tài)，此時防護片處在關(guān)閉狀態(tài)；外部再次給予電機動作信號后，電機帶動皮帶輪向相反方向轉(zhuǎn)動，待觸發(fā)另一限位開關(guān)后，電機停止動作，此時防護片處在打開狀態(tài)。此動作過程循環(huán)往復(fù)運行，可實現(xiàn)光學玻璃窗口的開放和防護。

（4）弧面滑動式帶控制光學玻璃窗口防護裝置，其與封閉殼體分離，其主要組成部分有電機、連桿、防護片、彈簧、弧形滑槽、限位開關(guān)、外罩等。連桿固定在電機上，防護片固定在連桿上，彈簧固定在防護片一端，限位開關(guān)固定在外罩上；外部給予電機動作信號后，電機通過連桿帶動防護片順著弧形滑槽滑動，在滑槽內(nèi)滑動一定距離觸發(fā)限位開關(guān)后，電機停止動作，若設(shè)定防護片初始狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)，此時防護片處在打開狀態(tài)；外部再次給予電機動作信號后，電機向相反方向運動，待觸發(fā)另一限位開關(guān)后，電機停止動作，此時防護片處在關(guān)閉狀態(tài)。此動作過程循環(huán)往復(fù)，可提供光學玻璃窗口有效的防護。

2 拼裝式光學玻璃窗口防護裝置設(shè)計

拼裝式光學玻璃窗口防護裝置，其光學窗階差越小，整個光學窗與結(jié)構(gòu)形式之間的銜接更好，氣密性能也就更好；但這樣一來光學玻璃窗口防護裝置的設(shè)計空間就會相當小，而且給要同時實現(xiàn)保護多塊窗口的光學玻璃帶來相當大的難度。根據(jù)該拼裝式光學窗口的下折形式特征，充分考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)形約束的條件，設(shè)計塊狀控制光學玻璃窗口的保護罩聯(lián)動方案，見下圖1所示。原理是：使電機的轉(zhuǎn)向運動通過滾珠絲杠組件轉(zhuǎn)化為直線運動，并通過連接板實現(xiàn)窗口保護罩的直線運動。此設(shè)計能夠有效將窗口保護罩與整個結(jié)構(gòu)形式融合在一起，解決了小空間、多段窗保護罩同步平穩(wěn)作用，并能達到設(shè)計時的高精度要求等關(guān)鍵問題，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拼裝式光學玻璃窗口防護裝置設(shè)計

2.1 傳動參數(shù)計算

針對低溫下軸系會出現(xiàn)卡滯的現(xiàn)象等，其傳動機構(gòu)的軸系采用了一端雙向固定、一端游動的支點結(jié)構(gòu)，見下圖2示意圖。

圖2 軸系傳動示意圖

由圖2可作進一步的推算，即在實現(xiàn)窗口玻璃保護罩的軌跡時，滾動珠絲杠的驅(qū)使下扭矩

其中，F(xiàn)為窗口玻璃保護罩活動軌跡的阻力，l為進給螺桿的行程，l=2mm時，為進給螺桿的正向效率，。L=保護罩行程，當L=300mm；t=窗口玻璃保護罩啟動、關(guān)合時長，t＜25s，合理選擇各傳動比，確定各傳動部件的參數(shù)為：

由以上可以推算出，滾珠絲杠導程l=2mm；齒輪怠慢減速比=18：1。鏈傳動的傳動比達到1：1。

2.2 傳動精度分析

分析各種誤差對傳輸速度的影響，是為了提高傳輸精度。窗口玻璃蓋保護理論傳輸速度計算公式表明，傳動精度誤差主要來源于傳動機構(gòu)傳動比誤差、滾珠絲杠導軌誤差和電機速度誤差，最終測得機構(gòu)運轉(zhuǎn)時，平穩(wěn)過渡，開合可靠，速度均勻，誤差只有1.3%。

3 試驗測試

3.1 振動試驗

振動試驗是用于鑒定結(jié)構(gòu)承受適用環(huán)境能力的一種有效方法，可以暴露結(jié)構(gòu)缺陷，鑒定結(jié)構(gòu)的可靠性。防護裝置放置在振功試驗臺上，進行正弦振動試驗，驗證的有限元分析結(jié)果的正確性。滿足從頻率在100Hz下的任務(wù)要求。結(jié)果見下表1所示。

表1 振動試驗結(jié)果顯示

3.2 高低模擬環(huán)境試驗

利用高低溫箱模擬高空低溫低壓環(huán)境下的傳動速度精度測試，當溫度設(shè)定在-58℃時，壓降設(shè)為5.5kPa時，通過10次記錄光學玻璃窗口保護裝置的開合精度及時間時的值，其與理論計算值12.8mm/s（此處受篇幅限制不推算過程）相對比誤差不過為1.3%，試驗結(jié)果在當初設(shè)計要求3%的范圍內(nèi)，滿足使用要求。

4 結(jié)語

總的來說，不同的帶控制光學玻璃窗口防護裝置，在不同的條件下選用的類型不盡相同。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，適用即是最優(yōu)，針對各類型衍生出能適用于特殊環(huán)境下，如高空、高壓、高頻的精確作業(yè)情況下使用，需要考慮到設(shè)計通過作分段拼裝窗口玻璃配備一個保護罩的聯(lián)動方案，其裝置組成及部件功能測度表明可以成功應(yīng)用于特殊或苛刻環(huán)境作業(yè)，其能平穩(wěn)，快速，可靠地作出保護動作。