精密光学测量仪器中光学透镜支撑调节机构结构设计

重庆大学本科学生毕业设计（论文）透镜支撑调节机构结构设计学 生：学 号：指导教师：专 业：重庆大学机械工程学院2011 年 6 月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityStructural design of the lens supporting and adjusting mechanism Undergraduate: Supervisor: Lecturer. Song Dai PingMajor: Mechanical Design Manufacturing And AutomationMechanical Engineering AcademyChongqing UniversityJune 2011重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要I摘 要随着光学技术的不断发展，各种光学器件已广泛应用于各种精密光学测量和光学实验中，对光学仪器的技术要求也逐渐提高，尤其是光学器件的光校技术的重要性逐渐体现出来。光校技术的提高主要是对光学调整机构的功能和结构的发展和完善，以及生产技术和加工工艺水平的提高。光学调整架主要应用于光束方向的调整，实现光束的精确定位。各种精密光学器件的安装及调整都需要光学调整架的依托，比如光学镜头的支撑及调整。本文是针对精密光学测量仪器中光学透镜的支撑和调节，设计一个在有限的空间内实现三自由度调节，并且具有读数功能，精度高的透镜调节机构。该机构的结构设计借鉴现有的光学调整架的设计方法，采用与法兰连接的方式，依靠手柄的转动可以实现透镜的 Z 向调节，左右手轮的转动实现 X 向调节，上下手轮的转动实现 Y 向的调节，调整完成后通过锁紧螺钉锁紧。经过运动分析，阐述调节的原理，分析计算机构的 Z 向，X 向和 Y 向调节精度。完成机构三维模型设计并进行机构的有限元分析。其中的详细设计过程将在本文中依次阐述。关键词： 光学调整架，镜头调节机构，三自由度调节重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTIIABSTRACTWith the continuous development of optical techniques, various kinds of optical device has been widely used in all kinds of precision optical measurement and optical experiment, the technical requirements for optical instruments also gradually enhance, especially optics optical adjustment reflected the importance of technology gradually. Optical adjustment technology improvements is mainly to the optical adjusting mechanism of function and structure of development and perfection, and production technology and processing technology level enhancement. Optical adjustment frame is mainly used in the direction of the light. It will be possible to adjust accurate location of the beam. All kinds of precision optical device installation and adjustment need optical adjustment frame, such as optical lens on the supporting and adjusting.This article is a precision optical measuring instrument for optical lens support and regulation, designing a limited space to achieve three degrees of freedom adjustment, and has reading capabilities, high precision lens adjusting mechanism. Structural design of the institution to adjust the optical reference frame of existing design methods, the use of the way with the flange connection, relying on the rotation of the handle can adjust the lens of the Z direction, left and right wheel rotation to achieve X direction adjustment, turn the wheel on top and bottom to achieve Y direction adjustment, after adjustment locking screw through the lock. Through motion analysis to explain the principles of regulation, calculation the Z direction, X direction and Y direction of regulation accuracy. Complete the body design and three-dimensional model for finite element analysis of bodies. Detailed design process which in turn will be described in this article.Key words：Optical adjustment frame，Lens adjusting mechanism，Three degrees of freedom adjustment重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录III目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III1 绪论 .11.1 透镜支撑调节机构介绍 .11.2 透镜支撑调节机构的组成和分类 .11.3 国内外研究现状 .21.4 课题任务 .21.5 课题意义 .32 总体设计 .42.1 方案对比 .42.2 方 案 选 择 .103 机构分析 .133.1 运 动 分 析 .133.2 精 度 分 析 .144 三维造型设计 .174.1 Pro/E 软件简介 .174.2 三维造型 .185 结构有限元分析 .215.1 有 限 元 分 析 方 法 介 绍 .215.2 ANSYS 软 件 简 介 .225.3 有限元计算模型 .235.4 机构静力有限元分析结果 .245.5 机构模态有限元分析 .255.5.1 模态分析的基本概念 .255.5.2 固有特性的计算方法 .255.5.3 有限元模态分析结果 .266 结论 .29致谢 .30重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录III参考文献 .31重庆大学本科学生毕业设计（论文） 绪论11 绪论1.1 透镜支撑调节机构介绍简介透镜支撑调节机构作为精密光学系统的重要组成部件，安装在精密光学系统上，功能是用来装卡光学透镜和光路调节。通过对光束方向和角度的改变，实现光路的调整，提供光学系统所需求的光路。透镜支撑调节机构已形成光学调整架（平台）的系列化产品，光学调整系列产品主要用于在光学试验或光电仪器中固定及调整光学元器件。产品稳定性，精度，功能，外形尺寸是选购时首先要考虑的问题。材料透镜支撑调节机构的常用制作材料主要有铝材，钢材和铜材。结构光学元器件的固定及调整实际上就是对其六个自由度的约束或调整。不同的固定架（平台）或调整架（平台）基本设计理念都是为了实现对一个或多个自由度进行调整并保证精度。根据不同元器件的外形尺寸，重量，功能、精度要求，操作方便性，允许环境空间等因素，就产生了各种结构，多种规格的光学调整架（平台）产品。驱动方式光学调整架系列大多数为手动调节，驱动器主要有细牙螺杆和分厘卡。分厘卡用于定量调节，细牙螺杆无法定量，但 0.25mm 螺距的超细牙提供更高的分辨率且价格便宜。大型精密光学系统由于系统的复杂和人工操作的困难，需要进行自动调节，多采用计算机系统控制和步进电机的驱动方式。1.2 透镜支撑调节机构的组成和分类组成透镜支撑调节机构的主要组成部分有：镜头的卡装机构，调节机构和与光学系统的连接机构。分类透镜支撑调节机构按其可调节的自由度的数目可分为：二维调节机构，三维调节机构和多维调节机构。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 绪论21.3 国内外研究现状透镜支撑调节机构作为现代光学设备中的一个基本元件，已广泛应用于光学实验室、光学仪器的光路调节上。光学调整架主要应用于光学实验及各种类型的激光装置中，用于调整光束方向，从而实现光束的快速精确定位。随着光学技术的不断发展，对光学实验的要求也不断提高，光学调整架的结构在工程设计人员的努力下，其结构性能也在不断地提高，如：调整分辨率，角度正交性，稳定性等。但是，在某些特定实验环境下，如：小通光口径、复杂光路排布等，使光学调整架在满足高分辨率、高正交性、高稳定性的前提下，还要受到安装空间的限制，传统的光学调整架为了满足高分辨率、高正交性和高稳定性的要求，结构比较复杂，占空比和成本太高，使调整架难于安装，甚至不能安装，不能满足要求。长期以来光学调节架顶紧力和自恢复的结构，通常采用螺旋弹簧或弹簧片连接光学调整架支架，由于螺旋弹簧需要在螺栓连接两端固定，而且多采用扣环结构，所占用的体积比较大，弹簧片固定也一样，因此在尺寸小的或微型的调整架设计上，应用起来有一定难度。现有的光学调整架多采用弹簧作为拉伸及紧固元件，这种设计的优点是调整方便、精度高，它在光学实验室里被普遍使用，但是当把这种光学调整架应用于产品工程化时，却暴露了它最大的缺点，就是这种调整架的抗震动性能很差，在运输过程中很容易造成光路失调，因而限制了它的应用。在调节机构中，调节方式的选择也是重要的，现今可以采用的调节方式有很多。比如：螺纹传动，蜗轮、蜗杆传动，丝杠，螺母传动以及凸轮传动。其中螺纹传动的调节方式结构简单，但对机械装配要求高，需要对调节轮和调节镜筒进行对研，以达到最佳的传动效果。蜗轮、蜗杆传动调节方式更适合于微调机构，其优点是可以产生大的传动比，而且具有自锁功能,缺点是体积较大； 丝杠、螺母传动的调节方式的优点是结构简单，体积小，质量轻，缺点是结构装配繁琐，装配精度要求高。凸轮传动的调节方式的优点是结构和装配工艺简单，工作可靠，缺点凸轮曲线加工要求高。以上各种传动的调节方式都曾经应用在不同的工程项目中。因此，设计一种结构紧凑，占空比小，性价比好，具有良好的传动性能，并能满足调整分辨率、正交性和稳定性要求的精密光学调整架是很有必要的，从而满足光学实验的要求。随着技术进步，纳米定位技术已经广泛应用于精密调整机构，如望远镜系统中的主动光学和自适应光学系统。但是，如何在紧凑的空间内实现小范围和多自由度调整，而且操作简单和具有良好的稳定性，值得深入研究。1.4 课题任务为应用于光学测量仪中透镜的支撑调节，要求设计该支撑调节机构可在有限空间重庆大学本科学生毕业设计（论文） 绪论3内实现透镜相对于瞄准点 O 的 XYZ 方向的调节。该机构与安装法兰连接，安装法兰直径螺钉孔 300mm，通径 230mm，法兰面距离 O 点 1200mm。调节范围和调节精度要求：透镜轴线方向为 Z 轴，垂直于 Z 轴的两正交方向定义为 X 和 Y 轴；要求 Z 轴方向调节范围50.0mm，X 和 Y 方向调节范围20.0mm；三个方向的调节精度要求均优于0.1mm。均采用手动调节，完成调节后可锁定。XYZ 调节相互独立，均有刻度指示，方便调节。要求结构小巧，精度高，外观美观。1.5 课题意义通过对光学仪器的基本了解，掌握光学调整的基本原理，经过对光学调整产品的调研，用于所学的机械专业相关知识，完成机构的设计，通过设计的实践过程，进一步加强自己的专业知识，为以后的工作学习奠定基础。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 总体设计42 总体设计2.1 方案对比以下是几种常用调整架和调整平台系列化产品的对比：三维顶丝卡紧式 图 2.1 三维顶丝卡紧式调整架三维顶丝卡紧带锁紧式 图 2.2 三维顶丝卡紧带锁紧式调整架 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 总体设计5三维开口顶丝卡紧带锁紧式图 2.3 三维开口顶丝卡紧带锁紧式调整架三维压圈卡紧式 图 2.4 三维压圈卡紧式调整架 多维调整平台重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 总体设计6ab图 2.5 多维调整平台上述几种调整架和调整平台所具有的共同点： 1）以上均为光学调整仪器的系列化产品，可标准化生产，降低成本；用户可以根据调整需求，在产品目录中直接选用合适的型号应用； 2）都可以进行三维调节，操作简便； 3）两个方向安装孔，适合不同光路方向； 4）承载能力小，只能安装小型的光学镜头，无法进行大型光学镜头的安装和应用。不同点： 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 总体设计71）调整架三维顶丝卡紧带锁紧式，三维开口顶丝卡紧带锁紧式和三维压圈卡紧式都配有锁紧装置，可以长时间保障光路的稳定，而调整架三维顶丝卡紧式没有这种装置，可能会引起光路的不稳定； 2）调整架三维顶丝卡紧带锁紧式和三维开口顶丝卡紧带锁紧式相比较，三维开口顶丝卡紧带锁紧式的开口形式方便光学镜头的安装和拆卸； 3）调整架三维压圈卡紧式和调整架，三维开口顶丝卡紧带锁紧式相比较，三维压圈卡紧式和调整架具有镜筒压圈装置，可以安装好光学镜头后再固定到调整架上； 4）调整平台与调整架相比，可以进行多维的调节，但结构复杂，生产成本高；调整平台 a 和调整平台 b 相比较，调整平台 b 具有良好的扩展功能，可以和具有不同大小口径大小的镜架组合使用。板簧式光学调整架图 2.6 板簧式光学调整架图 2.6 中的零件标号为：底座 1，固定框板 2，转动框板 3，水平滑块 4，燕尾垂直滑块 5，俯仰转动调节柄 6，左右转动调节柄 7，水平滑动调节柄 8，垂直滑动调节柄9，钢球 10，钢丝拉簧 11 和 12，拉簧绊杆 13，14，15 和 16，卡簧 17，水平顶簧 18和 19，垂直顶簧 20 和 21，外卡圈 22，内卡圈 23。该机构可以进行高精度俯仰转动、左右转动、水平滑动、和垂直滑动等四维调节。下面结合图 2.6 说明多层构件中的“板块对”相对运动如何实现调节。以底座 1 和固定框板 2 作调整参照物。以支撑钢球 10 为支点，转动框板 3 相对于固定框板 2 上下俯仰和左右转动。俯仰转动调节柄标号为 6，左右转动调节柄标号为7。为使往复转动无晃动间隙，卡簧 17 在钢球 10 旁边直接卡住固定框板 2 和转动框板3，另外还通过两个钢丝拉簧 30 和 31 以及四个拉簧绊杆 13，14，15，16 分别拉住固定框板 2 和转动框板 3。转动水平滑动调节柄 8，可实现水平滑块 4 相对于转动框板 3的水平往复滑动。两个水平顶簧 18 和 19 用于消除往复调节中的间隙。转动垂直滑动重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 总体设计8调节柄 9 可以实现垂直滑块 5 相对于水平滑块 4 的往复垂直滑动。两个垂直顶簧 20 和21 用于消除往复调节中的间隙。外卡圈 22 一端带有内螺纹，另一端带有外螺纹，中部有一个凸台。外卡圈的凸台平面与转动框板 3 是平面滑动配合。外卡圈 22 的外螺纹端与垂直块 5 中部的内螺纹配合。内卡圈 23 上的外螺纹，从外卡圈的反方向，与垂直滑块 5 内螺纹配合。由于内外两个卡圈分别从两个方向螺旋固定在垂直滑块 5 中部的内螺纹上，使外卡圈 22 的凸台平面与转动框板 3 的外平面之间有适当的滑动间隙，并以转动框板 3 为载体，承载起水平滑块 4 和垂直滑块 5，而被调整物通过外卡圈 22 的内螺纹端来联接。上述多层结构的调节原理是：以底座 1 和固定框板 2 作为调整参照物不动。转动框板 3 相对于固定框板 2 上下俯仰和右转动。水平滑块 4 相对于转动框板 3 水平方向滑动。垂直滑块 5 相对于水平垂直方向滑动。外卡圈 22 固定在垂直滑块 5 上，被调整物固定在外卡圈 22 上。上述多层板块式结构的主要缺点是：1）为达到调整量，相对移动的板块之间必须有原理性几何问隙，而几何间隙造成往复调节不稳定和不可靠。更重要的是不宜实现微米或亚微米级的高精度调节。2）当进行二个角度调节时，转动轴心不在调整架的中心轴线上，因而角度调节的同时又带来不需要的平移量偏移。3）可调维数多，相对移动的板块对数多，要求机械加工精度高，装配精度高，不易批量生产，成本高。4）采用的板簧式结构抗震效果差，在运输过程中容易引起光路的失调。主要优点：1）调节维数多。2）具有合理的弹性力学结构设计和简单易行的加工工艺特性，便于生产、组装。3）一块整板为主体，形成四维调节结构，从而大大地提高调整稳定性和可靠性。被动式差动精密光学调整架图 2.7 被动式差动精密光学调整架重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 总体设计9图 2.8 调整镜框图 2.9 纵臂 301 的动态示意图 图 2.10 横臂 303 的动态示意图本调整架的结构如图 2.7 所示，它主要包括以下几个部分，上丝杠 1、上拉紧弹簧2、支架 3、调整镜框 4、下拉紧弹簧 5、下丝杠 6、底座 7 和联结滚珠 8。支架 3 为 L型结构，它由纵臂 301 和横臂 303 构成。纵臂 301 上带有上螺孔 302，横臂 303 上带有下螺孔 304。调整镜框 4 的一角上有圆锥孔 402，另外斜对的两角上分别有单斜面斜槽401 和双斜面斜槽 403，如图 2.5 所示。有上丝杠 l 穿过支架 3 的纵臂 301 上的上螺孔302 顶于调整镜框 4 上的单斜面斜槽 401 的单斜面上。有下丝杠 6 穿过支架 3 的横臂303 上的下螺孔 304 顶于调整镜框 4 上的双斜面斜槽 403 的双斜面上。有上拉紧弹簧 2一端固定在支架 3 的纵臂 301 上，另一端固定在调整镜框 4 上。有下拉紧弹簧 5 一端固定在支架 3 的横臂 303 上，另一端固定在调整镜框 4 上。调整镜框 4 上的圆锥孔 402内有联结滚珠 8 与支架 3 接触，如图 2.9 所示。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 总体设计10所说的上丝杠 l 是由项珠 l01、丝杆 102 和手轮 103 构成的；下丝杠 6 是由顶珠601、丝杆 602 和手轮 603 构成的，如图 2.10 所示。由上所述，上丝杠 l 和下丝杠 6 与支架 3 的联结均为螺纹副联结，上丝杠 1 与调整镜框 4 的联结为顶珠 101 与单斜面斜槽 401 斜面接触的高副联结，下丝杠 6 与调整镜框 4 的联结为顶珠 601 与双斜面斜槽 403 双斜面接触的高剐联结。支架 3 和调整镜框4 通过联结滚珠 8 以及上述上、下两处丝杠 l、6 的高副联结连接在一起。而上、下拉紧弹簧 2 和 5 则使支架 3 和调整镜框 4 保持联结并有一定的预紧力。支架 3 与底座 7可以是一体式结构，也可以是两分件用螺栓等结构将支架 3 固定在底座 7 上。从图 2-7可以看出，调整镜框 4 上三点支承由已有技术的平槽、圆锥孔 L、平面三点支承结构改进设计成单斜面斜槽 401(调节点)、圆锥孔 402(调节支点)、双斜面斜槽 403(调节点)。上、下丝杠 l、6 的结构和质地完全相同，材料可采用 50 号钢，T10，T12，CrWMn或 GCr15 等。上、下丝杠 l 和 6 的外螺纹与上、下螺孔 302 和 304 的内螺纹研配，保证无间隙且转动灵活。单斜面斜槽 401 的单斜面、圆锥孔 402 的内表面和双斜面斜槽403 的双斜面上均贴有陶瓷片或刚玉片。为减轻调整架的重量，支架 3 和调整镜框 4，及底座 7 均采用铝材加工。本被动式差动精密调整架的优点在于：1）在不提高丝杠 1、6 螺距 p 的加工要求下，采用斜面支承，实现了被动式差动调整，提高了调整架的调整分辨率。2）利用斜面对丝杠的径向推力，提高了丝杠的自锁效率，增加了调整架的稳定性。3）两斜槽 401 和 403 的斜面上贴有陶瓷片或刚玉片，替换了金属支承，减少顶珠与斜面的摩擦，提高了调整的灵活性，延长了调整架的使用寿命。2.2 方 案 选 择此次透镜支撑调节机构在设计过程中，根据课题任务要考虑尽可能使其占用较少空间，力求结构简单，调节、复位精度高。通过几种方案的对比，针对板簧式光学调整架和被动式差动精密调整架的主要不足之处，所以选取手轮&手柄式调节机构作为最终设计方案。手轮&手柄式调节机构结构简图如图 2.11 所示：重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 总体设计11图 2.11 结构简图调节机构的 X/Y 向调节功能是由图中右侧的调节手轮实现的。该调节机构中，手轮的数量为四个，X/Y 向调节手轮均为成对使用。X/Y 向调节功能的实现可视为杠杆原理的应用，图 2.11 中左侧的关节轴承的中心即相当于杠杆的支点位置。当处于相对位置的两个手轮沿自身轴线旋转且旋向一致时，将带动调节机构最内层管绕关节轴承的中心旋转，从而改变调节机构前端目标瞄准点在该转动平面内的位置。Z 向的调节实现为螺纹传动。随着 Z 向调节手柄（共四个）的正向或反向绕 Z 轴旋转，在导向键的作用下，调节机构内部（包括 X/Y 向调节手轮）将沿 Z 轴向前或向后平移。镜头支撑调节机构的作用是调节目标瞄准点位置。调节机构位于整个透镜支撑的尾端，其调节作用会直接改变透镜前端的目标瞄准点的空间坐标。三自由度调节机构主要有关节轴承、波纹管、手柄和手轮等构成，对于调节机构的内部结构，如图 2.12所示。图 2.12 机构内部结构图机构前端通过内管与波纹管调节机构相连。Z 轴的移动通过螺纹传动实现，当手柄绕 Z 轴转动时，在导向键的作用下，螺纹将转动转变为 Z 轴的轴向移动，移动到位后通过锁紧螺钉锁紧。X/Y 向的调节是通过手轮的转动实现。具体实现方式为：手轮先通过绕自身轴线的转动，由螺纹将转动转化为手轮 X/Y 向的移动，再由关节轴承的作用实现机构前端目标瞄准点位置的改变。 Z 向调节关节轴承X（Y）向调节重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 总体设计12图 2.13 关节轴承关节轴承是 一 种 特 殊 结 构 的 滑 动 轴 承 。 它 的 结 构 比 滚 动 轴 承 简 单 ， 其 主 要 是由 一 个 有 外 球 面 的 内 圈 和 一 个 有 内 球 面 的 外 圈 组 成 ， 能 承 受 较 大 的 负 荷 。 结 构 如图 2.13 所 示 ， 根 据 其 不 同 的 类 型 和 结 构 ， 可 以 承 受 径 向 负 荷 、 轴 向 负 荷 或 径 向 、 轴向 同 时 存 在 的 联 合 负 荷 。 关 节 轴 承 一 般 用 于 速 度 较 低 的 摆 动 运 动 （ 即 角 运 动 ） ，由 于 滑 动 表 面 为 球 面 形 ， 亦 可 在 一 定 角 度 范 围 内 作 倾 斜 运 动 （ 即 调 心 运 动 ） ， 在支 承 轴 与 轴 壳 孔 不 同 心 度 较 大 时 ， 仍 能 正 常 工 作 。 关节轴承的类型可根据不同方式划分，按受力方向分为向心、角接触和推力关节轴承；按是否带伸出螺杆分为一般和杆端关节轴承；按外圈结构可分为单缝型、剖分型、双半型、挤压型、镶垫型和装配槽型。因为该机构的 X/Y 向调节的运动方式主要为低速的摆动运动，所以本次透镜支撑调节机构的设计所采用的关节轴承的类型是单 缝 外 圈 ， 有 润 滑 油 槽 的 向 心 关 节 轴 承 ，可 以 承 受 径 向 载 荷 和 任 一 方 向 较 小 的 轴 向 载 荷 。该机构在运行阶段由 于 热 变 形 、 机 械 变 形 和 各 种 机 械 振 动 而 会 产 生 轴 向 、 角 向 、侧 向 及 其 组 合 位 移 ， 可能会引起透镜光路的偏移，使得测量误差偏大，所以在机构前端安装金属波纹管，如图 2.14 所示，其主要工作原理是是依 靠 波 纹 管 伸 缩 、 弯 曲 来 对机 构 进 行 轴 向 、 横 向 、 角 向 补 偿 。 其 作 用 可 以 起 到 ：1） 补 偿 吸 收 机 构 轴 向 、 横 向 、 角 向 热 变 形 。2） 吸 收 设 备 振 动 ， 减 少 设 备 振 动 对 透 镜 调 节 的 影 响 。图 2.14 波 纹 管 结 构 简 图该调整机构具有以下的特点：1）结构简单，易于装配。2）调节精度高，可以读数调节。3）具有锁紧装置，可以长时间维持光路的稳定。4）承载能力较大，可以承载大中型的光学镜头。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 3 机构分析133 机构分析3.1 运 动 分 析基于以上对该调节机构的传动原理分析，得出其调节原理的结构简图，如图 3.1所示。图 3.1 调节机构运动简图由图 3.1，可清晰的看到调节机构的调节原理。对其运动调节原理可视为一个可沿Z 轴前后移动的球铰机构。值得注意的是，在其沿 Z 轴前后移动的同时，X/Y 向调节手轮与球铰中心的距离并没有发生任何变化。这样，使得对于调节机构的运动模型分析将大大简化。为了便于对上述调节机构的运动分析，首先在关节轴承的中心建立一坐标系，其各轴的方向如以上各图所示，而其位置不随调节机构的运动而发生任何变化，将其称为参考坐标系 系。同时，在图 3.1 所示的调节机构初始状态时，再建立一坐标系，O其与参考坐标系为重合状态，但在调节机构有输入的情况下，其将随着调节机构内层管的平移或绕 O 点转动而同时发生等量的平移或转动，将其称为从动坐标系 系。O根据刚体运动理论，刚体的运动可分解为相对于原点的平移运动和旋转运动，而运动的描述可以用上述 系和 系的关系来表达。假设存在点 （点 对应本例中的 P目标瞄准点）其在坐标系 系中的坐标描述 与其在坐标系 系中的坐标描述 ，OPOP存在以下关系（3.1） OR（3.1）式中 、 分别为调整完成后从动坐标系 系相对于参考坐标系 系ORP 的旋转矩阵和平移矩阵。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 3 机构分析14首先研究反映刚体定点旋转的坐标系变换矩阵旋转矩阵。假设，在调节机构调节过程中，对 、 、 调节量的调节次序即为先调节绕XYZ轴旋转，然后调节绕 轴旋转，最后输入 轴向进给。由刚体运动理论，上述 系XY O向 系的旋转矩阵 为OOR（3.2(,),)R）（3.2）式中， 、 分别为调节机构尾端调节手轮进行调节时，所分别对应的光学镜头相对于参考坐标系 系中 轴、 轴的旋转角度。式中 、 是由XY(,)RX(,)Y参考坐标系 系绕 轴、 轴的旋转角度 、 的基本旋转矩阵。根据刚体运动理论OY可知， 、 的计算公式为(,)RX(,)（3.3）10,cosiniRX（3.4）i(,)01sincosY对于本文所研究的调节机构，其在调节机构尾端有调节量的输入时，调节机构的最内层管的运动情况如图 3.2 所示。图 3.2 旋转角度示图根据图 3.2 所示运动情况，旋转角度 （即为 或 角）与对应手轮调节量（即旋转手轮旋入的深度） 、关节轴承中心与旋转手轮中心距离成正切关系。从动坐标系 系相对于参考坐标系 系的平移矩阵 ，显然只与 轴方向的移O OOP Z动有关。 3.2 精度分析首先，对于透镜支撑调节机构的各项参数进行说明。其中调节范围和调节精度要求：透镜轴线方向为 Z 轴，垂直于 Z 轴的两正交方向定义为 X 和 Y 轴；要求 Z 轴方向重庆大学本科学生毕业设计（论文） 3 机构分析15调节范围50.0mm，X 和 Y 方向调节范围20.0mm；目标瞄准点距离关节轴承中心的距离 为 1270mm，X/Y 向调节手轮轴线距离关节轴承中心的距离 为 300mm。X/Y 轴调节1l 2l输入端，在分度细分下，调节精度达到 0.1mm，Z 轴调节精度为 0.1mm。将透镜支撑调节机构安装至法兰上后，测得目标瞄准点与测量点间偏差 为x2.35mm， 为 3.23mm， 为 5.57mm。yz在确定调节输入端输入量大小前，先根据各向偏差量预先选取一组调节量，然后由总体调节要求判定所选调节量是否满足要求。为了选取一组较为接近要求的调节量，先对模型进行简化，即认为在调节 X/Y 轴时，其并不会对目标瞄准点的 Z 坐标产生影响。以 X 调节量选取为例，X 坐标需要的调节输入量：（3.5）302.5.517xm考虑到 X 轴调节输入端的输入精度，选取预调节量 为 0.56mm。同样取得另两轴x输入量 、 分别为 0.76mm、5.58mm。yz将上述所选取的预调节量输入后，目标瞄准点 在参考坐标系 系中的坐标 将POOP发生变化（3.6）cos0in10cosini 1275.8OP（3.6）式中（3.7）0.76arctn30.6arctn3最终，经过预选取的调节输入量进行调整后，目标瞄准点 在参考坐标系 系中PO的坐标 OP（3.8）2.418275.TOP将变化后的坐标，与测量点坐标进行比较，得出预调节后，可求目标瞄准点与测量点间的距离 （3.9）222.4135.1835.87求得经过预调节后，调节偏差 为 0.08mm。其满足总体调节要求，无须再进行修正。本次设计透镜支撑调节机构的螺纹相关参数为：Z 向调节的螺纹螺距为 3mm，为了能操作方便，在旋转件上刻上刻度线，刻度线每格角度为 3，则 Z 向的调节精度为：mm （3.10）025.3)6/(重庆大学本科学生毕业设计（论文） 3 机构分析16小于 0.1mm，满足 Z 向调节精度要求。即手柄每转一个刻线，透镜 Z 向移动 0.025mm；每转一转，透镜 Z 向移动3mm。X/Y 向的螺纹螺距为 1mm，而旋转件上每格角度为 7.2，则手轮 X/Y 向的移动精度为：mm （3.11）02.1)36/2.7(由杠杆原理得透镜支撑调节机构 X/Y 向的移动精度为：mm （3.12）85./.10小于 0.1mm，满足 X/Y 向调节精度要求。即手轮每转一个刻线，透镜 X/Y 向移动 0.085mm；每转一转，透镜 X/Y 向移动 4.22mm。事实上，由于透镜支撑调节机构在设计时，理论尺寸始终保证目标瞄准点与测量点能够重合，在安装时所引起的偏差一般都很小。在一般情况下，进行上述的简化模型选取的预调节量都能满足透镜支撑调节机构的总体安装要求。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 4 三维造型设计174 三维造型设计4.1 Pro/E 软件简介Pr