CN110908060A - 一种共轴光学系统同轴和合焦梯形螺纹副结构 - Google Patents

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黄晓婧
郝培育
李小明
崔伟
马文维
张玉成
李阳阳
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Abstract

本发明涉及一种共轴光学系统同轴和合焦梯形螺纹副结构，通过梯形螺纹副的旋合实现透镜组空气间隔的调节；通过螺纹副螺距和牙型的配合精度降低旋入旋出的轴向窜动。在产品设计装调过程中，通过内外螺纹的配合完成光学系统允许误差范围内的自动定心，然后旋转其中一个镜座，完成透镜组合焦。使用时，光学透镜组分别装配到带有梯形内螺纹和外螺纹的镜座中，通过梯形螺纹副的内螺纹小径、外螺纹小径的高精度配合，实现光学透镜组的同轴。

Description

一种共轴光学系统同轴和合焦梯形螺纹副结构
技术领域
本发明属于光学仪器领域，涉及一种共轴光学系统同轴和合焦梯形螺纹副结构，用于共轴光学系统光学透镜组的降低旋入旋出运动。
背景技术
共轴光学系统一般是由两个以上的光学透镜组成，要求所有光学透镜表面曲率中心以一定的空气间隔分布在同一光轴上。
在共轴光学系统装调阶段，一般采用定心车/定心装工艺保证光学透镜的同轴，通过研磨隔圈调整透镜间的空气间隔。在公开的“CN106646812A”专利文献中，采用定心车工艺保证金属镜座的外圆柱面与单透镜光轴的同心且端面与光轴垂直。该方法的优点是装调精度高，缺点是工艺设备复杂，产品经加工后需经二次加工修正才能应用，生产周期长。
另外一种实现方案为，透镜分别装配在带有细牙螺纹的镜座中，通过旋合来调整透镜空气间隔，两镜座有导向结构，该导向结构通过高精度的结构配合来保证光学镜组的同轴要求。该方法的优点是装调简单，缺点是导向结构较长，螺纹旋入旋出时有窜动，装调过程反复较多。随着光学仪器小型化、轻量化要求的提高，该结构已无法满足光机结构设计的要求。
梯形螺纹副一般用于传动，通用梯形螺纹副的对中性通过牙型的侧边实现粗略定心。本发明对通用梯形螺纹副进行改进，通过螺纹副的内螺纹小径与外螺纹小径的配合实现高精度定心，提出了一种能够实现共轴光学系统同轴和合焦调整的梯形螺纹副及其设计方法。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种共轴光学系统同轴和合焦梯形螺纹副结构，实现共轴光学系统透镜组的定心和合焦装调过程的简化，以及光机结构设计的小型化、轻量化。
技术方案
一种共轴光学系统同轴和合焦梯形螺纹副结构，其特征在于包括梯形内螺纹(1)和外螺纹(2)；梯形内螺纹(1)和外螺纹(2)的牙型截面为等腰梯形，内螺纹小径D(1-1)与外螺纹小径d(2-1)齿寸相同，内螺纹的齿高H(1-2)大于外螺纹齿高h(2-2)，内螺纹齿顶宽T(1-2)不小于外螺纹齿顶宽t(2-2)，内螺纹齿底宽B(1-3)小于外螺纹的齿底宽b(2-3)，内螺纹齿顶宽T(1-2)大于其齿顶宽B(1-3)，外螺纹齿顶宽t(2-2)小于其齿顶宽b(2-3)，内螺纹齿顶宽T(1-2)与外螺纹齿底宽b(2-3)的理论尺寸相等，内螺纹牙顶圆角(1-4)小于外螺纹牙底圆角(2-4)。
所述内螺纹小径D(1-1)与外螺纹小径d(2-1)的两小径最大实体齿寸为单边间隙不小于0.005mm的小间隙配合。
所述锁紧压圈为普通细牙螺纹，该细牙螺纹与异型梯形螺纹公称直径不同。
有益效果
本发明提出的一种共轴光学系统同轴和合焦梯形螺纹副结构，通过梯形螺纹副的旋合实现透镜组空气间隔的调节；通过螺纹副螺距和牙型的配合精度降低旋入旋出的轴向窜动。在产品设计装调过程中，通过内外螺纹的配合完成光学系统允许误差范围内的自动定心，然后旋转其中一个镜座，完成透镜组合焦。使用时，光学透镜组分别装配到带有梯形内螺纹和外螺纹的镜座中，通过梯形螺纹副的内螺纹小径、外螺纹小径的高精度配合，实现光学透镜组的同轴。
本发明解决了共轴光学系统同轴度和空气间隔的同步调节问题，具有以下优点：(1)能够实现共轴光学系统同轴度和空气间隔的同步调节，装调方便，螺纹副同时具备导向和旋合功能，使整体结构更紧凑；(2)该螺纹副设计较灵活，可根据设计师经验对参数进行调整，不仅可应用于光学仪器领域，可手动合焦，也可作为自动调整焦距的执行机构，还可应用到其它对同轴度要求较高、转速较低的机械传动领域。
附图说明
图1：共轴光学系统梯形螺纹副旋合结构示意图；
图2：旋合螺纹副特征局部放大图；
图中，1—梯形内螺纹，1-1—内螺纹小径、1-2—内螺纹的齿高，1-3—内螺纹齿底宽，1-4—内螺纹牙顶圆角；2-外螺纹，2-1—外螺纹小径，2-2—外螺纹齿顶宽，2-3—外螺纹的齿底宽，2-4—外螺纹牙底圆角。
图3：旋合螺纹副参数局部放大图；
图中，a—外螺纹齿顶与内螺纹齿底间隙，θ—螺纹牙梯形截面两腰夹角；P—螺距，d—外螺纹小径，D—内螺纹小径，d2—外螺纹大径，D2—内螺纹大径，h—外螺纹牙高，H—内螺纹牙高，t—外螺纹齿顶宽，T—内螺纹齿顶宽，b—外螺纹齿底宽，B—内螺纹齿底宽，r1—外螺纹牙底圆角，R1—内螺纹牙底圆角，r2—外螺纹牙顶圆角，R2—内螺纹牙顶圆角。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
共轴光学系统同轴和合焦梯形螺纹副的原理为：通过梯形螺纹副的内、外螺纹小径的高精度配合，实现光学透镜组的同轴；通过梯形螺纹副的旋合实现透镜组空气间隔的调节；通过螺纹副螺距和牙型的配合精度降低旋入旋出的轴向窜动。在产品设计装调过程中，将光学透镜组分别装配到带有梯形内螺纹和外螺纹的镜座中，通过内外螺纹的配合完成光学系统允许误差范围内的自动定心，然后旋转其中一个镜座，完成镜组合焦，最后用胶接或锁紧压圈完成镜座的固定。
所述梯形螺纹副，即截面为等腰梯形的非标准梯形螺纹副，其参数定义如下：
a-外螺纹齿顶与内螺纹齿底间隙，θ-螺纹牙梯形截面两腰夹角；
P-螺距；
d-外螺纹小径，D-内螺纹小径，两者理论尺寸相等，此处暂称其为公称直径；
d2-外螺纹大径，D2-内螺纹大径；
h-外螺纹牙高，H-内螺纹牙高；
t-外螺纹齿顶宽，T-内螺纹齿顶宽；
b-外螺纹齿底宽，B-内螺纹齿底宽；
r1-外螺纹牙底圆角，R1-内螺纹牙底圆角；
r2-外螺纹牙顶圆角，R2-内螺纹牙顶圆角。
梯形螺纹副各参数之间的数值关系满足以下条件：
d＝D；
h＝H-a；
d2＝D2-2a；
T＝b＝P-t-2htan(θ/2)；
B＝t-2atan(θ/2)；
r1＜R2，R1＜a
所述自动定心，是指通过内、外螺纹副的小径的小间隙配合完成，单边间隙一般不小于0.01mm。
所述内、外螺纹副，外螺纹的大径要小于所旋合内螺纹的大径。
所述锁紧压圈为普通细牙螺纹，该细牙螺纹与异型梯形螺纹公称直径不同。
具体实施例：
参照附图3，结合一种机载光学仪器共轴光学系统，对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
1)确定内、外螺纹的公称直径：根据结构齿寸限制，确定内、外螺纹配合的公称直径D。根据光学通光孔径要求和空间限制，以及光学镜片的固定方式等，确定内、外螺纹的公称直径(配合面直径)。本实施例中，配合面直径d＝D＝Ф66mm。
2)确定牙型参数：根据设计经验或螺纹副连接强度计算，确定外螺纹的牙高h和牙型参数θ，上述两参数对螺纹连接强度影响较大。
根据设计经验，本实施例中，镜座材料为铝合金2A12，牙高h取值0.5mm即能满足设备振动环境的强度要求，螺纹牙梯形截面两腰夹角θ为30°。
3)确定螺距：根据结构空间齿寸和合焦误差经验数值，选择螺距P，P的数值可参考标准梯形螺纹的螺距选择。
由于结构空间限制，此处螺纹啮合长度最长设置10mm，取螺距P＝1.5mm。
4)确定装配参数：根据空间限制确定外螺纹齿顶与内螺纹齿底间隙a的数值，然后确定内螺纹牙底圆角R1。
根据机加经验，内螺纹牙底圆角可不大于0.1mm，此处选取外螺纹齿顶与内螺纹齿底间隙a为0.1mm，内螺纹牙底圆角R1不大于0.1mm。
5)确定外螺纹齿底宽：根据计算公式确定外螺纹齿底宽b的取值范围，在保证内螺纹不发生根切现象的情况，b尽量取较大值。
根据计算公式，b＝P-t-2htan(θ/2)，可知0<b<2htan(θ/2)。为确保内螺纹不发生根切现象，可知0<b<P-2(h+a)tan(θ/2)。
在此处b的取值范围为(0,1.17)。为提高两零件的配合刚度，尽量使配合表面齿寸大，此处取外螺纹齿底宽b＝0.8mm。
6)验算螺距P的合理性：①保证外螺纹牙底圆角r1不大于内螺纹牙顶圆角R2，且可以加工成型；②保证螺纹副具有自锁功能，即P/(πD)<μ，其中μ为螺纹副的摩擦系数。
外螺纹牙底圆角r1不大于0.1mm；为保证内、外螺纹啮合时不干涉，取内螺纹牙顶圆角R2为0.15mm。
材料选用铝合金，铝—铝接触副摩擦系数为1.1～1.7，此处螺纹升角P/(πD)≈0.01，远小于铝—铝接触副摩擦系数，满足自锁条件。
7)确定公称直径配合公差
根据光学系统的同轴度、结构表处(镀层)等要求，确定公差带的大小及分布。
根据上述过程设计的机载光学仪器共轴光学系统，直接将分别固定两组光学透镜的机械零件旋合，通过螺纹完成天线的同轴度和空气间隔的装调，装配方便。经验证和测试，采用该方法装配的光学天线设备环境适应性要求，达到预期设计目标。

Claims (3)

1.一种共轴光学系统同轴和合焦梯形螺纹副结构，其特征在于包括梯形内螺纹(1)和外螺纹(2)；梯形内螺纹(1)和外螺纹(2)的牙型截面为等腰梯形，内螺纹小径D(1-1)与外螺纹小径d(2-1)齿寸相同，内螺纹的齿高H(1-2)大于外螺纹齿高h(2-2)，内螺纹齿顶宽T(1-2)不小于外螺纹齿顶宽t(2-2)，内螺纹齿底宽B(1-3)小于外螺纹的齿底宽b(2-3)，内螺纹齿顶宽T(1-2)大于其齿顶宽B(1-3)，外螺纹齿顶宽t(2-2)小于其齿顶宽b(2-3)，内螺纹齿顶宽T(1-2)与外螺纹齿底宽b(2-3)的理论尺寸相等，内螺纹牙顶圆角(1-4)小于外螺纹牙底圆角(2-4)。
2.根据权利要求1所述共轴光学系统同轴和合焦梯形螺纹副结构，其特征在于：所述内螺纹小径D(1-1)与外螺纹小径d(2-1)的两小径最大实体齿寸为单边间隙不小于0.005mm的小间隙配合。
3.根据权利要求1所述共轴光学系统同轴和合焦梯形螺纹副结构，其特征在于：所述锁紧压圈为普通细牙螺纹，该细牙螺纹与异型梯形螺纹公称直径不同。
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CN112255752A (zh) * 2020-11-03 2021-01-22 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 一种提高红外热像仪成像质量的变倍镜筒部件装调方法

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CN206638867U (zh) * 2017-03-08 2017-11-14 世大光电(深圳)有限公司 一种具有新型螺纹结构的光学镜头

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