大型高精度锥体安装工艺研究*

费国强，马连英，周世友

( 西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710024)

大型高精度锥体安装工艺研究*

费国强，马连英，周世友

( 西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710024)

从某光学试验系统对锥体提出的物理需求出发，根据锥体部件的结构特点和安装技术要求，设计了3种专用的安装调试工装。经过实际使用表明，该工装结构简单，使用轻巧方便，完全可满足对大型锥体进行六维精密调整的要求。介绍了锥体的安装调整工艺过程，经过实际测量和光学试验验证，安装到位后的大型锥体的安装精度达到了设计要求，可满足精密光学试验要求。

安装；工艺；锥体

1 锥体结构特点和安装要求

在某大型光学试验系统中[1]，要求在已有球形靶室(φ1 320 mm)位于赤道面(即过靶室中心的水平面)的φ300 mm法兰处,通过1段波纹管连接1个大型锥体，如图1所示。该锥体部件上安装有18个透镜，通过光学系统中前端激光器系统放大的18束激光，经过18个透镜后聚焦至位于靶室的中心，即靶心处的平面靶上，从而获得高功率的激光输出。

锥体大端直径为900 mm，总长为1 200 mm，使用1Cr18Ni9Ti不锈钢制造。在大端法兰上设计有18个小法兰，用于安装透镜，小法兰的轴线均匀分布在3个具有不同锥角的圆锥面上(每个圆锥上均匀分布6个小法兰)，3个圆锥顶点(以下称为锥体的顶点)重合于靶室靶心处。锥体固定于上支承上，上、下支承之间通过支承螺杆连接，后者直接固定于地面。

锥体安装的技术要求如下：锥体的顶点必须与靶室的靶心重合；锥体的中心轴线与靶室φ300 mm法兰(即安装连接波纹管的法兰)轴线重合；锥体的赤道面(如图1中所示的过锥体轴线且其上分布的3个法兰的水平面)与靶室赤道面重合。

图1 靶室与锥体示意图

2 专用安装工装设计

为满足上述安装要求，在安装过程中应能够对锥体进行六维调节。根据锥体本身的结构特点及支承要求，通过现有的支承方式，可以实现对锥体进行除绕自身轴线旋转之外的五维调节，即利用调节4个支承螺杆上螺母的位置实现对锥体的三维调节。上支承与支承螺杆相配的孔径足够大，可以满足锥体在一定范围内的平移要求，从而实现二维调节。

锥体自身质量约为300 kg，如果依靠4个支承螺杆进行调节，则需克服较大的摩擦力，不满足多次反复的精密调节要求；另外，对锥体进行平推移动调节时，锥体与4个螺母(与支承螺杆构成螺纹副)之间会产生较大的滑动摩擦力，同样无法满足锥体在水平方向的精密调节要求。因此，需要设计专用的调节工装。

2.1 锥体高度调整工装

该工装安装在上、下支承之间，支承螺杆旁边，共4组，具体结构如图2所示。调节螺杆卡在定位板宽40 mm的通槽内，而定位板焊接在下支承的上平面上。轴承座与调节螺杆构成螺纹副，轴承座内安装有单向推力球轴承，在后者上依次安装带有止口的圆盘、钢球和顶板，螺钉安装在轴承座的外圆上，用于确保钢球在调节开始前处于圆盘的中心位置。

图2 锥体高度调节工装

利用该工装对锥体进行调节时，只需使用扳手转动轴承座，就可以带动钢球、顶板等上下移动，实现对锥体高度的调整。推力轴承的使用减小了调节过程中的摩擦力。

2.2 锥体平移调整工装

锥体平移工装全部安装在下支承上(见图3)。在下支承上端面长边、短边两侧分别放置2个工装和1个固定板，长边两侧的固定板由长拉杆固定，短边两侧的固定板由短拉杆固定，在固定板靠上位置安装有调节螺钉，通过调节该螺钉可以轻松地对锥体进行平移调节。为防止调节螺钉在转动过程中对上支承侧面造成损伤，在其表面夹垫了橡胶垫。

图3 锥体平移调节工装

2.3 锥体旋转调整工装

锥体旋转调整工装如图4所示。旋转调节工装固定于下支承上端的2个短横梁上面，其中，梯形支承通过螺栓固定于下支承横梁上，其上端面焊接固定螺母，调节螺杆与固定螺母构成一对螺纹副，其上端插入V形轴承座的孔内，V形轴承座内放置滚动轴承，由其支承穿过锥体的转轴。

图4 锥体旋转调节工装

根据锥体的结构，为了与转轴配合使用，需在其大端和小端分别加工和安装相应的法兰盘。对于法兰盘与锥体的配合没有特别要求，旋转调整只要实现锥体大端位于通过锥体中心轴的平面上的3个法兰中心同一水平面上即可。在对锥体进行旋转调整时，使用扳手转动调节螺杆，使锥体与上支承分离，之后就可以转动锥体，对其进行旋转调整。

3 锥体安装工艺过程

3.1 安装基准确定

在安装靶室时，为了实现与后续安装的锥体和其他光学部件精密对接，借助激光标线仪在靶室上预留了基准标记[2]。在安装锥体之前，应使用激光标线仪恢复安装基准——激光标线仪发出的2条水平激光线和铅垂激光线的交点通过靶心，水平激光线形成的扇形面与靶室赤道面重合，铅垂线形成的扇形面与赤道面垂直，且穿过与波纹管相连的φ300 mm法兰的中心线。

3.2 下支承的安装

首先，在下支承上表面的短横梁上找出中线，并做出标记(至少要在2根横梁上作出标记)；然后，将下支承安装到大概位置，调整其位置使所做的标记与标线仪的铅垂线重合，并对其进行整体调平(整体调平有助于下支承在以后的使用过程中保持自然状态)，调平通过在下支承下端的平板与地面之间加塞垫片来实现，随后在下支承与地面接触的平板和地面之间灌注特制的胶体并固化；最后，通过螺栓使平板与地面固定在一起。

3.3 锥体的安装

1)将锥体置于上支承上，通过螺栓将两者固定，将图3中提及的法兰盘安装到锥体两端的法兰上，再将旋转轴安装于法兰盘的孔内。

2)在下支承上安装图1中提及的支承螺杆与螺母，将4个螺母调整至统一高度，以尽量减小后面上支承的调节量，将上支承与锥体放置于下支承上。

3)将旋转工装安装到下支承上，调节工装中的调节螺杆，使得滚动轴承基本与旋转轴同轴，并将轴承安装在旋转轴的两端。

4)松开并拿掉连接锥体与上支承的螺栓。

5)调节旋转工装中的调节螺杆，使得V形轴承座将轴承顶紧，继续调节，将锥体与上支承脱开，并能够使转轴顺利旋转。

6)以之前确定的激光标线仪的水平线为基准，稍微转动锥体，直到锥体上位于赤道面的2个法兰中心与水平线完全重合(见图5)。在2个法兰盘上都安装了特别加工的法兰盖，在其中心加工了φ2 mm的小孔，水平仪的水平线宽度约为2 mm，用肉眼判断小孔与水平线的重合程度即可。

图5 锥体旋转调整示意图

7)将4组高度调节工装放入上、下支承之间。放入之前需调节其中的螺钉，使钢球位于中心位置；放入之后转动轴承座直至顶板顶紧上支承，此时卸掉工装中的螺钉。

8)转动旋转工装中的调节螺杆，使V形轴承座与轴承完全分离，将旋转工装、锥体两端的法兰盖和转轴全部拆卸。至此，锥体和上支承全部由4组高度调节工装支承.

9)将平移工装固定在下支承上。

10)同时使用平移工装和高度调整工装对锥体进行精密调节。借助特制的测量工具检测锥体大端小法兰端面到靶心的距离，以此判断锥体顶点与靶心的重合精度；以激光标记仪的2条激光线作为安装基准，继续使用步骤6中使用的法兰盖，同时在中心法兰上也安装1个同样的法兰盖(见图6)，中间的法兰盖用来检测锥体中心是否与靶心重合，两边的法兰盖用来检测锥体赤道面是否与靶室赤道面重合。这个调整过程耗时较长，需要多次反复调整。

图6 锥体调整工装

经过分析计算，激光标线仪的精度和专用测量工装的精度均满足锥体安装精度的要求。

4 结语

从某光学试验系统对锥体提出的物理需求出发，根据锥体的结构特点和安装技术要求，设计了3种专用的安装调试工装。经过实际使用，该工装结构简单，使用轻巧方便，完全可满足对大型锥体进行六维精密调节的要求。经过实际测量和光学试验验证，安装到位后的大型锥体的安装精度达到了设计要求,完全满足开展精密光学试验的要求。

[1] 赵学庆,刘晶儒,易爱平.平滑化窄脉冲高功率准分子激光放大技术[J].光学精密工程, 2011,19(2)：397-405.

[2] 霍晓飞,王建敏,梁雅军.激光标线仪校准方法研究[J].宇航计测技术, 2013,33(6)：13-16.

*激光与物质相互作用国家重点实验室基础研究基金资助项目(SKLLIM1006-01)

责任编辑李思文

TheResearchonInstallingProcessofLarge-scaleHigh-precisionConeParts

FEI Gouqiang,MA Lianying,ZHOU Shiyou

(State Key Laboratory of Laser and Material Interaction, Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi′an 710024，China)

Based on the optical experiment’s physical requirement to the cone parts, and according to the structural characteristic and technical requirement of the cone parts, three kinds of special adjusting equipments were designed. The practical application showed that these three equipments can be operated easily, which had simple structures and satisfied the requirements of six dimensional adjustments to the cone parts. The installing process of the cone parts were introduced. The practical measurement and optical experiments showed that the installing accuracy meets the designing requirements.

installing, technics, cone

TH 16

：A

费国强(1966-)，男，高级工程师，主要从事机械设计与制造等方面的研究。

2015-01-16