ЮСТИРОВОЧНЫЙ МЕХАНИЗМ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТИЧЕСКИХ СХЕМ
OPTICAL CIRCUITS ELEMENTS ALIGNMENT MECHANISM

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к регулирующим приспособлениям, специально предназначенным для юстировки элементов оптических схем (ЭОС) во время сборки, в частности к ЭОС, размещенных в корпусе цилиндрической формы: лазерных кристаллов, коллиматоров, телескопов, лазеров, лазерных головок и тому подобных элементов, эксплуатируемых в условиях ударных и вибрационных нагрузок.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание компактного устройства для установки, юстировки и фиксации рассматриваемых ЭОС.
Известен юстировочный механизм излучателя лазерного целеуказателя, эксплуатируемого при больших ударных нагрузках (патент RU 2100744, публик. 27.12.1997), который включает по меньшей мере один опорный и два юстировочных винта, установленных в цилиндрическом корпусе целеуказателя с возможностью взаимодействия с опорными поверхностями корпуса излучателя, при этом излучатель снабжен хвостовиком, закрепленным в задней части корпуса и выполненным в виде усеченной трехгранной пирамиды, грани которой являются опорными поверхностями для взаимодействия с опорными и юстировочными винтами. В корпусе целеуказателя размещена втулка и пружина, охватывающая переднюю часть излучателя и взаимодействующая с торцом втулки. При вкручивании юстировочных винтов излучатель и втулка перемещаются навстречу сжатой пружине, при этом излучатель поворачивается в плоскости, проходящей через ось соответствующего юстировочного винта. При выкручивании юстировочных винтов излучатель и втулка под действием сжатой пружины перемещаются в обратном направлении, при этом излучатель 2 поворачивается в обратном направлении.
Недостатком данного юстировочного механизма является наличие сложной конструкции механизма юстировки и механизма фиксации корпуса излучателя. Кроме того, наличие большого количества элементов и подвижных соединений в конструкции данных механизмов приводит к снижению надежности по удержанию выставленного после юстировки угла прицеливания.
Также известны выпускаемые промышленностью устройства - юстировочные механизмы, направленные на решение задачи по установке, юстировке и фиксации ЭОС. В каталоге выпускаемой продукции компании Standa Ltd представлена широкая номенклатура устройств, предназначенных для установки, юстировки и фиксации оптических элементов различной формы, в том числе и цилиндрических протяженных элементов. Общим недостатком этих устройств являются относительно большие габариты, и, как правило, они предназначены для использования в лабораторных условиях. Наиболее близким аналогом заявляемому изобретению по решаемой задаче и количеству сходных признаков является реализованный на практике юстировочный механизм оптических элементов - оправа для лазеров/лазерных головок серии 6LH из каталога оптико-механической продукции компании Standa 2011/2012 (http://www.standa.lt). Оправа выполняет функцию юстировочного механизма, в частности лазерной головки цилиндрической формы, по четырем степеням свободы. На фиг. 1 представлена фотография оправы с юстировочными элементами, обеспечивающими необходимые линейные и угловые регулировки, и с фиксирующими элементами, предназначенными для закрепления лазерной головки после юстировки. На фиг. 2 - фотография лазерной головки, установленной в оправе. На фиг. 3 - схема этой оправы.
Оправа, представленная на фиг. 1-3, содержит платформу 1 с закрепленными на ней двумя опорными элементами в виде стоек-консолей 2 и 3, в которые попарно вкручены юстировочные элементы - винты 4, 5, 6, 7, с возможностью взаимодействия с четырьмя точечными опорными поверхностями головки и обеспечивающие в определенных пределах регулировку ее пространственного положения. Фиксация головки осуществляется с помощью упругого хомута 8, натяжение которого выполняется винтовой парой 9, 10.
В ближайшем аналоге решены задачи установки, юстировки и фиксации ЭОС, однако конструкция данной оправы имеет ряд недостатков с точки зрения условий эксплуатации изделия, в котором может она применяться.
Среди них:
- недостаточная жесткость конструкции из-за наличия стоек-консолей, в которые вкручены юстировочные винты, что приводит к низкой собственной частоте колебаний оправы. Низкие частоты собственных колебаний дают большую амплитуду перемещений элементов конструкции в условиях резонанса при вибрации, что вызывает нестабильность пространственного положения оптической оси головки;
- большие габариты, а ориентация юстировочных винтов 4, 5, 6, 7 под углом к платформе 1 не позволяет уменьшить высоту стоек-консолей 2, 3 до приемлемой величины. По данным каталога для устройства серии 6LH-2 высота от оси зажимаемого цилиндрического элемента до основания (см. фиг. 3) составляет Н=65 мм. Высокое консольное расположение головки на платформе является нежелательным с точки зрения механической стабильности в условиях действия ударных и вибрационных нагрузок;
- расположение хомута посередине между точечными опорами вызывает изгибающий момент, который будет расти в условиях действия интенсивных ударных и вибрационных нагрузок и приводить к дополнительной механической нестабильности конструкции;
- малая площадь контактной поверхности цилиндрического корпуса головки в точках опоры при ее фиксации может приводить к местной деформации корпуса головки.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение жесткости конструкции механизма юстировки для обеспечения работы в условиях ударных и вибрационных нагрузок. Дополнительным техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение компактности конструкции за счет уменьшения габаритов.
Заявленный технический результат достигается тем, что в конструкции юстировочного механизма элементов оптических схем, размещенных в корпусе цилиндрической формы, содержащей платформу с опорными, юстировочными и фиксирующими элементами, последние из которых включают упругий хомут, скрепленный с платформой крепежными элементами, новым является то, что платформа выполнена П-образной формы, а юстировочные элементы вкручены в одну из ее боковых стенок, опорные элементы выполнены в виде установленных на основании платформы вдоль боковых стенок прижимающих губок, взаимодействующих с упругими элементами, обеспечивающими их поджим враспор к противоположным боковым стенкам платформы, губки установлены на основании платформы с зазором относительно друг друга, при этом губки выполнены со скошенными гранями, которыми они обращены друг к другу с возможностью взаимодействия с поверхностью корпуса юстируемых элементов по опорным линиям, а губка, контактирующая с юстировочными элементами, выполнена подвижной с возможностью перемещения и изменения величины зазора между губками и/или углового положения, причем хомут выполнен протяженным по форме корпуса юстируемых элементов и снабжен плечиками, которыми он прикреплен к платформе, кроме этого в конструкцию дополнительно введены попарно установленные винты, фиксирующие губки и платформу.
В основании платформы и в прижимающих губках в зоне размещения юстировочных элементов могут быть выполнены настроечные пазы.
Выполнение платформы П-образной формы, в одну из боковых стенок которой вкручены юстировочные элементы, позволяет уйти от консольных опорных элементов и применить компоновочное решение механизма юстировки, которое позволяет уменьшить амплитуду перемещений элементов конструкции в условиях резонанса при вибрации, что повышает стабильность пространственного положения юстируемых элементов.
Выполнение опорных элементов в виде подвижных губок, установленных на основании платформы с зазором относительно друг друга и с возможностью перемещения одной из них для изменения величины зазора и/или углового положения, позволяет фиксировать одновременно призматические губки и платформу относительно установочной поверхности, что обеспечивает замкнутую силовую схему всей конструкции. Это позволяет повысить жесткость конструкции, обеспечить надежную фиксацию настройки и приобрести такие качества, как вибро- и ударостойкость, компактное размещение в оптической схеме, простоту и доступность юстировки.
Наличие упругих элементов, взаимодействующих с подвижными губками, обеспечивая их поджим враспор к противоположным боковым стенкам платформы, позволяет обеспечить удержание подвижных губок с достаточно равномерным и стабильным усилием.
Выполнение подвижных губок со скошенными гранями, которыми они обращены друг к другу с возможностью взаимодействия с поверхностью корпуса юстируемых элементов по опорным линиям, позволяет увеличить площадь контактной поверхности цилиндрического корпуса юстируемых элементов и обеспечить эффективное позиционирование, что при фиксации корпуса юстируемых элементов не деформирует его, как при точечном контакте в ближайшем аналоге.
Выполнение хомута протяженным по форме корпуса юстируемых элементов с плечиками, которыми он прикреплен к боковым стенкам платформы, позволяет обеспечить равномерное усилие по линии контакта деталей при разведении (сжатии) губок.
Выполнение в основании платформы и в прижимающих губках в зоне размещения юстировочных элементов настроечных пазов даст возможность перемещения юстируемых элементов в небольших пределах на установочной плоскости в основании платформы.
На фиг. 4 и 5 представлен пример конкретного выполнения заявляемого юстировочного механизма. На фиг. 6 - его фотография. На фиг. 7 - чертеж в разрезе.
Примером конкретного выполнения заявляемого юстировочного механизма может служить держатель выходного коллиматора волоконного лазера с внешним диаметром цилиндрического корпуса ∅=12 мм. На фиг. 4, 5, 6 позициями обозначены следующие детали:
1 - выходной коллиматор:
2 - прижимные губки, изготовленные из алюминиевого сплава;
3 - платформа из закаленной стали;
4 - хомут из листовой пружинной стали;
5 - упругие элементы (пружины из стальной пружинной проволоки);
6 - юстировочные элементы (винты из закаленной стали);
7, 8, 9 - шпильки, гайки и винты установочные, соответственно, из стали.
10 - настроечные пазы.
Держатель включает платформу П-образной формы. Юстировочные элементы выполнены в виде двух винтов, вкрученных перпендикулярно оптической оси коллиматора в одну из боковых стенок платформы. Опорные элементы выполнены в виде установленных на основании платформы вдоль ее боковых стенок прижимающих губок, которые взаимодействуют с упругими элементами, обеспечивающими их поджим враспор к противоположным боковым стенкам платформы. Упругие элементы представляют собой две цилиндрические пружины. Губки установлены на основании платформы с зазором относительно друг друга, при этом губки выполнены со скошенными гранями, которыми они обращены друг к другу с возможностью взаимодействия с корпусом коллиматора по четырем опорным линиям в зоне контакта. Одна из губок, которая контактирует с юстировочными винтами, выполнена подвижной с возможностью перемещения и изменения величины зазора между губками и/или углового положения. Хомут выполнен протяженным по форме корпуса юстируемых элементов и снабжен плечиками, которыми от прикреплен к платформе установочными крепежными элементами (шпильки, гайки). В конструкцию дополнительно введены попарно установленные винты, фиксирующие губки и платформа после юстировки.
В основании платформы в зоне размещения дополнительных винтов выполнены настроечные пазы.
Держатель с установленным юстируемым выходным коллиматором, представленный на фиг. 4-7, функционирует следующим образом.
Юстируемый коллиматор 1, поджатый фигурным хомутом 4, опирается на прижимные губки 2, которые, в свою очередь, с внутренней стороны поджаты двумя пружинами 5 враспор к боковым стенкам платформы 3, имеющей в поперечном сечении форму перевернутой буквы «П». При одновременном завинчивании юстировочных элементов - винтов 6 обе пружины сжимаются. Это приводит к уменьшению расстояния между губками 2 и, как результат, к увеличению высоты положения коллиматора 1 на губках 2. Обратное действие дает противоположный результат.
Отвинчивание одного из юстировочных винтов 6, при неподвижном другом, приводит к нарушению параллельности губок 2. Край коллиматора 1 со стороны этого юстировочного винта проседает и под действием упругой силы хомута 4 коллиматор 1 наклоняется относительно установочной поверхности, совершая угловое перемещение.
Коллиматор 1 поджимается к прижимающим губкам 2 плечиками фигурного упругого хомута 4 посредством двух шпилек 7 с гайками 8 по типу коромысла. Это позволяет обеспечить равномерное усилие по линии контакта деталей при разведении (сжатии) губок 2. Для перемещений держателя в небольших пределах на установочной плоскости в основании платформы 3 и губках 2 предусмотрены настроечные пазы 10. После окончательной юстировки коллиматора 1 затягиваются дополнительные винты крепления 9, фиксирующие одновременно призматические губки 2 и платформу 3 относительно установочной поверхности, что обеспечивает замкнутую силовую схему всей конструкции. Данный держатель был неоднократно экспериментально проверен при настройке коллиматоров.
На фиг. 7 показан чертеж изготовленного держателя в разрезе, из которого видно, что высота возвышения оптической оси коллиматора с внешним диаметром ∅=12 мм над установочной поверхностью составляет всего Н=18 мм. Для сравнения - по данным каталога у ближайшего аналога Н=65 мм (см. фиг. 3). Таким образом, у держателя, изготовленного по предлагаемому техническому решению, данный габаритный размер в несколько раз меньше, чем у ближайшего аналога, что свидетельствует о его компактности.
Заявляемая конструкция компактного держателя может быть с успехом использована в различных приборах, в том числе оптических, где необходимо обеспечить установку, юстировку и фиксацию протяженных элементов цилиндрической формы, таких как лазерные кристаллы, коллиматоры, телескопы, излучающие головки лазеров и тому подобные элементы, эксплуатируемые в условиях ударных и вибрационных нагрузок.