課程設(shè)計(jì)(論文)-零位儀的校正

零位儀的裝調(diào)學(xué)生姓名專業(yè)學(xué)號學(xué)院二〇一六年11月摘要目前我國的紅外瞄準(zhǔn)鏡正處于第一代的推廣使用階段，其校正方式還是以傳統(tǒng)的實(shí)彈射擊為主。這種方式不僅繁瑣、耗時(shí)而且受環(huán)境因素影響大，嚴(yán)重影響部隊(duì)的快速作戰(zhàn)能力。其次，激光指示器是安裝在輕武器上，用于在夜間或者低照度環(huán)境下，快速準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)近距離目標(biāo)的一種光學(xué)瞄具。由于剛剛定型裝備部隊(duì)，到目前為止還沒有有效便捷的檢測設(shè)備用于其瞄準(zhǔn)零位的校正。本文利用圖像采集技術(shù)為其研發(fā)了一套數(shù)字化零位校正儀。本文首先介紹了常用多光軸平行度校正的一些方法，對激光指示器的組成結(jié)構(gòu)及指示目標(biāo)原理做了相關(guān)說明，并采用圖像采集以及光斑中心定位技術(shù)制定了校正激光指示器瞄準(zhǔn)零位的總體設(shè)計(jì)方案。本文在研究多光軸平行性檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，比較了幾種常見的準(zhǔn)直系統(tǒng)，并選用牛頓全反射共軸光學(xué)系統(tǒng)作為理論依據(jù)，設(shè)計(jì)了一款紅外瞄準(zhǔn)鏡專用的零位校正系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)機(jī)械插軸、輻射照明裝置與準(zhǔn)直系統(tǒng)共同提供無窮遠(yuǎn)紅外基準(zhǔn)目標(biāo)。本文還探討了校正系統(tǒng)的零位標(biāo)定方法及原理，并完成了零位標(biāo)定、誤差分析、性能檢測及部隊(duì)鑒定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，該校正系統(tǒng)能夠達(dá)到密位的校正精度要求，是一種能夠全天候使用于多種口徑槍族系列的便攜式光電檢測儀器。本文其次介紹了常用多光軸平行度校正的一些方法，對激光指示器的組成結(jié)構(gòu)及指示目標(biāo)原理做了相關(guān)說明，并采用圖像采集以及光斑中心定位技術(shù)制定了校正激光指示器瞄準(zhǔn)零位的總體設(shè)計(jì)方案。

一、紅外瞄準(zhǔn)鏡介紹及校正原理1.介紹隨著熱像儀的出現(xiàn)，戰(zhàn)爭打破了晝夜環(huán)境的束縛，使全天候作戰(zhàn)成為了可能。釆用這種儀器士兵在夜間也能夠看清或者距離更遠(yuǎn)的敵方目標(biāo)，從而實(shí)行精確打擊，一定程度上提升了作戰(zhàn)效果以及自身的生存幾率。目前熱像儀可分為手持式和裝于輕武器式兩類，一般將能夠安裝于輕武器裝備的熱像儀統(tǒng)稱為紅外瞄準(zhǔn)鏡。紅外瞄準(zhǔn)鏡按照工作原理不同，又可分為主動式和被動式兩種。其中主動式紅外瞄準(zhǔn)鏡依靠自帶光源發(fā)射紅外光照射目標(biāo)，通過將目標(biāo)反射的紅外光線進(jìn)行成像轉(zhuǎn)換，獲取可見光圖像，主要在自然界溫度低，紅外線轄射能量小，不能滿足儀器的成像要求時(shí)使用。這種紅外瞄準(zhǔn)鏡最早誕生于第二次世界大戰(zhàn)末期，德國和美國相繼將其投入到戰(zhàn)爭中，均取得了意想不到的效果。1945年，由德國研制的型號為Zielgeraet299、代號為“vampire”的紅外目苗準(zhǔn)鏡，在裝配突擊步槍后試用于戰(zhàn)場時(shí)，一個(gè)班的兵力竟然把英國一個(gè)排的巡邏隊(duì)消滅了大半，雖然特定地形發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢，但是紅外瞄準(zhǔn)鏡的作用卻不可忽略。而作為另一個(gè)超級大國，美國則研制了型號為T-20的紅外瞄準(zhǔn)鏡，該瞄準(zhǔn)鏡能夠裝配于M3卡賓槍，并在琉球島登陸戰(zhàn)中起到了關(guān)鍵作用。據(jù)消息稱當(dāng)時(shí)日軍憑借復(fù)雜的地理巖洞優(yōu)勢，雖釆用晝伏夜出的作戰(zhàn)方略，對美軍進(jìn)行阻擊，但是一旦走出洞穴，便受到美軍的猛烈打擊，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，一周之內(nèi)日軍的傷亡人數(shù)占總?cè)藬?shù)的30%之多，直接扭轉(zhuǎn)了整個(gè)戰(zhàn)局。由于紅外貓準(zhǔn)鏡能夠在很大程度上提升軍隊(duì)陰天及夜間的戰(zhàn)斗力，因此世界各國均在大力發(fā)展紅外瞄準(zhǔn)技術(shù)。1964年美國薩克斯儀器公司率先研制了紅外前視系統(tǒng)，該系統(tǒng)被公認(rèn)為第一代紅外成像裝置，其設(shè)計(jì)原理是采用機(jī)械結(jié)構(gòu)控制光學(xué)元件移動，對目標(biāo)的紅外福射圖像進(jìn)行分解掃描，并經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后在焚屏上顯示，前該系統(tǒng)仍然使用于很多重要領(lǐng)域，包括坦克、軍艦及飛機(jī)等武器裝備。在六十年代中期出現(xiàn)了第二代紅外成像裝置，該裝置根據(jù)檢測需要在紅外前視系統(tǒng)中引入了測溫功能，只需通過觀察目標(biāo)即能檢測其溫度，解決了非接觸式測溫的難題，提升了熱像儀的使用范圍。七十年代時(shí)候出現(xiàn)了無需制冷的紅外熱電視機(jī)。到了九十年代出現(xiàn)了最新一代紅外電視產(chǎn)品，該產(chǎn)品根據(jù)焦平面類型可分為制冷型和非制冷型，并能夠在工廠中進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，因此紅外技術(shù)在該階段中得到了空前的提高。而我出直至七十年代才組織國內(nèi)技術(shù)專家對紅外技術(shù)展開研究。到八十年代初期己掌握了進(jìn)行長波光學(xué)元件的研制和生產(chǎn)方面的相關(guān)技術(shù)。八十年代末，中國研制了國內(nèi)第一臺實(shí)時(shí)紅外成像樣機(jī)，該樣機(jī)有較高的靈敏度和溫度分辨率。進(jìn)入九十年代，中國在紅外技術(shù)研究領(lǐng)域突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，已能夠自主研制低噪音寬頻帶前置放大器、微型制冷器等核心器件，并開始將紅外技術(shù)逐步從實(shí)驗(yàn)運(yùn)用到部隊(duì)實(shí)踐中去。新世紀(jì)以來國內(nèi)已聚集了大量的尖端科技人才，對紅外技術(shù)的研究已形成了一定的規(guī)模。但與發(fā)達(dá)國家相比，我國在該技術(shù)領(lǐng)域少落后10年以上。目前國外己開始研制第三代紅外瞄準(zhǔn)鏡，而我國還處在第一代的推廣使用階段，今后還有很長的路要走，因此紅外成像技術(shù)的研究需要我們這代人投入更多的分析與研究。2.校正原理分析高精度紅外瞄準(zhǔn)鏡是槍械高命小率的保證，在不考慮風(fēng)速、溫度等外界環(huán)境因素干擾的前提下，貓準(zhǔn)軸與槍軸夾角越小，槍械命屮率越高。如上圖所示，校正時(shí)將槍軸作為基準(zhǔn)軸，根據(jù)彈著點(diǎn)B確定紅外基準(zhǔn)點(diǎn)A，A點(diǎn)與B點(diǎn)的距離等于瞄準(zhǔn)軸與槍軸的垂直距離，由于紅外瞄準(zhǔn)鏡離槍管很近，而且射出的子彈具有一定散布直徑，因此A、B點(diǎn)間距離可以忽略不計(jì)，即點(diǎn)與B點(diǎn)位置重合。在確定基準(zhǔn)點(diǎn)后，只需通過調(diào)節(jié)紅外瞄準(zhǔn)鏡的方位與高低手輪，使其瞄準(zhǔn)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)重合即可。紅外瞄準(zhǔn)鏡經(jīng)校正后，理論上瞄準(zhǔn)點(diǎn)與彈著點(diǎn)的相對位置和瞄準(zhǔn)鏡與槍管的相對位置相同，而對于有經(jīng)驗(yàn)的狙擊手而言，如果知道瞄準(zhǔn)鏡與槍管間的垂直距離，可以根據(jù)貓準(zhǔn)點(diǎn)精確預(yù)估彈著點(diǎn)的位置，能夠?qū)崿F(xiàn)百發(fā)百中。通常情況下紅外瞄準(zhǔn)鏡觀察距離遠(yuǎn)大于其物鏡焦距，因此基準(zhǔn)點(diǎn)可以近視看作無窮遠(yuǎn)目標(biāo)。根據(jù)該結(jié)論，在校正瞄準(zhǔn)軸與槍軸校平行時(shí)，只需要為紅外瞄準(zhǔn)鏡提供無窮遠(yuǎn)的基準(zhǔn)目標(biāo)即可，而提供無窮遠(yuǎn)目標(biāo)必然要構(gòu)造平行光管。第一章節(jié)中我們已經(jīng)討論了全反射光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)越性及其在紅外檢測領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，以此作為理論依據(jù)，設(shè)計(jì)的原理方案如下圖所示。位于焦平面處的分劃板被照明后，光線通過主反射鏡和次反鏡構(gòu)成的準(zhǔn)直系統(tǒng)，向被校船準(zhǔn)鏡提供無窮遠(yuǎn)基準(zhǔn)目標(biāo)，該目標(biāo)與校正儀組成一基準(zhǔn)軸線，此基準(zhǔn)線與槍管軸線平行，當(dāng)被校瞄準(zhǔn)鏡分劃中心準(zhǔn)軸線重合時(shí)，則被校瞄準(zhǔn)鏡處于零位狀態(tài)。二、總體方案設(shè)計(jì)瞄準(zhǔn)鏡常用的校正步驟如下：從槍械卡槽上卸下瞄準(zhǔn)鏡，安裝至檢測儀器卡槽上進(jìn)行校正，零位校正后，再將瞄準(zhǔn)鏡重新安裝至槍械卡槽上。在這種校正方式中，即使機(jī)械卡槽具有很高的重復(fù)精度，在經(jīng)過多次反復(fù)安裝與拆卸后，合成誤差值將不再忽略不計(jì)。本系統(tǒng)根據(jù)槍膛內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)能夠直接與槍管連接的機(jī)械插軸，不需要拆卸瞄準(zhǔn)鏡，即能進(jìn)行校正。下圖為系統(tǒng)框架圖:根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理方案，構(gòu)建總體框架如上圖所示。整個(gè)系統(tǒng)包括福射照明裝置、全反射光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械插軸，機(jī)械插軸與全反射光學(xué)系統(tǒng)外部鏡筒緊密相連。通過電池和外接電源分別為紅外福射照明裝置供電，能夠產(chǎn)生紅外、白光及微光照射分劃板，從而將分劃板圖案模擬成不同波段類型的目標(biāo)，適用于不同型號瞄準(zhǔn)鏡的零位校正。校時(shí)只需將機(jī)械插軸插入槍管，保證機(jī)械插軸與槍軸的一致性，通過設(shè)計(jì)機(jī)械插軸與全反射光學(xué)系統(tǒng)光軸平行，將槍軸的基準(zhǔn)軸線轉(zhuǎn)換成無窮遠(yuǎn)的基準(zhǔn)標(biāo)供瞄準(zhǔn)鏡校正使用。紅外瞄準(zhǔn)鏡零位校儀在方案設(shè)計(jì)過程中，主要突破了三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：①采用全反射光學(xué)系統(tǒng)，確保不同波長光程的一致性，實(shí)現(xiàn)了紅外、內(nèi)光及微光貓準(zhǔn)鏡的零位校正；②出射窗采用多光譜檢測領(lǐng)域常用的硒化梓晶體材料，確保了部分可見光及紅外波段均能透射，此外在該材料表面鍛膜，在增加透射率的同時(shí)也提高了材料的化學(xué)穩(wěn)定性；③轄射照明裝置首次采用陶瓷材料作為紅外輻射源，提供了目標(biāo)與背景的溫差，并利用材料正溫度系數(shù)特性在居里點(diǎn)附近實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)溫度的恒定。三、激光指示器的校正1．激光指示器介紹95改進(jìn)型步槍上使用的是QM/QMJ型激光指示器，該激光指示器主要是由激光指示器本體、槍鏡連接機(jī)構(gòu)、校槍調(diào)整機(jī)構(gòu)、電源、電子幵關(guān)電路和引線開關(guān)等部件組成，全套組件如下圖：激光指示器本體選用的是波長650nm為的紅色半導(dǎo)體激光器部件，功率約為5Mw,束散角小于1mrad，其在目標(biāo)處形成的紅色光斑能量集中、光斑小、瞄準(zhǔn)精度較高。其在背景照度為1勒克斯環(huán)境下，有效作用距離約為100米。電源釆用的是電壓為3V的CR2型鋰電池，該電池可以適應(yīng)零下四十?dāng)z氏度的工作環(huán)境，連續(xù)工作時(shí)間常溫下大于10小時(shí)，此外電子開關(guān)電路和引線幵關(guān)用來控制激光指示器的開關(guān)。槍鏡連接機(jī)構(gòu)與一般槍族瞄具相同，釆用統(tǒng)一的“正頂式”連接方式，其包括連接基座、鎖緊手柄及鎖緊螺桿。連接基座為基礎(chǔ)連接件，起到激光指示器與武器導(dǎo)軌之間的連接作用；鎖緊手柄為操作件，實(shí)現(xiàn)人力傳遞給鎖緊組件的功能，并可自動復(fù)位；鎖緊螺桿提供鎖緊力，通過鎖緊手柄，鎖緊螺桿與導(dǎo)軌平面做正頂運(yùn)動，消除了激光指示器與武器導(dǎo)軌燕尾面之間的間隙并頂緊武器導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)了確實(shí)鎖緊功能。激光指示器與步槍的安裝連接如下圖：雖然槍鏡連接機(jī)構(gòu)帶有鎖緊裝置，但是子彈擊發(fā)過程中給槍體帶來的強(qiáng)大沖擊力以及槍體撞擊硬物等都會對激光指示器的方向造成微小的偏移，偏移累積之后就會嚴(yán)重影響到激光指示器的瞄準(zhǔn)精度。所以為了保證射擊精度，QM/QMJ激光指示器自身還帶有校槍調(diào)整機(jī)構(gòu)，其包括高低調(diào)整手輪與方向調(diào)整手輪，兩個(gè)手輪位于激光指示器上位置如上圖所示，通過調(diào)整手輪，可分別在兩個(gè)相互垂直的方向上調(diào)整激光光束。該機(jī)構(gòu)采用現(xiàn)瞄準(zhǔn)鏡常用的光學(xué)杠桿式調(diào)整機(jī)構(gòu)，同時(shí)為減少射擊時(shí)武器沖擊帶來的零位走動，高低、方向調(diào)整手輪上還設(shè)有零位鎖定手輪。2系統(tǒng)裝配與標(biāo)定本系統(tǒng)屬于光學(xué)檢測儀器，光學(xué)儀器的裝配一般分為兩個(gè)步驟：第一步為零件組裝將符合公差要求的零件按照圖紙連接方式及工藝要求進(jìn)行安裝，完成整個(gè)系統(tǒng)的搭建；第二步為系統(tǒng)校正，主要調(diào)校光學(xué)系統(tǒng)的光軸、視差等。該檢測系統(tǒng)的主體是物鏡和單板機(jī)，物鏡與機(jī)械零件連接，常用的固定方法有滾邊法、壓圈法、彈性元件固定法及膠粘法。其中彈性元件固定法是利用琴鋼絲制成的彈性卡圈將透鏡或其他的光學(xué)件固定在鏡框內(nèi)的一種方法，只用于同軸度和牢固性要求較低的透鏡；膠粘法是利用膠粘劑如環(huán)氧樹脂、烏利當(dāng)膠粘劑將透鏡膠粘在鏡框內(nèi)的一種方法，通常用于直徑很小的透鏡；滾邊法是將透鏡裝入金屬鏡框中，在精整車床上用專用工具把鏡邊緣擠壓彎曲，使其沿著透鏡圓周倒角的斜面緊緊地包住透鏡，把透鏡和鏡框牢固的連接在一起，這種方法一般使用在直徑是40毫米以下的透鏡安裝，本物鏡直徑為40毫米，且為雙膠合，透鏡較重，滾邊法不易固定，現(xiàn)采用壓圈法連接。壓圈法是采用內(nèi)、外螺紋壓圈來固定透鏡，本膠合物鏡將凹透鏡作為定位面，壓圈壓在凸透鏡上。CCD單板機(jī)通過定位塊、壓片進(jìn)行固定，給定的尺寸及公差范菌可以保證CCD的中心大致在物鏡光軸上。此外，系統(tǒng)裝配時(shí)還需要注意的有以下幾點(diǎn)：1、機(jī)械零件與光學(xué)零件連接時(shí)，應(yīng)保證連接的牢固性，但不能引起光學(xué)零件產(chǎn)生應(yīng)力。如果壓力過大，會使光學(xué)零件發(fā)生變形；2、需要滿足光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求，該系統(tǒng)中主要是保證的感光面與物鏡的焦平面重合，若離焦則會產(chǎn)生測量誤差；3、儀器的內(nèi)表面、零件表面，尤其是光學(xué)零件表面要求非常清潔。因?yàn)橐磺懈皆诠鈱W(xué)零件表面上的灰塵、污拒等，都將影響光線的通過，整個(gè)裝配過程需在無塵實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行；4、該產(chǎn)品屬于軍用光學(xué)檢測儀器，需要保證其在野外惡劣條件下任能正常使用，要求儀器對外界的影響具有良好的穩(wěn)定性，裝配時(shí)通過加入密封圈、涂膠、表面氧化等手段增加儀器的密封性、防水性以及防腐性。安裝完成后進(jìn)行第二步，主要完成對系統(tǒng)視差的校正，即將CCD的感光面調(diào)至與物鏡的焦平面重合。校正方法如下：將裝配好的儀器連接上位機(jī)，將物鏡對準(zhǔn)平行光管，平行光管采用分辨率靶板，平行光管出射的是平行光，通過物鏡后便會聚在其焦點(diǎn)上，通過儀器表面的螺釘對物鏡的前后位置進(jìn)行微調(diào)，在上位機(jī)軟件上觀察感光面所成像，當(dāng)分辨率靶板最清晰時(shí)，即完成調(diào)校。裝配校正好的儀器與上位機(jī)連接如下圖所示：3.2系統(tǒng)裝配與標(biāo)定對激光指示器的零位進(jìn)行檢測必須要有一個(gè)基準(zhǔn)來代表子彈發(fā)射軸，這里將插軸作為基準(zhǔn)軸，標(biāo)定的目的就是找出感光面上的一個(gè)點(diǎn)（參考點(diǎn)），使其與物鏡組成的光軸與插軸平行，當(dāng)把激光光斑的中心調(diào)節(jié)到該點(diǎn)時(shí)，激光指示器的出射光軸與步槍的發(fā)射軸平行，完成調(diào)校。參考點(diǎn)標(biāo)定采用工廠檢測里常用的五棱鏡法，原理如下圖所示。整個(gè)檢測裝置由帶十字分劃的平行光管、五棱鏡、安裝平臺及基準(zhǔn)面組成。安裝平臺上有根據(jù)插軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的小孔，內(nèi)部構(gòu)造和毫米口徑的槍騰相同，插軸插入小孔后，光學(xué)成像系統(tǒng)能夠以插軸為中心軸進(jìn)行左右旋轉(zhuǎn)?；鶞?zhǔn)面是一個(gè)平面，五棱鏡可以依靠基準(zhǔn)面在一條直線上左右移動，五棱鏡的光學(xué)性能是能將光路折轉(zhuǎn)度，如下圖所示，五棱鏡在位置和位置處，出射的兩光束平行。由幾何光學(xué)原理可知，當(dāng)這兩束光與插軸平行時(shí)，它們分別在上成像的點(diǎn)相同，此點(diǎn)即為要標(biāo)定的參考點(diǎn)。調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)動安裝平臺，改變插軸與兩平行光的位置關(guān)系，然后分別查看兩束光中十字分劃在CCD上的成像位置，多次調(diào)節(jié)直至兩個(gè)位置下，十字分劃在CCD上的位置相同。調(diào)節(jié)完成后固定平行光管和安裝臺位置，此時(shí)插軸和平行光管光軸垂直，以后標(biāo)定參考點(diǎn)只需插入插軸，找出十字分劃中心在CCD上的坐標(biāo)，此即為參考點(diǎn)?？偨Y(jié)與展望紅外瞄準(zhǔn)儀一直是軍事領(lǐng)域的重要器件，本文對紅外瞄準(zhǔn)儀裝配與校正的研究雖然比較淺顯，但對作者本人對紅外瞄準(zhǔn)儀的裝配無論是從理論上還是實(shí)踐上都有了更為深刻的認(rèn)識而多光軸校正一直是光學(xué)檢測領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問題，現(xiàn)己從傳統(tǒng)的目視觀察法發(fā)展到以圖像采集技術(shù)為主體的數(shù)字化檢測方法，不僅檢測更加方便而且精度更高。本文所研究的內(nèi)容屬于光軸檢測范疇，但又有所區(qū)別，主要是完成光軸與機(jī)械軸兩種不同軸線的平行度校正。

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