淺談無(wú)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

謝瓊碧

(廈門麥克奧迪實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)部,福建廈門 361006)

淺談無(wú)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

謝瓊碧

(廈門麥克奧迪實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)部,福建廈門 361006)

針對(duì)高端成像設(shè)備的核心元件受產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力作用,影響整個(gè)設(shè)備成像系統(tǒng)質(zhì)量的問(wèn)題,對(duì)高端成像設(shè)備的核心元件的固定方式等進(jìn)行了研究,了解高端成像設(shè)備核心元件產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力與裝配之間的關(guān)系,提出了一種無(wú)應(yīng)力裝配方法,采用自定心裝配與無(wú)應(yīng)力膠粘接的方法;利用應(yīng)力儀設(shè)備對(duì)無(wú)應(yīng)力裝配的鏡頭組件進(jìn)行了測(cè)試,研究結(jié)果表明,該無(wú)應(yīng)力裝配方法能夠消除核心元件的應(yīng)力不均,明顯降低核心元件在裝配中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,改善高端成像設(shè)備的光學(xué)性能。

核心元件 鏡片 無(wú)應(yīng)力 無(wú)應(yīng)力膠

1 引言

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的日益更新,對(duì)各類高端成像設(shè)備的精度要求也在不斷提高,對(duì)一些特殊應(yīng)用的成像設(shè)備的核心元器件,精度要求越來(lái)越高,有的也提出了“無(wú)應(yīng)力”的高要求;不同用途的儀器的核心元器件是不同的,本文以高端成像設(shè)備的鏡頭為例子,高端成像設(shè)備不僅要求放大倍數(shù)高,而且對(duì)設(shè)備成像的分辨率、成像范圍內(nèi)的清晰度、均勻性等都有較高的要求;高端成像設(shè)備的核心元器件是高倍鏡頭的鏡片,為了實(shí)現(xiàn)高精度要求,除了鏡片本身質(zhì)量的控制外,鏡片安裝結(jié)構(gòu)、固定方式就直接影響了整個(gè)鏡頭性能質(zhì)量的好壞。

圖1 成像設(shè)備鏡頭結(jié)構(gòu)的示意圖

圖2 無(wú)應(yīng)力成像設(shè)備鏡頭結(jié)構(gòu)示意圖

在高端成像設(shè)備鏡頭結(jié)構(gòu)中,鏡片一般采用玻璃等材料,用來(lái)固定鏡片的鏡座,一般采用金屬材料,二者的材料不同,熱膨脹系數(shù)不匹配,產(chǎn)生的變形不同,即在鏡片和鏡座結(jié)合面間形成壓力或扭力,會(huì)導(dǎo)致鏡片產(chǎn)生熱應(yīng)力,直接影響高端成像設(shè)備鏡頭的高性能,也可能造成鏡片和鏡座的損壞;因此在固定核心元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,需要考慮如何避免內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生,并采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒉豢杀苊獾膬?nèi)應(yīng)力降低到最小,即“無(wú)應(yīng)力”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);所謂“無(wú)應(yīng)力”,就是要獲得一個(gè)合理的使鏡片變形足夠小的應(yīng)力場(chǎng)[1],或者說(shuō)是在鏡片通光范圍內(nèi)(工作范圍內(nèi))的應(yīng)變均勻,或者衰減集中應(yīng)力向鏡片的傳播。

圖3 各類鏡片的自定心裝配結(jié)構(gòu)示意圖

2 傳統(tǒng)鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析

本文研究的是一款高端成像設(shè)備的鏡頭,其傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖(1)所示。

如圖(1)所示為一款成像設(shè)備鏡頭結(jié)構(gòu)的示意圖。

左側(cè)：序號(hào)2鏡片一、序號(hào)5鏡片二、序號(hào)7鏡片三分別以鏡片外圓與序號(hào)1鏡頭座的內(nèi)孔緊密配合,保證其中心與序號(hào)1鏡頭座同軸;并通過(guò)序號(hào)4隔圈一和序號(hào)6隔圈二隔開(kāi)定位,再用序號(hào)3壓圈一壓緊,使鏡片與隔圈相互壓緊不晃動(dòng)。

右側(cè)：序號(hào)8膠合鏡片以外圓與序號(hào)1鏡頭座的內(nèi)孔緊密配合,保證其中心與序號(hào)1鏡頭座同軸,并通過(guò)序號(hào)9壓圈二將其壓緊在序號(hào)1鏡頭座,并保證不晃動(dòng)。

從圖(1)可以看出鏡片一、鏡片二、鏡片三、膠合鏡片的固定方式,軸向是直接通過(guò)鏡頭座內(nèi)孔端面、隔圈和壓圈壓緊固定,徑向是采用外圓與鏡頭座內(nèi)孔的緊密配合,保證其同軸度。通過(guò)力學(xué)分析可以看出各鏡片直接受到鏡頭座及壓圈和隔圈的壓力,造成鏡片內(nèi)部受力不均就會(huì)形成內(nèi)應(yīng)力。

鏡片和鏡頭座的材料不同,一般說(shuō)來(lái),鏡頭座、壓圈、隔圈采用金屬材料,鏡片采用玻璃,金屬的線膨脹系數(shù)為110～230X10-7/℃,玻璃的線膨脹系數(shù)為40～90X10-7/℃[2],二者線膨脹系數(shù)不同,當(dāng)周邊溫度發(fā)生變化時(shí),兩種材料的變形程度不同,金屬熱膨脹后擠壓鏡片,導(dǎo)致鏡片產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

由此可以看出在這種結(jié)構(gòu)方式下,鏡片受到鏡頭座及壓圈和隔圈局部的壓緊力和熱膨脹引起的內(nèi)應(yīng)力后,鏡片發(fā)生變形,影響了整個(gè)高端成像設(shè)備鏡頭的光學(xué)性能。

3 無(wú)應(yīng)力鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析

如圖(2)所示為無(wú)應(yīng)力成像設(shè)備鏡頭結(jié)構(gòu)的示意圖。

左側(cè)：序號(hào)2鏡片一、序號(hào)5鏡片二、序號(hào)7鏡片三分別采用自定心的定位方式分別固定在序號(hào)10鏡座一、序號(hào)11鏡座二和序號(hào)12鏡座三上,鏡片與鏡座的配合外圓有一定間隙,需添加適量的無(wú)應(yīng)力膠粘接牢固,序號(hào)10鏡座一、序號(hào)11鏡座二、序號(hào)12鏡座三通過(guò)序號(hào)3壓圈一牢固的壓緊在序號(hào)1鏡頭座上,并通過(guò)外徑的緊密配合,使裝配后鏡片與鏡頭座的中心同軸。

右側(cè)：序號(hào)8膠合鏡片采用自定心的定位方式固定在序號(hào)13鏡座四,膠合鏡片與鏡座的配合外圓有一定間隙,需添加適量的無(wú)應(yīng)力膠粘接牢固,序號(hào)13鏡座四通過(guò)序號(hào)9壓圈二牢固的壓緊在序號(hào)1鏡頭座,并通過(guò)外徑的緊密配合,使裝配后膠合鏡片與鏡頭座的中心同軸。

如圖(3)所示為各類鏡片的自定心裝配結(jié)構(gòu)示意圖;其中(a)為凹凸鏡片;(b)為雙凸鏡片;(c)為單凸鏡片;(d)為膠合鏡片。

定心是指使鏡片的光軸和幾何軸重合或在一定的公差范圍內(nèi);定心頂點(diǎn)是指鏡片光學(xué)表面與基準(zhǔn)軸的交點(diǎn)[3]。

對(duì)于不同形狀的鏡片,自定心裝配都要采用鏡片的凸面作為定位面,取定心頂點(diǎn)作為定位點(diǎn),鏡片的徑向配合面與鏡座之間有一定的間隙(一般為0.08mm左右),在專用自定心儀上安裝,先將鏡座放在自定心儀的夾頭轉(zhuǎn)軸中心上,再放上鏡片,旋轉(zhuǎn)自定心儀的夾頭轉(zhuǎn)軸,通過(guò)自定心儀目鏡觀察鏡片球心自準(zhǔn)像的跳動(dòng)范圍,來(lái)測(cè)量中心偏差C的大小,當(dāng)中心偏差C達(dá)到要求范圍值時(shí),即鏡片的中心和鏡座的中心重合滿足要求,再將無(wú)應(yīng)力膠從灌膠口加入,在重力的作用下,無(wú)應(yīng)力膠層將凝固于膠槽內(nèi),這樣就完成了鏡片與鏡座的自定心固定。

每個(gè)鏡片與鏡座的固定完成后,將各組鏡座裝配在鏡頭座內(nèi),軸向采用各個(gè)鏡座的臺(tái)階面或端面與鏡頭座的內(nèi)孔臺(tái)階面定位,徑向通過(guò)圓柱面的緊密配合,這樣就可以達(dá)到較高的同軸要求。

如圖(2)所示,鏡片在整個(gè)鏡頭組件中,沒(méi)有直接受到壓圈或隔圈直接壓緊的壓力,且鏡片外徑與鏡座有一定間隙,當(dāng)周邊環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí),雖然產(chǎn)生的熱膨脹量不同,但這個(gè)間隙可以用來(lái)消除金屬材料熱膨脹時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)孔收縮變形量,不至于讓變形量施壓在鏡片上,再加上鏡片與鏡座之間采用的是無(wú)應(yīng)力膠進(jìn)行連續(xù)邊界粘接,即通過(guò)選擇合理的粘接厚度來(lái)消除徑向熱應(yīng)力和因此產(chǎn)生的元件變形;通過(guò)應(yīng)力儀設(shè)備的檢測(cè),鏡片沒(méi)有直接受到壓緊力,表面沒(méi)有產(chǎn)生明顯變形,因此不會(huì)對(duì)鏡頭的整體性能造成不良影響,達(dá)到了“無(wú)應(yīng)力”鏡頭的要求。

總結(jié)以上鏡頭的無(wú)應(yīng)力裝配改進(jìn)過(guò)程,對(duì)于類似核心元件的裝配可參考如下：(1)對(duì)于高端成像設(shè)備,特別是一些特殊應(yīng)用高端成像儀器,如醫(yī)療、精密測(cè)量等,產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力將嚴(yán)重影響整個(gè)設(shè)備成像的質(zhì)量好壞,因此要盡可能避免和減少應(yīng)力的產(chǎn)生,建議采用“無(wú)應(yīng)力”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),即外界壓緊力不直接壓緊在核心元件表面,以避免核心元件的應(yīng)力集中,產(chǎn)生變形;(2)對(duì)于高端成像設(shè)備,光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量,主要取決于所能達(dá)到的光學(xué)定心質(zhì)量。因此同心度要求較高的核心元件采用自定心裝配,在專用自定心儀設(shè)備上裝配,核心元件與固定座的接觸點(diǎn)在定心頂點(diǎn),固定座上設(shè)計(jì)灌膠口和膠槽,當(dāng)核心元件中心偏差C在要求范圍內(nèi)時(shí),使用無(wú)應(yīng)力膠進(jìn)行粘接固定。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究介紹一款高端成像設(shè)備鏡頭的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布情況,分析得出結(jié)構(gòu)件對(duì)核心元件的壓緊力,導(dǎo)致核心元件受力不均,產(chǎn)生應(yīng)力集中;同時(shí)由于熱膨脹系數(shù)的不同,引起鏡片的熱應(yīng)力等現(xiàn)象;通過(guò)改進(jìn)采取無(wú)應(yīng)力的裝配方法,調(diào)整鏡片的固定方式,采用自定心裝配工藝,合理控制鏡片與鏡座的間隙,采用無(wú)應(yīng)力膠進(jìn)行連續(xù)邊界粘接。利用應(yīng)力儀設(shè)備進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明通過(guò)無(wú)應(yīng)力裝配方法裝配的核心元件,消除了應(yīng)力集中現(xiàn)象,使核心元件的受力均勻,所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力明顯降低,達(dá)到“無(wú)應(yīng)力”要求。

[1]吳存學(xué),周憶,廖強(qiáng),等.大型光學(xué)鏡片的無(wú)應(yīng)力夾持研究[J].現(xiàn)代制造工程,2005,(07)：57-58.

[2]李德培.玻璃應(yīng)力對(duì)精密光學(xué)儀器可靠性的影響及應(yīng)采取的措施[C].南京：中國(guó)科學(xué)院南京天文儀器研制中心,1988：738-742.

[3]蔡立.光學(xué)零件加工技術(shù)[M].2版.北京：兵器工業(yè)出版社,2006.4.

謝瓊碧,女,(1973-),籍貫：福建莆田,職稱：工程師。