溫度變化對自準(zhǔn)直儀機械結(jié)構(gòu)的影響

閆鈺鋒++吳震+王洋++陳可

摘要： 一種實驗室環(huán)境下使用的自準(zhǔn)直儀，使用溫度為實驗室溫度（20±5）℃。實驗室環(huán)境相對穩(wěn)定，無沖擊、振動、污染等因素的影響，但環(huán)境溫度變化范圍較大，為±5 ℃，因此有必要通過溫度變化對光機結(jié)構(gòu)的影響來分析機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。通過計算確定了間隙量需求，分析了溫度變化對系統(tǒng)的影響及產(chǎn)生的徑向應(yīng)力，結(jié)果表明在實驗室環(huán)境下產(chǎn)生的溫度變化不會對透鏡產(chǎn)生徑向擠壓。

關(guān)鍵詞：

溫度分析； 間隙量； 徑向應(yīng)力

中圖分類號： TN 206文獻標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.01.007

Effect of temperature on mechanical structure of autocollimator

YAN Yufeng， WU Zhen， WANG Yang， CHEN Ke

（College of Optoelectronic Engineering， Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022， China）

Abstract：

An autocollimator for the laboratory environment is used at temperature in the laboratory where the environment is relatively stable and there is no effect of impact，vibration and pollution，etc.Considering the wider temperature variation range of ±5 ℃，the effect of temperature on the optical and mechanical structures is studied to analyze the design of the mechanical structure.The gap between lens and base and the generated radial stress are calculated.The results show that the temperature variation in the laboratory environment will not cause radial stress to the lens.

Keywords： temperature analysis； clearance amount； radial stress

引言

在幾何量計量領(lǐng)域，小角度的測量是很重要的一部分，而自準(zhǔn)直儀是小角度測量中應(yīng)用最廣、最多的高精度儀器。光電自準(zhǔn)直技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展歷史，在測量分辨力、測量精度、穩(wěn)定性等方面均有較大改善。但對激光為光源的光電自準(zhǔn)直儀而言，目前仍以德國、美國等生產(chǎn)的儀器為高水平代表，其測量不確定度可達(dá)±0.01″/10″。國內(nèi)在激光自準(zhǔn)直技術(shù)研究及其產(chǎn)品開發(fā)中精度指標(biāo)及穩(wěn)定性、產(chǎn)品體積及便攜性均處于劣勢，激光自準(zhǔn)直儀的市場化受到極大制約[1]。

在測量的過程中，影響儀器光機系統(tǒng)的常見因素有溫度、壓力、振動、沖擊、濕度、侵蝕、污染、磨損和輻射等。這些因素對測量的精度帶來了很大的影響，所以，應(yīng)合理設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)并對其主要影響因素進行分析、校核來減小這種影響，從而提高測量的精度[23]。設(shè)計好的透鏡需要用機械系統(tǒng)固定，透鏡的固定方式和光機界面的類型有很多種，結(jié)合此自準(zhǔn)直儀的設(shè)計和使用情況分別選取壓圈法固定和尖角界面[4]。

1溫度對光機系統(tǒng)的影響

溫度變化時，透鏡表面的半徑、厚度、透鏡間的空氣間隔、光學(xué)材料及周圍空氣的折射率、組件的實際尺寸都會發(fā)生相應(yīng)的變化。任何一項變化都會使系統(tǒng)的焦距產(chǎn)生偏差，從而影響儀器的測量精度[5]。因此主要討論溫度升高和溫度降低對透鏡間接觸應(yīng)力、透鏡與鏡座間徑向間隙的影響。儀器的使用環(huán)境為實驗室環(huán)境，實驗室的溫度為（20±5）℃，儀器的裝配溫度為20 ℃。圖1為分析用自準(zhǔn)直儀的物鏡裝配圖。

2升溫對徑向間隙的影響

溫度升高之后，鏡座會發(fā)生膨脹，透鏡也會發(fā)生膨脹，但通常鏡座的熱膨脹系數(shù)aM比透鏡的熱膨脹系數(shù)aG要大，所以鏡座會遠(yuǎn)離透鏡，從而增加了鏡座與透鏡的徑向間隔而形成間隙。間隙過大會使透鏡在振動等外力影響下出現(xiàn)傾斜等現(xiàn)象，影響透鏡的對準(zhǔn)，從而影響光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)[6]。儀器裝配溫度為20 ℃，當(dāng)儀器所處環(huán)境溫度從裝配溫度變化到實驗室的最高溫度25 ℃時，升高溫度ΔT=5 ℃。由圖1可知，物鏡系統(tǒng)由5片透鏡組成，其中第4片和第5片為膠合透鏡。透鏡材料分別為K9，K9，ZF1，K9，F(xiàn)3。鏡筒材料選用最常用的結(jié)構(gòu)鋁合金材料鋁合金6061，其強度中等，具有優(yōu)良的可焊接性和可加工性。壓圈與隔圈的材料同樣采用鋁合金6061。材料參數(shù)見表1。

透鏡與鏡座的理論徑向間隙G增加量為ΔG，計算公式為

ΔG=（aM-aG）·DG2·ΔT

（1）

式中：aM與aG分別為鏡座及透鏡材料的熱膨脹系數(shù)；DG為透鏡的外徑。5片透鏡的名義外徑分別為63，63，53，22，22 mm。由于鏡座的熱膨脹系數(shù)比透鏡大，在裝配儀器時，需要將鏡座與透鏡間的徑向間隙G確定為一個合適的值，并對透鏡的偏心規(guī)定一個合理的公差ξ=0.015 mm，則設(shè)計時需要滿足

G=（DI-DG）/2=ξ-ΔG

（2）

式中DI為鏡座的內(nèi)徑。各透鏡的間隙G需滿足

G+ΔG≤ξ

（3）

將各參數(shù)代入式（1）、（3），分析每一片透鏡的ΔG和G。透鏡位置參數(shù)見表2。

計算得到的間隙量可作為后續(xù)的鏡筒內(nèi)徑加工余量參考，以便鏡筒內(nèi)徑與鏡片外徑實現(xiàn)良好的配合。

透鏡無軸向約束時，在外力作用下，透鏡會發(fā)生滾動，使透鏡產(chǎn)生傾斜角，這個角度可能會超出設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時給定的傾斜角范圍。傾斜角計算公式為

β=arctan（2G/tE）

（4）

式中tE為4片透鏡（第4片為原第4片、第5片透鏡的膠合透鏡）的邊厚?，F(xiàn)計算無軸向預(yù)載時各透鏡可能產(chǎn)生的傾斜角β。透鏡參數(shù)tE和β見表3。

系統(tǒng)對透鏡的傾斜角要求為0.01°，可見，在透鏡沒有軸向預(yù)載的情況下，透鏡在外界作用下產(chǎn)生的傾斜角均大于系統(tǒng)的傾斜公差，這說明透鏡需要有足夠的預(yù)載被其固定。通常在考慮溫度因素時，由于鏡座的熱膨脹系數(shù)比透鏡的熱膨脹系數(shù)高，當(dāng)T升高到一定值時，鏡座材料的膨脹量比光學(xué)材料大，在裝配溫度時確定的軸向預(yù)載會減小，當(dāng)溫度繼續(xù)升高，軸向預(yù)載會趨于零，這時的溫度記為TC。若在TC之后溫度繼續(xù)升高，會造成透鏡與鏡座之間形成軸向間隙，要求間隙不能超過設(shè)計光機系統(tǒng)時的設(shè)計公差。所以需要在裝配時對鏡片施加足夠的預(yù)載，但要注意此預(yù)載不能過大，否則產(chǎn)生的接觸應(yīng)力有可能會使鏡片發(fā)生破損，此時的TC可能大于最高溫度Tmax，即25 ℃，這樣計算得到的軸向間隙為負(fù)數(shù)，說明鏡片與金屬件是絕對接觸的，儀器在穩(wěn)定的實驗室環(huán)境下使用，不需要考慮傾斜角因素[78]。

由分析結(jié)果可知，溫度變化為±10 ℃時依然滿足實驗的要求，也進一步增加了研究工作的完整性與可信度。

4結(jié)論

討論并選用了透鏡的固定方式、光機界面以及金屬結(jié)構(gòu)的材料，通過實驗室的使用環(huán)境分析計算了溫度改變量對透鏡與鏡座之間間隙量的影響以及透鏡徑向接觸應(yīng)力的大小，結(jié)果表明實驗室環(huán)境滿足儀器的使用要求。同時在滿足激光自準(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)要求的條件下，有效減小了儀器體積，為系統(tǒng)裝調(diào)帶來了方便。

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（編輯：張磊）