光機(jī)結(jié)構(gòu)的軸向一致性可控方法研究

蘇超

摘 要：軸向預(yù)載根據(jù)熱變形程度會發(fā)生很大的變化，這也是影響光機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素之一。文章首先分析了光機(jī)結(jié)構(gòu)軸向一致性的影響因素與原因，其次對光機(jī)結(jié)構(gòu)軸向一致性的可控方法進(jìn)行了介紹，并在最后對光機(jī)結(jié)構(gòu)軸向一致性的控制策略進(jìn)行了解析，希望能夠有效提升軸向一致性的控制水平，為光機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、技術(shù)升級提供思路和條件。

關(guān)鍵詞：光機(jī)結(jié)構(gòu)；軸向一致性；控制方法

大多數(shù)光學(xué)元器件與零件在常溫條件下的工作狀態(tài)相對穩(wěn)定，但是一旦出現(xiàn)較大的溫度差異，往往會表現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定條件，這種不穩(wěn)定條件基本都是由于軸向一致性不足所導(dǎo)致的。光機(jī)在設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性以及自身的功能特性，獲取更為清晰、穩(wěn)定的圖像是技術(shù)優(yōu)化的目標(biāo)。但是，軸向一致性控制不足是阻礙上述目標(biāo)的重要條件。為了進(jìn)一步分析光機(jī)結(jié)構(gòu)軸向一致性的優(yōu)化控制策略，現(xiàn)就其主要影響因素分享如下。

一、光機(jī)結(jié)構(gòu)軸向一致性的影響因素

1.徑向影響

在溫度出現(xiàn)變化時(shí)，光機(jī)結(jié)構(gòu)的軸向一致性會受到影響，其中一個(gè)主要因素就是徑向上的影響。比如溫度上升階段，光學(xué)元器件就會受熱膨脹，其與鏡筒之間的間隔會擴(kuò)大，所以透鏡沒有約束的情況下會發(fā)生移位進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)誤差；當(dāng)溫度下降時(shí)，則會出現(xiàn)內(nèi)部收縮帶來鏡筒的切向應(yīng)力，從而影響光鏡的穩(wěn)定性，也會帶來精度下降的問題。

2.軸向預(yù)載影響

在溫度發(fā)生變換時(shí)，軸向預(yù)載的影響是導(dǎo)致軸向一致性不足的重要原因。溫度提升時(shí)，整個(gè)金屬組件會表現(xiàn)出熱膨脹系數(shù)擴(kuò)大，內(nèi)部產(chǎn)生更大的膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)境下軸向預(yù)載變小，溫度的預(yù)載得到控制甚至消失。在溫度升高到一定的程度時(shí)，機(jī)械界面與光學(xué)界面的應(yīng)力會逐漸擴(kuò)大，這個(gè)時(shí)候會出現(xiàn)表面變形或者光學(xué)性能失效，影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在溫度降低時(shí)，則會出現(xiàn)光學(xué)元件收縮、接觸面應(yīng)力增加的情況，導(dǎo)致光學(xué)元器件表面變形，影響光學(xué)性能的展現(xiàn)。

二、光機(jī)結(jié)構(gòu)軸向一致性可控方法分析

1.傳統(tǒng)軸向預(yù)載控制

光機(jī)結(jié)構(gòu)的軸向一致性可以借助于傳統(tǒng)的軸向預(yù)載控制技術(shù)的干涉來實(shí)現(xiàn)。特別針對一些結(jié)構(gòu)口徑較大的光機(jī)而言，其在使用時(shí)會具有明顯的光學(xué)特征，出現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的軸向上的公差，需要對其進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則會出現(xiàn)嚴(yán)重的精度下降的問題。利用螺紋壓圈處理時(shí)，需要結(jié)合裝配精度的設(shè)計(jì)要求，確保溫度在合理的預(yù)載范圍內(nèi)，可以通過彈性壓圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)相對運(yùn)動的控制。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，可以通過選擇合理的公差范圍來調(diào)整，同時(shí)做好裝配過程中的隔圈厚度的研磨調(diào)整，確保透鏡與壓件之間能夠合理配合即可。

2.軸向預(yù)載可控方法

利用軸向預(yù)載控制技術(shù)雖然可以在一定程度上達(dá)到控制安裝的任務(wù)，但是由于其本身不能夠調(diào)整變形量，所以在適應(yīng)控制預(yù)載的變換方面存在明顯的缺陷。從這個(gè)角度上來看，能夠選擇一種適應(yīng)不同程度的溫度變化量，更好的適應(yīng)軸向變形量調(diào)整工作的控制方法是最為合適的，而這種方法的出現(xiàn)必須建立在光機(jī)結(jié)構(gòu)撓曲結(jié)構(gòu)分析上。選擇撓曲壓圈與彈性壓圈相結(jié)合，根據(jù)選擇的研磨材料來完成系統(tǒng)估算，該過程系統(tǒng)參數(shù)為撓性構(gòu)件的內(nèi)外徑，同時(shí)需要監(jiān)控好控制變形方向等方面的技術(shù)條件、內(nèi)容等。

三、光機(jī)結(jié)構(gòu)軸向一致性設(shè)計(jì)

1.星模擬器軸向壓緊裝置設(shè)計(jì)

在撓性構(gòu)件引入到研究當(dāng)中后，采用大尺寸的星模擬器進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬也就成為技術(shù)實(shí)現(xiàn)中的必要環(huán)節(jié)之一。結(jié)合實(shí)際工作條件，建立真實(shí)性良好的撓性結(jié)構(gòu)模型，通過對模型進(jìn)行對比分析可以獲取各種技術(shù)參數(shù)，為光機(jī)結(jié)構(gòu)的軸向一致性設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)方面的支持。比如說在星模擬器的軸向壓緊裝置設(shè)計(jì)中，首先選擇合適的材料，筆者建議選擇鋁合金材料，隔圈選擇鋼材，具體的屈服強(qiáng)度與楊氏模量等參數(shù)需要結(jié)合實(shí)際工況要求來確定。結(jié)合實(shí)驗(yàn)情況來看，當(dāng)溫度出現(xiàn)變化時(shí)，最先表現(xiàn)出應(yīng)力分布變化的是第二片、第三片透鏡，這些透鏡具有較強(qiáng)的溫度變化敏感性，所以這也是導(dǎo)致軸向一致性控制不足的重要原因，所以應(yīng)該作為設(shè)計(jì)的主要對象進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.星模擬器光機(jī)結(jié)構(gòu)軸向一致性設(shè)計(jì)

星模擬器光機(jī)結(jié)構(gòu)的軸向一致性設(shè)計(jì)主要包括光學(xué)透鏡組的力學(xué)分析設(shè)計(jì)以及軸向一致性設(shè)計(jì)性能測試兩個(gè)主要部分。其中，光學(xué)透鏡的力學(xué)分析主要在同等工況下對兩種不同的設(shè)計(jì)模式的熱效應(yīng)進(jìn)行對比分析，找到邊緣處的接觸應(yīng)力并對其進(jìn)行調(diào)整，滿足徑向接觸的要求并實(shí)施技術(shù)參數(shù)優(yōu)化，從而對傳統(tǒng)的壓圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，更好的滿足參數(shù)優(yōu)化的內(nèi)容與要求。相比于傳統(tǒng)的壓圈結(jié)構(gòu)，透鏡組的接觸應(yīng)力表現(xiàn)不明顯，這也在一定程度上說明了該設(shè)計(jì)能夠降低溫度敏感性，確保光機(jī)結(jié)構(gòu)的軸向一致性。在仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)當(dāng)中，選擇傳統(tǒng)的矩形截面壓圈配合一致性理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)際的溫差為影響光學(xué)系統(tǒng)核心參數(shù)，而口徑直度以及聚焦變化量均可以通過實(shí)際測量情況來獲取。結(jié)合實(shí)際測試的結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，撓性構(gòu)件設(shè)計(jì)條件下的系統(tǒng)，在溫度發(fā)生較大的變換時(shí)其熱穩(wěn)定性較強(qiáng)，相比于傳統(tǒng)的截面壓圈技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，能夠達(dá)到光機(jī)結(jié)構(gòu)軸向一致性優(yōu)化的目標(biāo)要求。

總結(jié)

綜上所述，要想控制光機(jī)結(jié)構(gòu)軸向一致性，就必須做好溫度、光機(jī)結(jié)構(gòu)徑向應(yīng)力的變換控制工作，通過設(shè)計(jì)出保護(hù)光計(jì)系統(tǒng)光學(xué)特性的裝置來確保溫度變化與軸向的形變量相適應(yīng)，就可以確保整體的撓度變化在合理的范圍內(nèi)，切實(shí)保障光機(jī)結(jié)構(gòu)的軸向一致性。這樣一來，即可以確保光機(jī)在使用過程中的熱穩(wěn)定性，又不容易受到溫度變化帶來的影響和干擾。本文也主要通過軸向預(yù)載控制、星模擬器軸向壓緊裝置等角度進(jìn)行了闡述，希望可以為光機(jī)結(jié)構(gòu)的軸向一致性提供新的思路與方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈真.主焦點(diǎn)式光學(xué)系統(tǒng)的光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝調(diào)檢測[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2018，15（14）：98-99.

[2]韓琪玥. 空間振幅調(diào)制光譜偏振儀光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2018.

[3]王彩琴，徐彭梅.某空間光譜儀高穩(wěn)定性光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017，38（05）：147-150+168.

[4]韓冬松，龔丹，徐智，張子星，畢洲洋.光學(xué)干涉計(jì)量用共光路動態(tài)干涉儀光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].宇航計(jì)測技術(shù)，2016，36（05）：42-46.

[5]姜海勇，王義坤，韓貴丞，劉敏，姚波，亓洪興.中波紅外相機(jī)光機(jī)結(jié)構(gòu)背景輻射影響研究[J].激光與紅外，2016，46（09）：1102-1105.