浅谈无应力结构设计

谢琼碧

(厦门麦克奥迪实业集团有限公司开发部,福建厦门 361006)

浅谈无应力结构设计

谢琼碧

(厦门麦克奥迪实业集团有限公司开发部,福建厦门 361006)

针对高端成像设备的核心元件受产生的内应力作用,影响整个设备成像系统质量的问题,对高端成像设备的核心元件的固定方式等进行了研究,了解高端成像设备核心元件产生的内应力与装配之间的关系,提出了一种无应力装配方法,采用自定心装配与无应力胶粘接的方法;利用应力仪设备对无应力装配的镜头组件进行了测试,研究结果表明,该无应力装配方法能够消除核心元件的应力不均,明显降低核心元件在装配中产生的内应力,改善高端成像设备的光学性能。

核心元件 镜片 无应力 无应力胶

1 引言

随着工业现代化的日益更新,对各类高端成像设备的精度要求也在不断提高,对一些特殊应用的成像设备的核心元器件,精度要求越来越高,有的也提出了“无应力”的高要求;不同用途的仪器的核心元器件是不同的,本文以高端成像设备的镜头为例子,高端成像设备不仅要求放大倍数高,而且对设备成像的分辨率、成像范围内的清晰度、均匀性等都有较高的要求;高端成像设备的核心元器件是高倍镜头的镜片,为了实现高精度要求,除了镜片本身质量的控制外,镜片安装结构、固定方式就直接影响了整个镜头性能质量的好坏。

图1 成像设备镜头结构的示意图

图2 无应力成像设备镜头结构示意图

在高端成像设备镜头结构中,镜片一般采用玻璃等材料,用来固定镜片的镜座,一般采用金属材料,二者的材料不同,热膨胀系数不匹配,产生的变形不同,即在镜片和镜座结合面间形成压力或扭力,会导致镜片产生热应力,直接影响高端成像设备镜头的高性能,也可能造成镜片和镜座的损坏;因此在固定核心元件结构设计中,需要考虑如何避免内应力的产生,并采用适当的方法将不可避免的内应力降低到最小,即“无应力”结构设计;所谓“无应力”,就是要获得一个合理的使镜片变形足够小的应力场[1],或者说是在镜片通光范围内(工作范围内)的应变均匀,或者衰减集中应力向镜片的传播。

图3 各类镜片的自定心装配结构示意图

2 传统镜头结构设计与应力分析

本文研究的是一款高端成像设备的镜头,其传统的设计结构如图(1)所示。

如图(1)所示为一款成像设备镜头结构的示意图。

左侧：序号2镜片一、序号5镜片二、序号7镜片三分别以镜片外圆与序号1镜头座的内孔紧密配合,保证其中心与序号1镜头座同轴;并通过序号4隔圈一和序号6隔圈二隔开定位,再用序号3压圈一压紧,使镜片与隔圈相互压紧不晃动。

右侧：序号8胶合镜片以外圆与序号1镜头座的内孔紧密配合,保证其中心与序号1镜头座同轴,并通过序号9压圈二将其压紧在序号1镜头座,并保证不晃动。

从图(1)可以看出镜片一、镜片二、镜片三、胶合镜片的固定方式,轴向是直接通过镜头座内孔端面、隔圈和压圈压紧固定,径向是采用外圆与镜头座内孔的紧密配合,保证其同轴度。通过力学分析可以看出各镜片直接受到镜头座及压圈和隔圈的压力,造成镜片内部受力不均就会形成内应力。

镜片和镜头座的材料不同,一般说来,镜头座、压圈、隔圈采用金属材料,镜片采用玻璃,金属的线膨胀系数为110～230X10-7/℃,玻璃的线膨胀系数为40～90X10-7/℃[2],二者线膨胀系数不同,当周边温度发生变化时,两种材料的变形程度不同,金属热膨胀后挤压镜片,导致镜片产生内应力。

由此可以看出在这种结构方式下,镜片受到镜头座及压圈和隔圈局部的压紧力和热膨胀引起的内应力后,镜片发生变形,影响了整个高端成像设备镜头的光学性能。

3 无应力镜头结构设计与应力分析

如图(2)所示为无应力成像设备镜头结构的示意图。

左侧：序号2镜片一、序号5镜片二、序号7镜片三分别采用自定心的定位方式分别固定在序号10镜座一、序号11镜座二和序号12镜座三上,镜片与镜座的配合外圆有一定间隙,需添加适量的无应力胶粘接牢固,序号10镜座一、序号11镜座二、序号12镜座三通过序号3压圈一牢固的压紧在序号1镜头座上,并通过外径的紧密配合,使装配后镜片与镜头座的中心同轴。

右侧：序号8胶合镜片采用自定心的定位方式固定在序号13镜座四,胶合镜片与镜座的配合外圆有一定间隙,需添加适量的无应力胶粘接牢固,序号13镜座四通过序号9压圈二牢固的压紧在序号1镜头座,并通过外径的紧密配合,使装配后胶合镜片与镜头座的中心同轴。

如图(3)所示为各类镜片的自定心装配结构示意图;其中(a)为凹凸镜片;(b)为双凸镜片;(c)为单凸镜片;(d)为胶合镜片。

定心是指使镜片的光轴和几何轴重合或在一定的公差范围内;定心顶点是指镜片光学表面与基准轴的交点[3]。

对于不同形状的镜片,自定心装配都要采用镜片的凸面作为定位面,取定心顶点作为定位点,镜片的径向配合面与镜座之间有一定的间隙(一般为0.08mm左右),在专用自定心仪上安装,先将镜座放在自定心仪的夹头转轴中心上,再放上镜片,旋转自定心仪的夹头转轴,通过自定心仪目镜观察镜片球心自准像的跳动范围,来测量中心偏差C的大小,当中心偏差C达到要求范围值时,即镜片的中心和镜座的中心重合满足要求,再将无应力胶从灌胶口加入,在重力的作用下,无应力胶层将凝固于胶槽内,这样就完成了镜片与镜座的自定心固定。

每个镜片与镜座的固定完成后,将各组镜座装配在镜头座内,轴向采用各个镜座的台阶面或端面与镜头座的内孔台阶面定位,径向通过圆柱面的紧密配合,这样就可以达到较高的同轴要求。

如图(2)所示,镜片在整个镜头组件中,没有直接受到压圈或隔圈直接压紧的压力,且镜片外径与镜座有一定间隙,当周边环境温度发生变化时,虽然产生的热膨胀量不同,但这个间隙可以用来消除金属材料热膨胀时产生的内孔收缩变形量,不至于让变形量施压在镜片上,再加上镜片与镜座之间采用的是无应力胶进行连续边界粘接,即通过选择合理的粘接厚度来消除径向热应力和因此产生的元件变形;通过应力仪设备的检测,镜片没有直接受到压紧力,表面没有产生明显变形,因此不会对镜头的整体性能造成不良影响,达到了“无应力”镜头的要求。

总结以上镜头的无应力装配改进过程,对于类似核心元件的装配可参考如下：(1)对于高端成像设备,特别是一些特殊应用高端成像仪器,如医疗、精密测量等,产生的内应力将严重影响整个设备成像的质量好坏,因此要尽可能避免和减少应力的产生,建议采用“无应力”结构设计,即外界压紧力不直接压紧在核心元件表面,以避免核心元件的应力集中,产生变形;(2)对于高端成像设备,光学系统的成像质量,主要取决于所能达到的光学定心质量。因此同心度要求较高的核心元件采用自定心装配,在专用自定心仪设备上装配,核心元件与固定座的接触点在定心顶点,固定座上设计灌胶口和胶槽,当核心元件中心偏差C在要求范围内时,使用无应力胶进行粘接固定。

4 结语

本文研究介绍一款高端成像设备镜头的传统结构及应力分布情况,分析得出结构件对核心元件的压紧力,导致核心元件受力不均,产生应力集中;同时由于热膨胀系数的不同,引起镜片的热应力等现象;通过改进采取无应力的装配方法,调整镜片的固定方式,采用自定心装配工艺,合理控制镜片与镜座的间隙,采用无应力胶进行连续边界粘接。利用应力仪设备进行测试,测试结果表明通过无应力装配方法装配的核心元件,消除了应力集中现象,使核心元件的受力均匀,所产生的内应力明显降低,达到“无应力”要求。

[1]吴存学,周忆,廖强,等.大型光学镜片的无应力夹持研究[J].现代制造工程,2005,(07)：57-58.

[2]李德培.玻璃应力对精密光学仪器可靠性的影响及应采取的措施[C].南京：中国科学院南京天文仪器研制中心,1988：738-742.

[3]蔡立.光学零件加工技术[M].2版.北京：兵器工业出版社,2006.4.

谢琼碧,女,(1973-),籍贯：福建莆田,职称：工程师。