光机结构的轴向一致性可控方法研究

苏超

摘 要：轴向预载根据热变形程度会发生很大的变化，这也是影响光机系统稳定性的重要因素之一。文章首先分析了光机结构轴向一致性的影响因素与原因，其次对光机结构轴向一致性的可控方法进行了介绍，并在最后对光机结构轴向一致性的控制策略进行了解析，希望能够有效提升轴向一致性的控制水平，为光机结构的优化、技术升级提供思路和条件。

关键词：光机结构；轴向一致性；控制方法

大多数光学元器件与零件在常温条件下的工作状态相对稳定，但是一旦出现较大的温度差异，往往会表现出一定的不稳定条件，这种不稳定条件基本都是由于轴向一致性不足所导致的。光机在设计过程中需要综合考虑到系统稳定性、安全性以及自身的功能特性，获取更为清晰、稳定的图像是技术优化的目标。但是，轴向一致性控制不足是阻碍上述目标的重要条件。为了进一步分析光机结构轴向一致性的优化控制策略，现就其主要影响因素分享如下。

一、光机结构轴向一致性的影响因素

1.径向影响

在温度出现变化时，光机结构的轴向一致性会受到影响，其中一个主要因素就是径向上的影响。比如温度上升阶段，光学元器件就会受热膨胀，其与镜筒之间的间隔会扩大，所以透镜没有约束的情况下会发生移位进而引发系统误差；当温度下降时，则会出现内部收缩带来镜筒的切向应力，从而影响光镜的稳定性，也会带来精度下降的问题。

2.轴向预载影响

在温度发生变换时，轴向预载的影响是导致轴向一致性不足的重要原因。温度提升时，整个金属组件会表现出热膨胀系数扩大，内部产生更大的膨胀，进而导致环境下轴向预载变小，温度的预载得到控制甚至消失。在温度升高到一定的程度时，机械界面与光学界面的应力会逐渐扩大，这个时候会出现表面变形或者光学性能失效，影响到系统的稳定性。在温度降低时，则会出现光学元件收缩、接触面应力增加的情况，导致光学元器件表面变形，影响光学性能的展现。

二、光机结构轴向一致性可控方法分析

1.传统轴向预载控制

光机结构的轴向一致性可以借助于传统的轴向预载控制技术的干涉来实现。特别针对一些结构口径较大的光机而言，其在使用时会具有明显的光学特征，出现机械结构的轴向上的公差，需要对其进行严格控制，否则会出现严重的精度下降的问题。利用螺纹压圈处理时，需要结合装配精度的设计要求，确保温度在合理的预载范围内，可以通过弹性压圈结构的设计方法来实现相对运动的控制。为了实现这个目标，可以通过选择合理的公差范围来调整，同时做好装配过程中的隔圈厚度的研磨调整，确保透镜与压件之间能够合理配合即可。

2.軸向预载可控方法

利用轴向预载控制技术虽然可以在一定程度上达到控制安装的任务，但是由于其本身不能够调整变形量，所以在适应控制预载的变换方面存在明显的缺陷。从这个角度上来看，能够选择一种适应不同程度的温度变化量，更好的适应轴向变形量调整工作的控制方法是最为合适的，而这种方法的出现必须建立在光机结构挠曲结构分析上。选择挠曲压圈与弹性压圈相结合，根据选择的研磨材料来完成系统估算，该过程系统参数为挠性构件的内外径，同时需要监控好控制变形方向等方面的技术条件、内容等。

三、光机结构轴向一致性设计

1.星模拟器轴向压紧装置设计

在挠性构件引入到研究当中后，采用大尺寸的星模拟器进行设计模拟也就成为技术实现中的必要环节之一。结合实际工作条件，建立真实性良好的挠性结构模型，通过对模型进行对比分析可以获取各种技术参数，为光机结构的轴向一致性设计提供数据方面的支持。比如说在星模拟器的轴向压紧装置设计中，首先选择合适的材料，笔者建议选择铝合金材料，隔圈选择钢材，具体的屈服强度与杨氏模量等参数需要结合实际工况要求来确定。结合实验情况来看，当温度出现变化时，最先表现出应力分布变化的是第二片、第三片透镜，这些透镜具有较强的温度变化敏感性，所以这也是导致轴向一致性控制不足的重要原因，所以应该作为设计的主要对象进行优化设计。

2.星模拟器光机结构轴向一致性设计

星模拟器光机结构的轴向一致性设计主要包括光学透镜组的力学分析设计以及轴向一致性设计性能测试两个主要部分。其中，光学透镜的力学分析主要在同等工况下对两种不同的设计模式的热效应进行对比分析，找到边缘处的接触应力并对其进行调整，满足径向接触的要求并实施技术参数优化，从而对传统的压圈结构进行控制，更好的满足参数优化的内容与要求。相比于传统的压圈结构，透镜组的接触应力表现不明显，这也在一定程度上说明了该设计能够降低温度敏感性，确保光机结构的轴向一致性。在仿真实验环节当中，选择传统的矩形截面压圈配合一致性理论进行设计，实际的温差为影响光学系统核心参数，而口径直度以及聚焦变化量均可以通过实际测量情况来获取。结合实际测试的结果不难发现，挠性构件设计条件下的系统，在温度发生较大的变换时其热稳定性较强，相比于传统的截面压圈技术具有明显的技术优势，能够达到光机结构轴向一致性优化的目标要求。

总结

综上所述，要想控制光机结构轴向一致性，就必须做好温度、光机结构径向应力的变换控制工作，通过设计出保护光计系统光学特性的装置来确保温度变化与轴向的形变量相适应，就可以确保整体的挠度变化在合理的范围内，切实保障光机结构的轴向一致性。这样一来，即可以确保光机在使用过程中的热稳定性，又不容易受到温度变化带来的影响和干扰。本文也主要通过轴向预载控制、星模拟器轴向压紧装置等角度进行了阐述，希望可以为光机结构的轴向一致性提供新的思路与方法。

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