淺談無應力結構設計

謝瓊碧

(廈門麥克奧迪實業集團有限公司開發部,福建廈門 361006)

淺談無應力結構設計

謝瓊碧

(廈門麥克奧迪實業集團有限公司開發部,福建廈門 361006)

針對高端成像設備的核心元件受產生的內應力作用,影響整個設備成像系統質量的問題,對高端成像設備的核心元件的固定方式等進行了研究,了解高端成像設備核心元件產生的內應力與裝配之間的關系,提出了一種無應力裝配方法,采用自定心裝配與無應力膠粘接的方法;利用應力儀設備對無應力裝配的鏡頭組件進行了測試,研究結果表明,該無應力裝配方法能夠消除核心元件的應力不均,明顯降低核心元件在裝配中產生的內應力,改善高端成像設備的光學性能。

核心元件 鏡片 無應力 無應力膠

1 引言

隨著工業現代化的日益更新,對各類高端成像設備的精度要求也在不斷提高,對一些特殊應用的成像設備的核心元器件,精度要求越來越高,有的也提出了“無應力”的高要求;不同用途的儀器的核心元器件是不同的,本文以高端成像設備的鏡頭為例子,高端成像設備不僅要求放大倍數高,而且對設備成像的分辨率、成像范圍內的清晰度、均勻性等都有較高的要求;高端成像設備的核心元器件是高倍鏡頭的鏡片,為了實現高精度要求,除了鏡片本身質量的控制外,鏡片安裝結構、固定方式就直接影響了整個鏡頭性能質量的好壞。

圖1 成像設備鏡頭結構的示意圖

圖2 無應力成像設備鏡頭結構示意圖

在高端成像設備鏡頭結構中,鏡片一般采用玻璃等材料,用來固定鏡片的鏡座,一般采用金屬材料,二者的材料不同,熱膨脹系數不匹配,產生的變形不同,即在鏡片和鏡座結合面間形成壓力或扭力,會導致鏡片產生熱應力,直接影響高端成像設備鏡頭的高性能,也可能造成鏡片和鏡座的損壞;因此在固定核心元件結構設計中,需要考慮如何避免內應力的產生,并采用適當的方法將不可避免的內應力降低到最小,即“無應力”結構設計;所謂“無應力”,就是要獲得一個合理的使鏡片變形足夠小的應力場[1],或者說是在鏡片通光范圍內(工作范圍內)的應變均勻,或者衰減集中應力向鏡片的傳播。

圖3 各類鏡片的自定心裝配結構示意圖

2 傳統鏡頭結構設計與應力分析

本文研究的是一款高端成像設備的鏡頭,其傳統的設計結構如圖(1)所示。

如圖(1)所示為一款成像設備鏡頭結構的示意圖。

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

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

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,軸向是直接通過鏡頭座內孔端面、隔圈和壓圈壓緊固定,徑向是采用外圓與鏡頭座內孔的緊密配合,保證其同軸度。通過力學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,造成鏡片內部受力不均就會形成內應力。

鏡片和鏡頭座的材料不同,一般說來,鏡頭座、壓圈、隔圈采用金屬材料,鏡片采用玻璃,金屬的線膨脹系數為110～230X10-7/℃,玻璃的線膨脹系數為40～90X10-7/℃[2],二者線膨脹系數不同,當周邊溫度發生變化時,兩種材料的變形程度不同,金屬熱膨脹后擠壓鏡片,導致鏡片產生內應力。

由此可以看出在這種結構方式下,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應力后,鏡片發生變形,影響了整個高端成像設備鏡頭的光學性能。

3 無應力鏡頭結構設計與應力分析

如圖(2)所示為無應力成像設備鏡頭結構的示意圖。

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

右側：序號8膠合鏡片采用自定心的定位方式固定在序號13鏡座四,膠合鏡片與鏡座的配合外圓有一定間隙,需添加適量的無應力膠粘接牢固,序號13鏡座四通過序號9壓圈二牢固的壓緊在序號1鏡頭座,并通過外徑的緊密配合,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構示意圖;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;定心頂點是指鏡片光學表面與基準軸的交點[3]。

對于不同形狀的鏡片,自定心裝配都要采用鏡片的凸面作為定位面,取定心頂點作為定位點,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軸中心上,再放上鏡片,旋轉自定心儀的夾頭轉軸,通過自定心儀目鏡觀察鏡片球心自準像的跳動范圍,來測量中心偏差C的大小,當中心偏差C達到要求范圍值時,即鏡片的中心和鏡座的中心重合滿足要求,再將無應力膠從灌膠口加入,在重力的作用下,無應力膠層將凝固于膠槽內,這樣就完成了鏡片與鏡座的自定心固定。

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

如圖(2)所示,鏡片在整個鏡頭組件中,沒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,當周邊環境溫度發生變化時,雖然產生的熱膨脹量不同,但這個間隙可以用來消除金屬材料熱膨脹時產生的內孔收縮變形量,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應力膠進行連續邊界粘接,即通過選擇合理的粘接厚度來消除徑向熱應力和因此產生的元件變形;通過應力儀設備的檢測,鏡片沒有直接受到壓緊力,表面沒有產生明顯變形,因此不會對鏡頭的整體性能造成不良影響,達到了“無應力”鏡頭的要求。

總結以上鏡頭的無應力裝配改進過程,對于類似核心元件的裝配可參考如下：(1)對于高端成像設備,特別是一些特殊應用高端成像儀器,如醫療、精密測量等,產生的內應力將嚴重影響整個設備成像的質量好壞,因此要盡可能避免和減少應力的產生,建議采用“無應力”結構設計,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力集中,產生變形;(2)對于高端成像設備,光學系統的成像質量,主要取決于所能達到的光學定心質量。因此同心度要求較高的核心元件采用自定心裝配,在專用自定心儀設備上裝配,核心元件與固定座的接觸點在定心頂點,固定座上設計灌膠口和膠槽,當核心元件中心偏差C在要求范圍內時,使用無應力膠進行粘接固定。

4 結語

本文研究介紹一款高端成像設備鏡頭的傳統結構及應力分布情況,分析得出結構件對核心元件的壓緊力,導致核心元件受力不均,產生應力集中;同時由于熱膨脹系數的不同,引起鏡片的熱應力等現象;通過改進采取無應力的裝配方法,調整鏡片的固定方式,采用自定心裝配工藝,合理控制鏡片與鏡座的間隙,采用無應力膠進行連續邊界粘接。利用應力儀設備進行測試,測試結果表明通過無應力裝配方法裝配的核心元件,消除了應力集中現象,使核心元件的受力均勻,所產生的內應力明顯降低,達到“無應力”要求。

[1]吳存學,周憶,廖強,等.大型光學鏡片的無應力夾持研究[J].現代制造工程,2005,(07)：57-58.

[2]李德培.玻璃應力對精密光學儀器可靠性的影響及應采取的措施[C].南京：中國科學院南京天文儀器研制中心,1988：738-742.

[3]蔡立.光學零件加工技術[M].2版.北京：兵器工業出版社,2006.4.

謝瓊碧,女,(1973-),籍貫：福建莆田,職稱：工程師。