光機結構的軸向一致性可控方法研究

蘇超

摘 要：軸向預載根據熱變形程度會發生很大的變化，這也是影響光機系統穩定性的重要因素之一。文章首先分析了光機結構軸向一致性的影響因素與原因，其次對光機結構軸向一致性的可控方法進行了介紹，并在最后對光機結構軸向一致性的控制策略進行了解析，希望能夠有效提升軸向一致性的控制水平，為光機結構的優化、技術升級提供思路和條件。

關鍵詞：光機結構；軸向一致性；控制方法

大多數光學元器件與零件在常溫條件下的工作狀態相對穩定，但是一旦出現較大的溫度差異，往往會表現出一定的不穩定條件，這種不穩定條件基本都是由于軸向一致性不足所導致的。光機在設計過程中需要綜合考慮到系統穩定性、安全性以及自身的功能特性，獲取更為清晰、穩定的圖像是技術優化的目標。但是，軸向一致性控制不足是阻礙上述目標的重要條件。為了進一步分析光機結構軸向一致性的優化控制策略，現就其主要影響因素分享如下。

一、光機結構軸向一致性的影響因素

1.徑向影響

在溫度出現變化時，光機結構的軸向一致性會受到影響，其中一個主要因素就是徑向上的影響。比如溫度上升階段，光學元器件就會受熱膨脹，其與鏡筒之間的間隔會擴大，所以透鏡沒有約束的情況下會發生移位進而引發系統誤差；當溫度下降時，則會出現內部收縮帶來鏡筒的切向應力，從而影響光鏡的穩定性，也會帶來精度下降的問題。

2.軸向預載影響

在溫度發生變換時，軸向預載的影響是導致軸向一致性不足的重要原因。溫度提升時，整個金屬組件會表現出熱膨脹系數擴大，內部產生更大的膨脹，進而導致環境下軸向預載變小，溫度的預載得到控制甚至消失。在溫度升高到一定的程度時，機械界面與光學界面的應力會逐漸擴大，這個時候會出現表面變形或者光學性能失效，影響到系統的穩定性。在溫度降低時，則會出現光學元件收縮、接觸面應力增加的情況，導致光學元器件表面變形，影響光學性能的展現。

二、光機結構軸向一致性可控方法分析

1.傳統軸向預載控制

光機結構的軸向一致性可以借助于傳統的軸向預載控制技術的干涉來實現。特別針對一些結構口徑較大的光機而言，其在使用時會具有明顯的光學特征，出現機械結構的軸向上的公差，需要對其進行嚴格控制，否則會出現嚴重的精度下降的問題。利用螺紋壓圈處理時，需要結合裝配精度的設計要求，確保溫度在合理的預載范圍內，可以通過彈性壓圈結構的設計方法來實現相對運動的控制。為了實現這個目標，可以通過選擇合理的公差范圍來調整，同時做好裝配過程中的隔圈厚度的研磨調整，確保透鏡與壓件之間能夠合理配合即可。

2.軸向預載可控方法

利用軸向預載控制技術雖然可以在一定程度上達到控制安裝的任務，但是由于其本身不能夠調整變形量，所以在適應控制預載的變換方面存在明顯的缺陷。從這個角度上來看，能夠選擇一種適應不同程度的溫度變化量，更好的適應軸向變形量調整工作的控制方法是最為合適的，而這種方法的出現必須建立在光機結構撓曲結構分析上。選擇撓曲壓圈與彈性壓圈相結合，根據選擇的研磨材料來完成系統估算，該過程系統參數為撓性構件的內外徑，同時需要監控好控制變形方向等方面的技術條件、內容等。

三、光機結構軸向一致性設計

1.星模擬器軸向壓緊裝置設計

在撓性構件引入到研究當中后，采用大尺寸的星模擬器進行設計模擬也就成為技術實現中的必要環節之一。結合實際工作條件，建立真實性良好的撓性結構模型，通過對模型進行對比分析可以獲取各種技術參數，為光機結構的軸向一致性設計提供數據方面的支持。比如說在星模擬器的軸向壓緊裝置設計中，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，具體的屈服強度與楊氏模量等參數需要結合實際工況要求來確定。結合實驗情況來看，當溫度出現變化時，最先表現出應力分布變化的是第二片、第三片透鏡，這些透鏡具有較強的溫度變化敏感性，所以這也是導致軸向一致性控制不足的重要原因，所以應該作為設計的主要對象進行優化設計。

2.星模擬器光機結構軸向一致性設計

星模擬器光機結構的軸向一致性設計主要包括光學透鏡組的力學分析設計以及軸向一致性設計性能測試兩個主要部分。其中，光學透鏡的力學分析主要在同等工況下對兩種不同的設計模式的熱效應進行對比分析，找到邊緣處的接觸應力并對其進行調整，滿足徑向接觸的要求并實施技術參數優化，從而對傳統的壓圈結構進行控制，更好的滿足參數優化的內容與要求。相比于傳統的壓圈結構，透鏡組的接觸應力表現不明顯，這也在一定程度上說明了該設計能夠降低溫度敏感性，確保光機結構的軸向一致性。在仿真實驗環節當中，選擇傳統的矩形截面壓圈配合一致性理論進行設計，實際的溫差為影響光學系統核心參數，而口徑直度以及聚焦變化量均可以通過實際測量情況來獲取。結合實際測試的結果不難發現，撓性構件設計條件下的系統，在溫度發生較大的變換時其熱穩定性較強，相比于傳統的截面壓圈技術具有明顯的技術優勢，能夠達到光機結構軸向一致性優化的目標要求。

總結

綜上所述，要想控制光機結構軸向一致性，就必須做好溫度、光機結構徑向應力的變換控制工作，通過設計出保護光計系統光學特性的裝置來確保溫度變化與軸向的形變量相適應，就可以確保整體的撓度變化在合理的范圍內，切實保障光機結構的軸向一致性。這樣一來，即可以確保光機在使用過程中的熱穩定性，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載控制、星模擬器軸向壓緊裝置等角度進行了闡述，希望可以為光機結構的軸向一致性提供新的思路與方法。

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