鹿嵩昊 赵鹏飞
（华北光电技术研究所 北京 100015）
摘要：轴向预紧力会根据热变形程度发生很大变化，这是影响光机系统稳定性的重要因素之一。本文首先分析了光机结构轴向一致性的影响因素和原因，然后介绍了光机结构轴向一致性的可控方法，最后分析了光机结构轴向一致性的控制策略，希望能有效提高轴向一致性的控制水平，为光机结构的优化和技术升级提供思路和条件。
关键词：光机结构；轴向一致性；检查法
引言：
大多数光学元器件在常温下工作在相对稳定的状态，但一旦出现较大的温差，往往会表现出一定的不稳定状态，这基本上是由于轴向一致性不足造成的。在光机的设计过程中，要综合考虑系统的稳定性、安全性和自身的功能特点，获得更清晰、更稳定的图像是技术优化的目标。然而，缺乏轴向一致性控制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最优控制策略。要保持%学元件自身特5 1稳定,为使因e构变r而产生1应力不对%学零件产生影响,就需随 <改变1 K<件1变r量,~效平衡K件81接触力, 即控制%机e构1 q向K件接触力p热变r ,实现致5变化。本文通过.析温n变化对%机e构1径向pq向影响,Zo造k%机系统q向预载变化 1规律,^“一种%机e构1 q向-致5v控方法， {ey~限元析手9 ,__ ‘参考Rt,{针对所c d 1 1尺寸星模拟器%机e构进行q向一致v控c d ,Z验证所^方法1正确v行，主要影响因素如下
一、光机结构轴向一致性的影响因素
1.1径向影响
当温度变化时，光机结构的轴向一致性会受到影响，其中一个主要因素是径向影响。比如在升温阶段，光学元件会被加热膨胀，与镜筒的间隔会变大，所以镜头会无节制地移位，造成系统误差；当温度下降时，镜筒的切向应力会因内部收缩而产生，影响光学镜的稳定性，也带来精度下降的问题。
1.2轴向预载荷的影响
当温度变化时，轴向预紧力的影响是轴向不均匀的重要原因。当温度升高时，整个金属构件会表现出热膨胀系数的膨胀，内部膨胀会更大，导致环境中的轴向预紧力减小，温度预紧力会被控制甚至消失。当温度上升到一定程度时，机械界面和光学界面之间的应力会逐渐扩大，此时会出现表面变形或光学性能失效，影响系统的稳定性。当温度降低时，光学元件收缩，接触面上的应力增加，导致光学元件表面变形，影响光学性能的显示。
二、光机结构轴向一致性可控方法分析
2.1传统轴向预载控制
光机结构的轴向一致性可以通过传统轴向预紧力控制技术的干涉来实现。特别是一些结构口径大的光机，在使用中会有明显的光学特性，会有机械结构的轴向公差，需要严格控制，否则会出现精度下降的严重问题。使用螺纹压环时，需要结合装配精度的设计要求，保证温度在合理的预紧范围内，相对运动可以通过弹性压环结构的设计方法来控制。为了达到这个目的，可以通过选择合理的公差范围来调整，同时也要通过研磨来调整垫片的厚度，以保证镜片与压机的合理配合。
2.2轴向预紧力可控方法
轴向预紧力控制技术虽然能在一定程度上实现控制安装的任务，但由于不能调节变形，在适应控制预紧力的变化方面存在明显缺陷。从这个角度来看，选择一种能够适应不同程度的温度变化，更好地适应轴向变形调整的控制方法是最合适的，而这种方法的出现必须建立在对光机结构挠曲结构分析的基础上。选择柔性压环和弹性压环的组合，根据选择的研磨材料完成系统估算。该过程中的系统参数是柔性构件的内径和外径，在柔性组件引入研究之后，利用大型星模拟器进行设计仿真已经成为技术实现中必不可少的环节之一。
根据实际工况，建立了具有良好真实性的柔性结构模型，通过对模型的对比分析，可以得到各种技术参数，为光机结构的轴向一致性设计提供数据支持。比如星模拟器轴向压缩装置的设计，首先要选择合适的材料。作者建议垫片选用铝合金，钢材。屈服强度、杨氏模量等具体参数应根据实际工况确定。结合实验情况，当温度变化时，第二和第三透镜显示应力分布先变化。这些镜片对温度变化的敏感度很强，所以这也是缺乏轴向一致性控制的重要原因，所以应该作为设计的主要对象进行优化。
三、光机结构轴向一致性设计
3.1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。
3.2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。
结语：
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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