光机结构的轴向一致性可控方法研究

　　1　引　　言

　　光机系统设计中的光学元件与金属零件各参数都是在常温条件(一般指22℃)下给出的，当其工作条件变化时，各组件结构尺寸将有一定改变，从而造成包括配合间隙、光机零件接触力等设计参数的变化，最终必将影响到光机系统的特性，例如系统的焦距、准直性等[1]。以实际设计的某高精度星模拟器为例，其光机系统为大尺寸、长焦距、大视场结构，但为保证地面标定的精度要求，其整体工作时处于特定温度环境下的高仿真模拟空间，所以温度条件所造成的光 机性能 变化在设计过程中应给予重点考虑。

　　要保持光学元件自身特性的稳定，为使因结构变形而产生的应力不对光学零件产生影响，就需随时改变各组件的变形量，有效平衡组件间的接触力，即控制光机结构的轴向组件接触力与热变形，实现一致性变化。本文通过分析温度变化对光机结构的径向与轴向影响，以及造成光机系统轴向预载变化的规律，提出一种光机结构的轴向一致性可控方法，并结合有限元分析手段，给出参考数据，并针对所设计的大尺寸星模拟器光机结构进行轴向一致可控设计，以验证所提方法的正确可行。

　　2　光机结构的热变形模型与理论分析

　　设光学材料和镜筒的热膨胀系数关系为αG<αM，安装温度为TI，工作温度范围为T[Tmin，Tmax]，温度差为ΔT，透镜和镜筒等零件均为沿光轴旋转对称，系统安装时处于常温状态下。

　　2.1　温度变化对光机结构的径向影响

　　当温度下降时，镜筒与光学元件差分收缩，镜筒内壁将产生切向应力;当温度上升时，光学元件与镜筒之间的理论径向间隙将会增大，导致透镜在无轴向约束下发生偏转而产生系统误差。

　　2.2温度变化对光机结构轴向预载的影响

　　当温度升高时，金属组件因其材料的热膨胀系数比透镜材料的大，将会产生更大的膨胀，装配温度TI环境下确定的轴向预载随之变小，升高一定温度时，预载消失;当温度降低时，镜筒相对光学元件收缩，机械界面与光学表面接触应力增大，造成光学元件表面变形或破裂，使光学性能失效。设光机结构中轴向预载P 在温度改变时的变化值为 ΔP，则有：

　　确定相关设计的 K1值后，就能评估出任何温度下的实际预载，Paul　R.Yoder[2]曾提出了透镜系统的 K1因子式：

　　理想的情况就是通过 K1值来确定轴向预载的大小，使系统组件在其工作温度范围[Tmin，Tmax]内都保持常温下的轴向预载。但是任何一项机械结构的变化都会影响 K1值，要建立轴向预载随温度变化与估算 K1值的模型比较困难。此时考虑应用光机设计手段有意地控制 K1值，将对 K1值影响因素都转变为次要的问题，即在结构设计中通过针对性的设计来减弱或消除温度变化对 K1值的影响，使轴向具有合适的特性，于是引入轴向一致性设计思想。