一种基于阿基米德螺旋线的冷光学自适应热变形补偿结构

本发明涉及一种基于阿基米德螺旋线的冷光学自适应热变形补偿结构。

背景技术：

随着红外遥感技术的发展，冷光学红外系统的工作温度越来越低，同时对光学元件面形的要求越来越高。低温光学结构的加工、装配以及运输通常在常温下进行，而实际工作温度可达100k(-173℃)，更有要求严苛的需要达到5k(-268℃)，其温度跨距高达288k，这对支撑结构的温度适应性提出了较高的要求。

为保证在低温环境中光学元件面形要求，不同光学元件采用与之匹配材料制作支撑结构。因不同支撑结构材料的线胀系数和比热容等性能参数均不同，且这些性能参数随温度变化呈非线性变化，因此不同光学组件在降温过程中收缩量不同，导致组件连接处产生巨大变形应力，甚至造成损坏，进而引起光学元件的变形及位置偏移，直接影响低温红外光学系统的成像质量。如何减小乃至消除异种材料光学组件间的温度变形应力是低温红外光学系统结构设计的关键。

目前，国内外对低温红外光学系统主要采用均一性设计，即整个系统选择相同材料进行加工，避免了不同光学组件间的变形差异，然而光学元件材料性能的差异制约了均一性的实现，因此这种方案只适用于金属镜反射系统。另一种方案是设计光学元件与支撑结构间的相对自由度，支撑结构与光学元件不采用固定连接，通过光学元件与支撑结构间的相对移动释放变形应力。这种方案对于光学元件与支撑结构间的配合加工精度要求十分高，对装配也提出了更高挑战，目前难以实现高面形精度。

以上两种方案均无法有效、便捷地实现低温红外光学系统在巨大温差下的高面形精度和低变形应力的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术中存在的低温红外光学系统在巨大温差下，不同材料光学组件在降温过程中因收缩量不同而引起组件连接处产生变形应力，导致光学元件剧烈变形及位置偏移，影响成像质量的问题，而提供了一种基于阿基米德螺旋线的冷光学自适应热变形补偿结构。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于阿基米德螺旋线的冷光学自适应热变形补偿结构，其特殊之处在于：包括环形本体，所述环形本体用于连接支撑两种不同材料的低温光学组件；

所述环形本体包括刚性支撑法兰和连接于刚性支撑法兰内周上的配合安装环；

所述配合安装环用于与第一种材料的低温光学组件配合卡接；

所述刚性支撑法兰的盘面沿周向分别均匀设置有n个螺旋线单元和n个第一连接孔，n个螺旋线单元与n个第一连接孔间隔分布，且螺旋线单元的中心与第一连接孔中心位于刚性支撑法兰的不同圆周方向位置处；n≥3；

所述第一连接孔用于与第一种材料的低温光学组件配合连接；

所述螺旋线单元包括第二连接孔和阿基米德螺旋槽；

所述第二连接孔用于与第二种材料的低温光学组件配合连接；

所述阿基米德螺旋槽以第二连接孔为中心，并满足阿基米德螺旋线方程，从而在刚性支撑法兰上形成阿基米德螺旋线柔性体；所述阿基米德螺旋线柔性体以第二连接孔为中心，并满足阿基米德螺旋线方程。

进一步地，所述阿基米德螺旋槽内设置有多个加强筋，用于增强阿基米德螺旋线柔性体的内部刚度；所述加强筋采用将阿基米德螺旋槽断开，断开处留置所述刚性支撑法兰盘面的方式设置。

进一步地，所述环形本体采用钛合金材料加工而成。

进一步地，所述n＝8。

进一步地，所述加强筋为3个。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明提供的基于阿基米德螺旋线的冷光学自适应热变形补偿结构，通过环形本体上的n个第一连接孔和n个第二连接孔，分别与两种不同材料的低温光学组件进行配合连接，并通过n个螺旋线单元的阿基米德螺旋线柔性体，全面释放不同材料组件因温度变化产生的变形应力和热应力，有效解决了低温红外光学系统中，不同材料的光学组件由于加工装配和实际工作环境温差大引起的变形差异，导致组件连接处产生的变形应力问题；根据阿基米德螺旋线的特性，阿基米德螺旋线柔性体对对应力的释放更加平稳和充分。

附图说明

图1是本发明基于阿基米德螺旋线的冷光学自适应热变形补偿结构一个实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的剖视图；

图3是本发明实施例中螺旋线单元的结构示意图；

图4是本发明基于阿基米德螺旋线的冷光学自适应热变形补偿结构中阿基米德螺旋线柔性体不同圈数对应环形本体的基频曲线图；

图5是本发明基于阿基米德螺旋线的冷光学自适应热变形补偿结构中不同数量加强筋对应环形本体的基频曲线图。

图中，1-环形本体，2-刚性支撑法兰，3-配合安装环，4-螺旋线单元，41-阿基米德螺旋线柔性体，42-阿基米德螺旋槽，43-加强筋，44-第二连接孔，5-第一连接孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于阿基米德螺旋线的冷光学自适应热变形补偿结构作进一步详细说明。

本发明提供的一种基于阿基米德螺旋线的冷光学自适应热变形补偿结构如图1、图2所示，包括环形本体1，所述环形本体1用于连接支撑两种不同材料的低温光学组件。环形本体1包括刚性支撑法兰2和连接于刚性支撑法兰2内周上的配合安装环3。

配合安装环3用于与第一种材料的低温光学组件配合卡接。

刚性支撑法兰2的盘面上设置有n个螺旋线单元4和n个第一连接孔5，n个螺旋线单元4和n个第一连接孔5分别沿刚性支撑法兰2的盘面周向均匀设置，且n个螺旋线单元4与n个第一连接孔5间隔分布。n个螺旋线单元4的中心位于刚性支撑法兰2的同一圆周方向位置处，n个第一连接孔5中心位于刚性支撑法兰2的同一圆周方向位置处，且螺旋线单元4的中心与第一连接孔5中心位于刚性支撑法兰2的不同圆周方向位置处；n≥3，本实施例中，n＝8。

第一连接孔5用于与第一种材料的低温光学组件配合连接，结合配合安装环3，共同完成与第一种材料的低温光学组件的安装。

如图3所示，螺旋线单元4包括第二连接孔44和阿基米德螺旋槽42。

第二连接孔44用于与第二种材料的低温光学组件配合连接。

阿基米德螺旋槽42以第二连接孔44为中心，并满足阿基米德螺旋线方程，从而在刚性支撑法兰2上形成阿基米德螺旋线柔性体41。阿基米德螺旋线柔性体41以第二连接孔44为中心，并满足阿基米德螺旋线方程。在实际生产加工过程中，阿基米德螺旋线柔性体41是根据阿基米德螺旋线方程及结构刚度等要求进行设计，阿基米德螺旋槽42是在确定阿基米德螺旋线柔性体41的宽度后进行加工。

阿基米德螺旋槽42内还设置有多个加强筋43，用于增强阿基米德螺旋线柔性体41的内部刚度。加强筋43采用将阿基米德螺旋槽42断开，断开处留置所述刚性支撑法兰2盘面的方式设置。加强筋43的数量根据结构刚度要求确定，本实施例中，加强筋43的数量为3个。

为了满足结构刚度和韧性要求，环形本体1采用钛合金材料加工而成。

对于不同口径的异种材料低温光学组件的连接，通过调整n个第一连接孔5中心所在的圆周半径位置和n个第二连接孔44中心所在的圆周半径位置，实现不同口径光学组件的连接。

对于不同重量的异种材料低温光学组件的连接，通过调整每个阿基米德螺旋线柔性体41的宽度、圈数以及加强筋43的数量，实现环形本体1的不同刚度和柔性的要求。

阿基米德螺旋线柔性体41不同圈数对应环形本体1的基频如表1及图4所示，随着阿基米德螺旋线柔性体41圈数的增多，环形本体1的基频逐渐降低，结构刚度下降的同时，柔性增强，其自适应变形能力增强。

表1不同圈数对应环形本体的基频

不同数量加强筋43对应环形本体1的基频如表2及图5所示，随着加强筋43数量的增多，环形本体1的基频逐渐升高，结构刚度增加的同时，柔性减弱，其自适应变形能力降低。

表2不同数量加强筋对应环形本体的基频

上述基于阿基米德螺旋线的冷光学自适应热变形补偿结构的装配方法如下：

1)根据待连接的两种不同材料的低温光学组件口径及重量，设计并加工环形本体1，加工完成后清洗干净；

2)将环形本体1与其中一个光学组件通过n个第二连接孔44进行连接；

3)将环形本体1的配合安装环3与另一个光学组件进行周向配合连接，再通过n个第一连接孔5进行轴向连接，装配完成。