一种适用于低温光学系统的单限位螺垫及其使用方法
阅读说明：本技术 一种适用于低温光学系统的单限位螺垫及其使用方法 (Single-limit screw pad suitable for low-temperature optical system and use method thereof ) 是由 武俊强 张兆会 孙剑 冯玉涛 韩斌 吴阳 畅晨光 李娟� 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于低温光学系统的单限位螺垫及其使用方法。该该单限位螺垫用于光学系统安装板和真空密闭箱底板的螺纹连接,具体使用过程为：在光学系统安装板的上表面以及光学系统安装板下表面和真空密闭箱底板的上表面之间均放置单限位螺垫；固定螺钉依次穿过光学系统安装板上方的单限位螺垫、光学系统安装板、光学系统安装板下方单限位螺垫后与真空密闭箱底板上连接,从而实现光学系统安装板与真空密闭箱底板的对接安装,从而根本上解决了低温下由于光学系统安装底板与真空密闭箱温度及材料不同造成光学系统安装底板变形,从而影响光学系统装调精度的问题,大大提升了光学系统的使用可靠性。(The invention discloses a single-limit screw pad suitable for a low-temperature optical system and a using method thereof. This single spacing spiral shell pad is used for the threaded connection of optical system mounting panel and vacuum seal box bottom plate, and specific use is: single limiting screw pads are respectively arranged on the upper surface of the optical system mounting plate, the lower surface of the optical system mounting plate and the upper surface of the vacuum closed box bottom plate; the fixing screw sequentially penetrates through the single limiting screw pad above the optical system mounting plate, the optical system mounting plate and the single limiting screw pad below the optical system mounting plate and then is connected with the vacuum closed box bottom plate, so that butt joint installation of the optical system mounting plate and the vacuum closed box bottom plate is achieved, the problem that the optical system mounting bottom plate is deformed due to the fact that the optical system mounting bottom plate and the vacuum closed box are different in temperature and material at low temperature, installation and adjustment accuracy of the optical system is affected is fundamentally solved, and use reliability of the optical system is greatly improved.)
技术领域
本发明涉及一种光学系统装配时使用的螺垫，具体涉及一种适用于低温光学系统的单限位螺垫单限位螺垫及其使用方法。
背景技术
在低温成像光学系统中，往往需要对光学系统进行低温制冷，以此提高对目标长波光谱信号的探测能力。光学系统的降温一般是将其完全放置于一个真空密闭箱体中，通过制冷机及冷链将光学系统安装底板进行制冷，最终通过光学系统安装底板与光学系统各组件的热传导，将光学系统各组件制冷到低温。光学系统安装底板与真空密闭箱体之间一般采用螺钉固定连接，并在中间增加隔热垫放置热量流失。
与常温相比，低温下的光学系统安装底板会发生较大的收缩，且随着温度的不断降低，收缩量不断增大，由于真空密闭箱体与光学系统安装底板温度及材料的不同，其低温下收缩量也不同，此时，光学系统安装底板将受到较大的装配应力和非设计限位，从而造成光学系统安装底板变形，进一步将影响光学系统的装调精度。
为解决上述问题，目前一般采用的方法是在光学系统安装底板与真空密闭箱体连接处采用柔性连接方式，但此种方式只能在一定程度上削弱刚性连对光学组件带来的影响，无法彻底解决低温下光学系统安装底板变形的问题。
发明内容
为了解决上述低温下由于光学系统安装底板与真空密闭箱温度及材料不同造成光学系统安装底板变形，从而影响光学系统装调精度的问题，本发明提出了一种适用于低温光学系统的单限位螺垫及其使用方法，可从根本上解决上述问题。
本发明的具体技术方案如下：
一种适用于低温光学系统的单限位螺垫，包括上环形垫块、下环形垫块、球保持器、滚珠、内筒、外圈、端盖以及弹簧；
上环形垫块与下环形垫块平行放置，上环形垫块与下环形垫块之间的区域安装球保持器；
球保持器上设置有至少一列滚珠，每个滚珠均与上环形垫块、下环形垫块保持点接触；
内筒自上而下分为外径依次增大的第一筒段、第二筒段、第三筒段和第四筒段，内筒的内孔自上而下分为第一通孔和第二通孔，第一通孔的孔径小于第二通孔；
第一筒段与上环形垫块的内孔之间具有第一径向间隙,且第一筒段延伸出上环形垫块的上表面；
第二筒段与上环形垫块的内孔为轴孔配合实现径向定位；
第三筒段与球保持器的内孔为轴孔配合实现径向定位；
第四筒段与下环形垫块内孔为轴孔配合实现径向定位；
端盖同轴安装于下环形垫块内孔中；
弹簧的一端与第一通孔、第二通孔之间的过渡面接触，另一端与端盖的上端面接触，用于向内筒提供轴向预紧力；
所述外圈套设于上环形垫块、球保持器、下环形垫块外部，且与上环形垫块外圆表面具有第二径向间隙；
外圈下端内壁上设置有沿径向设置的第一凸起，用于和下环形垫块连接；
外圈下端内壁上设置有沿径向设置的第二凸起，用于限制上环形垫块的轴向移动。
进一步地，上述端盖通过螺纹连接的方式安装于下环形垫块内孔中。
进一步地，上述第一凸起与下环形垫块螺纹连接。
进一步地，上述球保持器上设置有至少两列滚珠。
同时，本发明还提供了一种上述单限位螺垫的使用方法，该单限位螺垫用于光学系统安装板和真空密闭箱底板的螺纹连接，具体使用过程为：
在光学系统安装板的上表面且对应于对接通孔的位置，以及光学系统安装板下表面和真空密闭箱底板的上表面之间且对应于真空密闭箱底板上对接螺纹孔的位置均放置单限位螺垫；
固定螺钉依次穿过光学系统安装板上方的单限位螺垫、光学系统安装板的对接通孔、光学系统安装板下方单限位螺垫后与真空密闭箱底板上的对接螺纹孔螺纹连接，从而实现光学系统安装板与真空密闭箱底板的对接安装。
本发明的有益效果是：
1、本发明在光学系统安装板的上表面且对应于对接通孔的位置，以及光学系统安装板下表面和真空密闭箱底板的上表面之间且对应于真空密闭箱底板上对接螺纹孔的位置均放置单限位螺垫，在固定螺栓的压力下，上、下两个单限位螺垫的径向约束解除，使得光学系统安装板浮动安装于真空密闭箱底板上，由于第一径向间隙和第二径向间隙的存在可补偿光学系统安装底板在低温环境下产生收缩形变，从而根本上解决了低温下由于光学系统安装底板与真空密闭箱温度及材料不同造成光学系统安装底板变形，从而影响光学系统装调精度的问题，大大提升了光学系统的使用可靠性。
2、本发明采用上环形垫块、下环形垫块、球保持器、滚珠、内筒、外圈、端盖以及弹簧构成的螺垫，结构紧凑，占用空间小，对空间要求严格的光学系统仍然适用。
3、本发明通用性强，结构形式不变情况下，对结构件尺寸进行微调后既可满足不同负载在各种可能造成连接件变现的工况下的使用。
4、本发明的螺垫各个零件之间的装配关系使得螺垫在非工作状态下各个零件相对位置固定，可将整体作为一个单一组件进行存储和使用。
附图说明
图1为单限位螺垫的结构示意图。
图2为低温光学系统的俯视图。
图3为单限位螺垫使用示意图。
图4为单限位螺垫工作状态示意图。
附图标记如下：
1-单限位螺垫、2-上环形垫块、3-下环形垫块、4-球保持器、5-滚珠、6-内筒、61-第一筒段、62-第二筒段、63-第三筒段、64-第四筒段、65-第一通孔、66-第二通孔66、7-外圈、71-第一凸起、72-第二凸起、8-端盖、9-弹簧、10-光学系统安装底板、11-真空密闭箱底板、13-真空密闭箱、14-固定螺钉。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例提供了一种适用于低温光学系统的单限位螺垫的具体结构，如图1所示，该螺垫包括上环形垫块2、下环形垫块3、球保持器4、滚珠5、内筒6、外圈7、端盖8以及弹簧9；
单限位螺垫1非工作状态时，上环形垫块2与下环形垫块3平行放置且保持同轴状态，上环形垫块2与下环形垫块3之间的区域安装球保持器4；
球保持器4上设置有至少一列滚珠5，每个滚珠5均与上环形垫块2、下环形垫块3保持点接触；根据实际使用环境和负载情况，滚珠5可以为多列，本实施例中滚珠的数量为2列；
内筒6通过外圆表面呈阶梯式结构，分别与上环形垫块2内孔、球保持器4内孔、下环形垫块3内孔形成轴孔配合，以此限制其相对径向移动；本实施例中，内筒的具体结构及与其他零件的配合关系如下：
内筒6自上而下分为外径依次增大的第一筒段61、第二筒段62、第三筒段63和第四筒段64，内筒的内孔自上而下分为第一通孔65和第二通孔66，第一通孔65的孔径小于第二通孔66；
第一筒段61与上环形垫块2的内孔之间具有第一径向间隙Q,且第一筒段61延伸出上环形垫块2的上表面；
第二筒段62与上环形垫块3的内孔为轴孔配合实现径向定位；
第三筒段63与球保持器4的内孔为轴孔配合实现径向定位；
第四筒段64与下环形垫块3内孔为轴孔配合实现径向定位；
外圈7与下环形垫块3连接，外圈7可限制上环形垫块2的轴向移动；本实施例中，外圈7的具体结构及与其他零件的配合关系如下：
外圈7套设于上环形垫块2、球保持器4、下环形垫块3外部，且与上环形垫块2外圆表面具有第二径向间隙P；此处需要强调的一点是：第一径向间隙Q和第二径向间隙P，可取相同值，具体取值可根据不同试验温度下光学系统的变形量进行确定，但是必须满足的条件是：第一径向间隙Q和第二径向间隙P的取值均要大于变形量。
外圈7下端内壁上设置有沿径向设置的第一凸起71，用于和下环形垫块3连接；为了方便组装和拆卸，本实施例中第一凸起71和下环形垫块3之间采用螺纹连接；
外圈7下端内壁上设置有沿径向设置的第二凸起72，用于限制上环形垫块2的轴向移动；
端盖8同轴安装于下环形垫块2内孔中；弹簧9的一端与第一通孔65、第二通孔66之间的过渡面W接触，另一端与端盖8的上端面接触，用于向内筒6提供轴向预紧力。为了方便组装和拆卸，本实施例中端盖8和下环形垫块3内孔之间采用螺纹连接。
根据以上对单限位螺垫在非工作状态下的结构描可知述，单限位螺垫1中各个零件之间的装配关系可靠，单限位螺垫在非工作状态下为稳定状态，可作为以个整体组件进行存储，并不会发生零件散落的问题。
基于上述对单限位螺垫在非工作状态下的结构介绍，现根据一个具体使用场景对该单限位螺垫的使用方法进行阐述：
如图2所示，一个低温光学系统的俯视图，光学系统12置于真空密闭箱13中，现有的方式是，光学系统安装底板10与真空密闭箱底板11通过螺钉连接固定，在光学系统安装底板10与真空密闭箱底板11中间设置有隔热垫；
而本实施例则是在光学系统安装板10的上表面且对应于对接通孔的位置，以及光学系统安装板10下表面和真空密闭箱底板11的上表面之间且对应于真空密闭箱底板11上对接螺纹孔的位置均放置单限位螺垫1，如图3所示，固定螺钉14拧紧后，上下两个单限位螺垫1中的内筒6均被下压，内筒6对上环形垫块2、球保持器4的径向限位解除，上环形垫块2与下环形垫块3可在径向产生相对移动。
如图4所示，在光学系统低温工作状态下，光学系统安装底板10在低温下发生收缩，与真空密闭箱底板11发生相对径向位移，若位移量为a(该位移量实际为光学系统安装底板10的收缩变形量)，则单限位螺垫1中上环形垫块2与下环形垫块3也产生一个距离为a的相对移动。由于上环形垫块2与下环形垫块3之间设计有滚珠5，所以上环形垫块2与下环形垫块3之间的相对移动为无阻力移动。竖直方向上由于有固定螺钉12固定，故光学系统底板10与真空密闭箱底板11之间在竖直方向不会发生相对移动。
在加入单限位螺垫1后，光学系统低温工作状态下，光学系统安装底板10与真空密闭箱底板11之间的相对移动为不受阻力自由移动，故光学系统安装底板10不会发生受力变形，这就保证了光学系统在低温下的装调精度。
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