大型衍射光柵刻劃機(jī)刀架導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

糜小濤

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033）

大型衍射光柵刻劃機(jī)刀架導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

糜小濤

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033）

根據(jù)衍射光柵刻劃機(jī)刀架導(dǎo)軌的精度指標(biāo)要求以及刻劃機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了刀架導(dǎo)軌并建立了三維模型。運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行了刀架導(dǎo)軌靜力學(xué)分析，分析結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的刻劃機(jī)刀架導(dǎo)軌滿足其精度指標(biāo)要求。

衍射光柵刻劃機(jī)；刀架導(dǎo)軌；靜力學(xué)分析

0 引 言

衍射光柵是一種重要的光學(xué)元件，它穩(wěn)定的性能、精確分光特性，使其廣泛運(yùn)用于各類光譜儀器中［1－5］。衍射光柵刻劃機(jī)是制作衍射光柵母板的重要手段之一，國內(nèi)外典型的光柵刻劃機(jī)均采用羅蘭型，即在刻劃方向光柵刻刀作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在垂直于刻劃方向工作臺(tái)帶著光柵毛坯作單向運(yùn)動(dòng)［67］。因此，光柵刻劃機(jī)一般由帶有刻刀的刻劃系統(tǒng)和帶有毛坯的分度系統(tǒng)組成。刻劃機(jī)刀架導(dǎo)軌是刻劃機(jī)刀架承載和導(dǎo)向的重要零件。

國際上典型的大型衍射光柵刻劃機(jī)MIT-C的刀架導(dǎo)軌是由兩套分離導(dǎo)軌組成：一套是用來承重用的圓柱形合金鋼導(dǎo)軌；一套是用于導(dǎo)向的方形石英導(dǎo)軌［9］。國內(nèi)衍射光柵刻劃機(jī)典型的刀架導(dǎo)軌是2號(hào)刻劃機(jī)矩形石英導(dǎo)軌。文中將在國內(nèi)刀架導(dǎo)軌設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)大型衍射光柵刻劃機(jī)刀架導(dǎo)軌，并對設(shè)計(jì)的刀橋?qū)к夁M(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的刀橋?qū)к墲M足設(shè)計(jì)時(shí)的指標(biāo)要求。

1 刀架導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)

刀架導(dǎo)軌作用包括承載刀架和用于刀架的導(dǎo)向。承載作用上看刀橋?qū)к壱哂幸欢ǖ膹?qiáng)度和剛度，用于防止其導(dǎo)軌的破壞和導(dǎo)軌大的彎曲變形，從導(dǎo)向作用看，刀橋?qū)к墝?dǎo)向面的加工具有一定的精度。基于此，將整個(gè)刻劃機(jī)誤差進(jìn)行分析和分配所得的刀架導(dǎo)軌的精度指標(biāo)要求見表1。

表1 刀架導(dǎo)軌的精度指標(biāo)

根據(jù)刀架導(dǎo)軌的指標(biāo)要求對刀架導(dǎo)軌進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的刀架系統(tǒng)三維模型圖主要包括刀架導(dǎo)軌、導(dǎo)軌底座、鞍形滑塊等部分，如圖1所示。

圖1 刀架導(dǎo)軌系統(tǒng)三維模型圖

刻劃系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)拉桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)安裝有刻刀的鞍形滑塊在刀架導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。鞍形滑塊是通過8個(gè)聚四氟乙烯滑腳和刀架導(dǎo)軌接觸的，上面兩個(gè)固定滑腳是用于承重，刀架導(dǎo)軌導(dǎo)向面?zhèn)鹊?個(gè)固定滑腳是只用于導(dǎo)向的，另一側(cè)的3個(gè)彈性滑腳是起封閉作用的。

刀架導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

1）外形尺寸。由于刻劃機(jī)分度系統(tǒng)采用雙層工作臺(tái)結(jié)構(gòu)，其中外臺(tái)是“方盆”形結(jié)構(gòu)，因此，刀架導(dǎo)軌采用上面長逐步過渡到下面最短的結(jié)構(gòu)（見圖1），目的是為了刀架導(dǎo)軌下面位于盆中，減小刻刀和毛坯的距離。此外，為了避開外臺(tái)的外檐，滿足指標(biāo)要求盡量減小導(dǎo)軌的尺寸，設(shè)計(jì)了如圖1所示的導(dǎo)軌底座結(jié)構(gòu)將玻璃導(dǎo)軌兩端固緊。

2）截面形狀。刻刀是安裝于鞍形滑塊上，鞍形滑塊帶著刻刀在刀架導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)行，光柵刻劃時(shí)要求刻線是平行的、等間距的直線。刀橋?qū)к壍钠矫娌捎镁匦危ㄒ妶D1），通過8個(gè)滑腳與鞍形滑塊的配合，能有效地防止安裝在鞍形滑塊上各個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)自由度以及x軸和z軸平移自由度。

3）材料。由表1可知，刀橋?qū)к壊牧霞纫哂辛己玫臋C(jī)械力學(xué)性能要求，又要具有良好的穩(wěn)定性和加工性能。因此，選擇了具有膨脹系數(shù)小、機(jī)械輕度高、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)的石英玻璃。此外，鞍形滑塊與刀橋?qū)к壗佑|的8個(gè)聚四氟乙烯滑腳摩擦系數(shù)小、運(yùn)行過程中摩擦力小、爬行現(xiàn)象少、摩擦振動(dòng)小。

綜上所述，設(shè)計(jì)的刀橋?qū)к壢S模型圖如圖2所示。

圖2 刀橋?qū)к壍娜S模型圖

2 刀架導(dǎo)軌的靜力學(xué)分析

2.1 刀架導(dǎo)軌的受力分析

由圖1刀架導(dǎo)軌的精度指標(biāo)可知，刀架導(dǎo)軌的導(dǎo)向面平面度是通過加工檢驗(yàn)是否滿足要求，下面主要運(yùn)用ANSYS軟件對重力方向刀架導(dǎo)軌的彎曲變形和分度方向刀架導(dǎo)軌的彎曲變形進(jìn)行靜力學(xué)分析。

由于拉桿與刻劃系統(tǒng)中連接拉桿的上推桿的平行性，以及上推桿運(yùn)行過程中的直線性的影響，拉桿刻劃方向（－y軸）的力將在重力方向（－z軸）和分度方向（x軸）將會(huì)產(chǎn)生分力，分別記為Fz和Fx。此外，刀架導(dǎo)軌自身重力F重1以及承載的鞍形滑塊和刀架的重力F重2，將會(huì)導(dǎo)致刀架導(dǎo)軌在重力方向和分度方向的變形。

刻劃機(jī)刻劃系統(tǒng)是通過等速凸輪、下推桿和拉簧將刻劃機(jī)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，在刻劃階段和回程階段，拉桿上的力主要用于帶動(dòng)鞍形滑塊克服摩擦力Ff在石英導(dǎo)軌上運(yùn)行，速度平穩(wěn)，加速度為零，在兩端的換向階段有加速度變化，存在慣性力Fα的作用，則拉桿上的力F主要用于滿足克服摩擦力Ff和慣性力Fα的需求。則

假設(shè)摩擦力Ff主要由重力產(chǎn)生，動(dòng)靜摩擦力相同，鞍形滑塊與石英導(dǎo)軌是通過聚四氟乙烯滑腳相接觸摩擦系數(shù)μ，鞍形滑塊和刀架系統(tǒng)組件的質(zhì)量為m，則鞍形滑塊和刀架系統(tǒng)組件的重力G和刀架導(dǎo)軌運(yùn)行中克服的摩擦力F為：

調(diào)整后的拉桿與刻劃系統(tǒng)中連接拉桿的上推桿在xoy平面和yoz平面的平行性分別為α1和α2，上推桿運(yùn)行過程中在xoy平面和yoz平面的直線性分別為β1和β2。則F在重力方向和分度方向的分力的最大值Fzmax和Fxmax為：

分析時(shí)考慮刀架導(dǎo)軌可能變形最大的情形，即假設(shè)力G，F(xiàn)zmax和Fymax為集中力，均作用在刀架導(dǎo)軌強(qiáng)度最弱的地方，即刀架導(dǎo)軌的中間，且力G和Fzmax力方向相同。

設(shè)計(jì)時(shí)，m＝4.43kg，取值為m＝5kg。α1＝30″，α2＝30″，β1＝20″，β2＝20″，μ＝0.04，F(xiàn)α＝1.38N。則代入式（1）～式（3）得：

則刀架導(dǎo)軌中間處在分度方向受力為

刀架導(dǎo)軌在重力方向受力除自身重力外還有集中力

2.2 刀架導(dǎo)軌的靜力學(xué)分析

運(yùn)用UG軟件建立的刀架導(dǎo)軌有限元分析三維模型如圖3所示。

圖3 刀架導(dǎo)軌有限元分析三維模型

在建立有限元分析的三維模型時(shí)，將對分析結(jié)果影響不大的倒角、圓角等予以忽略。在此基礎(chǔ)上，將模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中，首先定義所需材料以及等效處理時(shí)的等效材料的屬性見表2。

表2 三軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)模態(tài)分析等效材料屬性

采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元對模型進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，共劃分101 465個(gè)節(jié)點(diǎn)和488 219個(gè)單元，劃分后的有限元模型如圖4所示。

運(yùn)用ANASYS分析軟件，通過一系列的定義和設(shè)置后，對刀架導(dǎo)軌有限元模型靜力學(xué)分析所得刀架導(dǎo)軌分度方向和重力方向的位移分別如圖5和圖6所示。

圖4 刀架導(dǎo)軌有限元分析模型

圖5 刀架導(dǎo)軌分度方向位移

圖6 刀架導(dǎo)軌重力方向位移

由圖5和圖6可知，在刀架導(dǎo)軌最不利的受力情況下，其重力方向的彎曲變形最大值為3.67μm，小于5μm的指標(biāo)要求，其分度方向的彎曲變形最大值為0.037 1nm，遠(yuǎn)小于10nm，分度方向基本沒有變化。由此可知，設(shè)計(jì)的刀橋?qū)к墲M足其精度指標(biāo)要求。

3 結(jié) 語

根據(jù)刻劃機(jī)整體結(jié)構(gòu)和刀架精度，對刻劃機(jī)

刻劃系統(tǒng)刀架導(dǎo)軌進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對其進(jìn)行靜力學(xué)分析。然后建立其三維模型以及ANSYS靜力學(xué)分析模型，并對模型進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的刻劃系統(tǒng)刀架導(dǎo)軌分度方向彎曲變形小于10nm，滿足精度指標(biāo)要求。

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Design of cutter holder guide rail for large diffraction grating ruling engine

MI Xiao-tao
（Changchun Instate of Optics，F(xiàn)ine Mechanics，Chinese Academy of Science，Changchun 130033，China）

To meet the precision requirements of cutter holder guider rail and the needed structure of diffraction grating ruling engine，a cutter holder guider rail is designed.The 3Dmodel of the rail is built for the static analysis with ANSYS software.The result shows that cutter holder guider rail can operate at the desired accuracy.

diffraction grating ruling engine；cutter holder guider rail；static analysis.

TH 122；TH 123

A

1674-1374（2014）01-0042-04

2013-09-18

國家重大科研裝備研制項(xiàng)目（ZBY2008-1）

糜小濤（1988－），男，漢族，山東滕州人，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所實(shí)習(xí)研究員，碩士，主要從事光柵刻劃機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、裝調(diào)方向研究，E-mail：mixiaotao＿ciomp＠126.com.