高精度手動調節升降機構

武江偉

（北京清大天達光電科技股份有限公司太原分公司，山西 太原 030000）

1 設計背景

在激光焊接機中，利用振鏡控制光路來焊接工件，由于存在環境溫度濕度或者震動等原因，振鏡與工件的角度和工作距離會產生微量偏差，超過0.01mm，會對激光光路產生影響，所以振鏡支撐需增加手動升降調節機構來保證工作時的機械精度[1]。

圖1 手動升降調節機構

2 設計計算過程

通過對各種傳動結構特點的分析比較決定才用M14*1細牙螺紋桿與螺母的傳動方式；以導軌滑塊為導向。

圖2 M14*1細牙螺紋桿與螺母的傳動結構圖

表1 傳動方法及特點

（1）因為每次需要調整的升降高度最小為0.01mm，所以增加百分表來便于觀測調節數值。百分表量程10mm，最小刻度0.01mm。

（2）判定螺紋自鎖條件：螺紋升角ψ的正切值＜靜摩擦系數f，即 ：tanψ＜f；

tanψ=螺距/π*螺紋中徑=1/3.14*14=0.022；

因為螺桿材料為40Cr，螺母材料為45#鋼，由圖3[1]得鋼對鋼有潤滑條件下的靜摩擦系數f=0.1；

螺紋升角ψ的正切值0.22＜靜摩擦系數0.1；所以此升降機構具備自鎖條件。

圖3 常用機構材料摩擦因數

（3）調節時所需扭力計算：

螺桿升降扭矩 T=Fa/2π*n=(μmg+mg)*a/2π

=(0.1*15*9.8+15*9.8)*1/2*3.14

=25.75*10-3Nm

所需扭力F=T/r=25.75*10-3Nm/0.03m=0.83N。

（4）為了防止螺桿與螺母之間的背隙，增加螺紋間隙鎖緊手柄來保證升降精度。

（5）通過調整水平螺釘調振支座與立柱接觸面4個角的距離來保證振鏡和工件之間的平面度

3 有限元分析

設計任何機器都必須進行力學計算，即求得零件所承受的應力和應變等，視其是否能夠滿足服役要求。

高精度手動調節升降機構中負載及支撐機構都依附連接在背板上，所以背板的設計一定要保證強度、剛度及穩定性；變形量誤差要小于0.01mm。

通過對背板進行受力分析，然后通過Soildworks軟件建立模型，并施加相應載荷：

圖4 背板受力軟件模型

得到圖5、6：

圖5 背板的等效應力

圖6 位移變形圖

背板材料是Q235-A，其屈服強度是235MPa，經過分析零件的最大等效應力值2.884MPa遠小于材料Q235-A的許用應力，最大位移變形量為0.002mm，小于要求的0.01mm。所以背板力學性能符合設計要求。

高精度手動調節升降機構的機械設計不止這一種方法，還應該從現實工作中積累經驗，爭取設計出更好更合理的結構。