大型衍射光栅刻划机刀架导轨设计

糜小涛

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033）

大型衍射光栅刻划机刀架导轨设计

糜小涛

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033）

根据衍射光栅刻划机刀架导轨的精度指标要求以及刻划机的整体结构，设计了刀架导轨并建立了三维模型。运用ANSYS软件进行了刀架导轨静力学分析，分析结果表明，设计的刻划机刀架导轨满足其精度指标要求。

衍射光栅刻划机；刀架导轨；静力学分析

0 引 言

衍射光栅是一种重要的光学元件，它稳定的性能、精确分光特性，使其广泛运用于各类光谱仪器中［1－5］。衍射光栅刻划机是制作衍射光栅母板的重要手段之一，国内外典型的光栅刻划机均采用罗兰型，即在刻划方向光栅刻刀作往复运动，在垂直于刻划方向工作台带着光栅毛坯作单向运动［67］。因此，光栅刻划机一般由带有刻刀的刻划系统和带有毛坯的分度系统组成。刻划机刀架导轨是刻划机刀架承载和导向的重要零件。

国际上典型的大型衍射光栅刻划机MIT-C的刀架导轨是由两套分离导轨组成：一套是用来承重用的圆柱形合金钢导轨；一套是用于导向的方形石英导轨［9］。国内衍射光栅刻划机典型的刀架导轨是2号刻划机矩形石英导轨。文中将在国内刀架导轨设计的经验基础上，设计大型衍射光栅刻划机刀架导轨，并对设计的刀桥导轨进行分析，分析结果表明，设计的刀桥导轨满足设计时的指标要求。

1 刀架导轨的设计

刀架导轨作用包括承载刀架和用于刀架的导向。承载作用上看刀桥导轨要具有一定的强度和刚度，用于防止其导轨的破坏和导轨大的弯曲变形，从导向作用看，刀桥导轨导向面的加工具有一定的精度。基于此，将整个刻划机误差进行分析和分配所得的刀架导轨的精度指标要求见表1。

表1 刀架导轨的精度指标

根据刀架导轨的指标要求对刀架导轨进行设计。设计的刀架系统三维模型图主要包括刀架导轨、导轨底座、鞍形滑块等部分，如图1所示。

图1 刀架导轨系统三维模型图

刻划系统驱动拉杆往复运动从而带动安装有刻刀的鞍形滑块在刀架导轨上往复运动。鞍形滑块是通过8个聚四氟乙烯滑脚和刀架导轨接触的，上面两个固定滑脚是用于承重，刀架导轨导向面侧的3个固定滑脚是只用于导向的，另一侧的3个弹性滑脚是起封闭作用的。

刀架导轨的设计内容主要包括以下几个方面：

1）外形尺寸。由于刻划机分度系统采用双层工作台结构，其中外台是“方盆”形结构，因此，刀架导轨采用上面长逐步过渡到下面最短的结构（见图1），目的是为了刀架导轨下面位于盆中，减小刻刀和毛坯的距离。此外，为了避开外台的外檐，满足指标要求尽量减小导轨的尺寸，设计了如图1所示的导轨底座结构将玻璃导轨两端固紧。

2）截面形状。刻刀是安装于鞍形滑块上，鞍形滑块带着刻刀在刀架导轨上往复运行，光栅刻划时要求刻线是平行的、等间距的直线。刀桥导轨的平面采用矩形（见图1），通过8个滑脚与鞍形滑块的配合，能有效地防止安装在鞍形滑块上各个方向的旋转自由度以及x轴和z轴平移自由度。

3）材料。由表1可知，刀桥导轨材料既要具有良好的机械力学性能要求，又要具有良好的稳定性和加工性能。因此，选择了具有膨胀系数小、机械轻度高、加工性能好等优点的石英玻璃。此外，鞍形滑块与刀桥导轨接触的8个聚四氟乙烯滑脚摩擦系数小、运行过程中摩擦力小、爬行现象少、摩擦振动小。

综上所述，设计的刀桥导轨三维模型图如图2所示。

图2 刀桥导轨的三维模型图

2 刀架导轨的静力学分析

2.1 刀架导轨的受力分析

由图1刀架导轨的精度指标可知，刀架导轨的导向面平面度是通过加工检验是否满足要求，下面主要运用ANSYS软件对重力方向刀架导轨的弯曲变形和分度方向刀架导轨的弯曲变形进行静力学分析。

由于拉杆与刻划系统中连接拉杆的上推杆的平行性，以及上推杆运行过程中的直线性的影响，拉杆刻划方向（－y轴）的力将在重力方向（－z轴）和分度方向（x轴）将会产生分力，分别记为Fz和Fx。此外，刀架导轨自身重力F重1以及承载的鞍形滑块和刀架的重力F重2，将会导致刀架导轨在重力方向和分度方向的变形。

刻划机刻划系统是通过等速凸轮、下推杆和拉簧将刻划机电机的旋转运动转化为直线运动，在刻划阶段和回程阶段，拉杆上的力主要用于带动鞍形滑块克服摩擦力Ff在石英导轨上运行，速度平稳，加速度为零，在两端的换向阶段有加速度变化，存在惯性力Fα的作用，则拉杆上的力F主要用于满足克服摩擦力Ff和惯性力Fα的需求。则

假设摩擦力Ff主要由重力产生，动静摩擦力相同，鞍形滑块与石英导轨是通过聚四氟乙烯滑脚相接触摩擦系数μ，鞍形滑块和刀架系统组件的质量为m，则鞍形滑块和刀架系统组件的重力G和刀架导轨运行中克服的摩擦力F为：

调整后的拉杆与刻划系统中连接拉杆的上推杆在xoy平面和yoz平面的平行性分别为α1和α2，上推杆运行过程中在xoy平面和yoz平面的直线性分别为β1和β2。则F在重力方向和分度方向的分力的最大值Fzmax和Fxmax为：

分析时考虑刀架导轨可能变形最大的情形，即假设力G，Fzmax和Fymax为集中力，均作用在刀架导轨强度最弱的地方，即刀架导轨的中间，且力G和Fzmax力方向相同。

设计时，m＝4.43kg，取值为m＝5kg。α1＝30″，α2＝30″，β1＝20″，β2＝20″，μ＝0.04，Fα＝1.38N。则代入式（1）～式（3）得：

则刀架导轨中间处在分度方向受力为

刀架导轨在重力方向受力除自身重力外还有集中力

2.2 刀架导轨的静力学分析

运用UG软件建立的刀架导轨有限元分析三维模型如图3所示。

图3 刀架导轨有限元分析三维模型

在建立有限元分析的三维模型时，将对分析结果影响不大的倒角、圆角等予以忽略。在此基础上，将模型导入有限元分析软件ANSYS中，首先定义所需材料以及等效处理时的等效材料的属性见表2。

表2 三轴仿真转台模态分析等效材料属性

采用八节点六面体单元对模型进行自动网格划分，共划分101 465个节点和488 219个单元，划分后的有限元模型如图4所示。

运用ANASYS分析软件，通过一系列的定义和设置后，对刀架导轨有限元模型静力学分析所得刀架导轨分度方向和重力方向的位移分别如图5和图6所示。

图4 刀架导轨有限元分析模型

图5 刀架导轨分度方向位移

图6 刀架导轨重力方向位移

由图5和图6可知，在刀架导轨最不利的受力情况下，其重力方向的弯曲变形最大值为3.67μm，小于5μm的指标要求，其分度方向的弯曲变形最大值为0.037 1nm，远小于10nm，分度方向基本没有变化。由此可知，设计的刀桥导轨满足其精度指标要求。

3 结 语

根据刻划机整体结构和刀架精度，对刻划机

刻划系统刀架导轨进行设计，并对其进行静力学分析。然后建立其三维模型以及ANSYS静力学分析模型，并对模型进行仿真分析。分析结果表明，设计的刻划系统刀架导轨分度方向弯曲变形小于10nm，满足精度指标要求。

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

MI Xiao-tao
（Changchun Instate of Optics，Fine 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

国家重大科研装备研制项目（ZBY2008-1）

糜小涛（1988－），男，汉族，山东滕州人，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所实习研究员，硕士，主要从事光栅刻划机的设计、制造、装调方向研究，E-mail：mixiaotao＿ciomp＠126.com.