大型衍射光柵刻劃機刀架導軌設計

糜小濤

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033）

大型衍射光柵刻劃機刀架導軌設計

糜小濤

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033）

根據衍射光柵刻劃機刀架導軌的精度指標要求以及刻劃機的整體結構，設計了刀架導軌并建立了三維模型。運用ANSYS軟件進行了刀架導軌靜力學分析，分析結果表明，設計的刻劃機刀架導軌滿足其精度指標要求。

衍射光柵刻劃機；刀架導軌；靜力學分析

0 引 言

衍射光柵是一種重要的光學元件，它穩定的性能、精確分光特性，使其廣泛運用于各類光譜儀器中［1－5］。衍射光柵刻劃機是制作衍射光柵母板的重要手段之一，國內外典型的光柵刻劃機均采用羅蘭型，即在刻劃方向光柵刻刀作往復運動，在垂直于刻劃方向工作臺帶著光柵毛坯作單向運動［67］。因此，光柵刻劃機一般由帶有刻刀的刻劃系統和帶有毛坯的分度系統組成。刻劃機刀架導軌是刻劃機刀架承載和導向的重要零件。

國際上典型的大型衍射光柵刻劃機MIT-C的刀架導軌是由兩套分離導軌組成：一套是用來承重用的圓柱形合金鋼導軌；一套是用于導向的方形石英導軌［9］。國內衍射光柵刻劃機典型的刀架導軌是2號刻劃機矩形石英導軌。文中將在國內刀架導軌設計的經驗基礎上，設計大型衍射光柵刻劃機刀架導軌，并對設計的刀橋導軌進行分析，分析結果表明，設計的刀橋導軌滿足設計時的指標要求。

1 刀架導軌的設計

刀架導軌作用包括承載刀架和用于刀架的導向。承載作用上看刀橋導軌要具有一定的強度和剛度，用于防止其導軌的破壞和導軌大的彎曲變形，從導向作用看，刀橋導軌導向面的加工具有一定的精度。基于此，將整個刻劃機誤差進行分析和分配所得的刀架導軌的精度指標要求見表1。

表1 刀架導軌的精度指標

根據刀架導軌的指標要求對刀架導軌進行設計。設計的刀架系統三維模型圖主要包括刀架導軌、導軌底座、鞍形滑塊等部分，如圖1所示。

圖1 刀架導軌系統三維模型圖

刻劃系統驅動拉桿往復運動從而帶動安裝有刻刀的鞍形滑塊在刀架導軌上往復運動。鞍形滑塊是通過8個聚四氟乙烯滑腳和刀架導軌接觸的，上面兩個固定滑腳是用于承重，刀架導軌導向面側的3個固定滑腳是只用于導向的，另一側的3個彈性滑腳是起封閉作用的。

刀架導軌的設計內容主要包括以下幾個方面：

1）外形尺寸。由于刻劃機分度系統采用雙層工作臺結構，其中外臺是“方盆”形結構，因此，刀架導軌采用上面長逐步過渡到下面最短的結構（見圖1），目的是為了刀架導軌下面位于盆中，減小刻刀和毛坯的距離。此外，為了避開外臺的外檐，滿足指標要求盡量減小導軌的尺寸，設計了如圖1所示的導軌底座結構將玻璃導軌兩端固緊。

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軌上往復運行，光柵刻劃時要求刻線是平行的、等間距的直線。刀橋導軌的平面采用矩形（見圖1），通過8個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方向的旋轉自由度以及x軸和z軸平移自由度。

3）材料。由表1可知，刀橋導軌材料既要具有良好的機械力學性能要求，又要具有良好的穩定性和加工性能。因此，選擇了具有膨脹系數小、機械輕度高、加工性能好等優點的石英玻璃。此外，鞍形滑塊與刀橋導軌接觸的8個聚四氟乙烯滑腳摩擦系數小、運行過程中摩擦力小、爬行現象少、摩擦振動小。

綜上所述，設計的刀橋導軌三維模型圖如圖2所示。

圖2 刀橋導軌的三維模型圖

2 刀架導軌的靜力學分析

2.1 刀架導軌的受力分析

由圖1刀架導軌的精度指標可知，刀架導軌的導向面平面度是通過加工檢驗是否滿足要求，下面主要運用ANSYS軟件對重力方向刀架導軌的彎曲變形和分度方向刀架導軌的彎曲變形進行靜力學分析。

由于拉桿與刻劃系統中連接拉桿的上推桿的平行性，以及上推桿運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）將會產生分力，分別記為Fz和Fx。此外，刀架導軌自身重力F重1以及承載的鞍形滑塊和刀架的重力F重2，將會導致刀架導軌在重力方向和分度方向的變形。

刻劃機刻劃系統是通過等速凸輪、下推桿和拉簧將刻劃機電機的旋轉運動轉化為直線運動，在刻劃階段和回程階段，拉桿上的力主要用于帶動鞍形滑塊克服摩擦力Ff在石英導軌上運行，速度平穩，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

假設摩擦力Ff主要由重力產生，動靜摩擦力相同，鞍形滑塊與石英導軌是通過聚四氟乙烯滑腳相接觸摩擦系數μ，鞍形滑塊和刀架系統組件的質量為m，則鞍形滑塊和刀架系統組件的重力G和刀架導軌運行中克服的摩擦力F為：

調整后的拉桿與刻劃系統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：

分析時考慮刀架導軌可能變形最大的情形，即假設力G，Fzmax和Fymax為集中力，均作用在刀架導軌強度最弱的地方，即刀架導軌的中間，且力G和Fzmax力方向相同。

設計時，m＝4.43kg，取值為m＝5kg。α1＝30″，α2＝30″，β1＝20″，β2＝20″，μ＝0.04，Fα＝1.38N。則代入式（1）～式（3）得：

則刀架導軌中間處在分度方向受力為

刀架導軌在重力方向受力除自身重力外還有集中力

2.2 刀架導軌的靜力學分析

運用UG軟件建立的刀架導軌有限元分析三維模型如圖3所示。

圖3 刀架導軌有限元分析三維模型

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

表2 三軸仿真轉臺模態分析等效材料屬性

采用八節點六面體單元對模型進行自動網格劃分，共劃分101 465個節點和488 219個單元，劃分后的有限元模型如圖4所示。

運用ANASYS分析軟件，通過一系列的定義和設置后，對刀架導軌有限元模型靜力學分析所得刀架導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 刀架導軌有限元分析模型

圖5 刀架導軌分度方向位移

圖6 刀架導軌重力方向位移

由圖5和圖6可知，在刀架導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的指標要求，其分度方向的彎曲變形最大值為0.037 1nm，遠小于10nm，分度方向基本沒有變化。由此可知，設計的刀橋導軌滿足其精度指標要求。

3 結 語

根據刻劃機整體結構和刀架精度，對刻劃機

刻劃系統刀架導軌進行設計，并對其進行靜力學分析。然后建立其三維模型以及ANSYS靜力學分析模型，并對模型進行仿真分析。分析結果表明，設計的刻劃系統刀架導軌分度方向彎曲變形小于10nm，滿足精度指標要求。

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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

國家重大科研裝備研制項目（ZBY2008-1）

糜小濤（1988－），男，漢族，山東滕州人，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所實習研究員，碩士，主要從事光柵刻劃機的設計、制造、裝調方向研究，E-mail：mixiaotao＿ciomp＠126.com.