五维干涉仪调整架设计

摘要精密调整架广泛应用于测量、检验、科研以及医疗等行业，具体优点工作稳定性好，可以大大减少与实际的误差，对精密类型的工作有及其重要的意义。本文通过对现代精密调整架的研究背景分析，结合研究现状，设计了一种五维干涉仪调整架结构，该调整架由人力驱动，通过丝杆或蜗轮蜗杆机构进行传动，可以实现二维平移运动以及三维调整运动。由于实际需要，调整架对施加的力的反馈要及其准确。本文作者主要完成了以下工作：1．研究国内外该类型调整架的研究现状，选定课题内容，并提出五维干涉仪调整架总体的设计方案。2.进行五维干涉仪调整架的子系统设计，包括传动系统以及执行系统，确定需要的类型。3．基于对子系统的设计工作，对选定的关键部件进行设计计算，包括丝杆、蜗轮蜗杆以及轴承。4．基于Solidworks软件完成所有的零件建模工作以及总体装配工作，并完成对五维干涉仪调整架的仿真分析。5．完成五维干涉仪调整架的有限元分析，主要是对丝杆的静力学分析工作，经调试，确保系统可以实现预期功能，稳定工作。关键词：干涉仪；调整架；Solidworks；有限元分析

AbstractPrecisionadjustmentframeiswidelyusedinmeasurement,inspection,scientificresearchandmedicalindustries,thespecificadvantagesofgoodworkstability,cangreatlyreducetheerrorwiththeactualerror,forprecisiontypeofworkhasgreatsignificance.Throughtheresearchbackgroundanalysisofmodernprecisionadjustmentframe,combinedwiththeresearchstatus,thispaperdesignsafive-dimensionalinterferometeradjustmentframestructure,whichisdrivenbymanpowerandtransmittedbyscreworwormgearmechanism,whichcanrealizetwo-dimensionaltranslationmovementandthree-dimensionaladjustmentmovement.Duetopracticalneeds,thefeedbackoftheadjustmentframetotheappliedforceshouldbeextremelyaccurate.Theauthorofthisarticlemainlycompletedthefollowingwork:1.Studytheresearchstatusofthistypeofadjustmentframeathomeandabroad,selectthetopiccontent,andputforwardtheoveralldesignschemeofthefive-dimensionalinterferometeradjustmentframe.2.Designthesubsystemofthefive-dimensionalinterferometeradjustmentframe,includingthetransmissionsystemandtheexecutionsystem,anddeterminethetypeofneed.3.Basedonthedesignworkofthesubsystem,thedesigncalculationoftheselectedkeycomponents,includingscrews,wormgearsandbearings.4.CompleteallpartmodelingworkandoverallassemblyworkbasedonSolidworkssoftware,andcompletethesimulationanalysisofthefive-dimensionalinterferometeradjustmentframe.5.Completethefiniteelementanalysisofthefive-dimensionalinterferometeradjustmentframe,mainlythestaticanalysisofthescrew,andafterdebugging,ensurethatthesystemcanachievetheexpectedfunctionandworkstably.Keywords:Interferometer；adjustmentframe；Solidworks；Finiteelementanalysis目录第一章绪论 11.1课题背景及意义 11.2国内外研究现状 21.2.1国外研究现状 21.2.2国内研究现状 41.3研究的主要内容及方法 6第二章五维干涉仪调整架设计方案分析 72.1五维干涉仪调整架的传动系统方案 72.1.1传动系统方案 72.1.2五维干涉仪调整架传动系统的分析确定 82.2五维干涉仪调整架的执行系统方案 112.2.1五维干涉仪调整架辅助系统的确定 112.2.2五维干涉仪调整架支撑系统的确定 132.3五维干涉仪调整架的总体设计 142.5本章小结 15第三章五维干涉仪调整架的总体设计计算 163.1丝杆的计算与校核 163.2蜗轮蜗杆的选型计算 173.3轴承的设计计算 193.4支撑板的受力分析与强度校核 203.2.1支撑板的结构形式 203.2.2支撑板的受力分析 203.5本章小结 22第四章五维干涉仪调整架的设计建模与仿真分析 234.1SolidWorks软件简介 234.2五维干涉仪调整架的设计建模与装配 244.2.1子零件建模 244.2.2总体装配 294.3五维干涉仪调整架的移动仿真 344.4本章小结 37第五章五维干涉仪调整架的有限元分析 385.1有限元分析方法 385.2五维干涉仪调整架的静力学分析 405.2.1有限元静力学理论基础 405.2.2有限元分析流程 415.2.3五维干涉仪调整架关键部位静力学分析 415.3本章小结 47总结 1致谢 2参考文献 3第一章绪论1.1课题背景及意义随着现代光学仪器的发展，由于仪器的光学元件的加工精度不断调整提高，所以对元件的检测精度要求也有了提高。为满足这一要求，对仪器调整架进行相应研究是及其有必要的，调整架的精度、分辨力、稳定性都是影响仪器精度的关键因素。光学调整架在光学实验和检测等方面都具有相当大的用处，用来对相关设备进行精密度量，主要应用于机械制造、材料、器件结构与性能的测试、空间距离的测量等领域。其中，使用光学方法来实现精密测量是其中的一种重要方法。迈克耳孙干涉仪、法布里－珀罗干涉仪及激光外差干涉仪是常见的光学测量干涉仪工具。这些干涉仪具有高精度度量、可靠度、高效率等特点。同时，它们也被广泛应用于科学研究、工业生产、医学、冶金等领域。图1-1迈克耳孙干涉仪图1-2法布里－珀罗干涉仪图1-3激光外差干涉仪在近年来对调整架的研究中，采用的传动机构大多为丝杠传动机构和导轨传动机构，目前高精度滚珠丝杠传动的使用逐渐增多，此外在高精度调整架中还采用伺服电机、压电陶瓷微位移器等部件，旨在提高仪器的位移精度[1]。光学调整架的主要功能是令光学元器件和其他元件在空间内实现高精度的调整和定位。无论哪种光学调整架，其设计目的都是为了将光学元件进行高精度的自由调整，主要包括调整架在角度、偏摆、直线等方向上的调整。最常用的光学调整架型号可以实现元件五个自由度的调整，以实现更加精准的光学测量。此外，这些光学调整架也可广泛应用于科学研究、光学工程和医学等领域，为相关实验提供更加便捷、准确的条件。随着所需调整维数的增多，设计难度也有所提高，可以应用各种三维建模软件及有限元软件进行更加准确直观的设计[2-3]。为满足工作需求，对新型光学调整架的设计研究是及其重要的。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状随着光学精密加工的快速发展，对光学仪器的检测要求也日益提高，人们越来越重视和光学仪器检测配套的光学调整架这个关键部件，在实际工作中，研究人员发现某些调整架存在较大误差，对测试的结果数据产生了极大影响，所以有一种适宜光学调整工作的调整架是很重要的。对于光学调整架这种高精密定位工作台，常常分为有效行程为微米或纳米级的微动工作台与有效行程为毫米或厘米级的大行程工作台，在实际应用中根据工作要求选择合适行程，可以大大提高测量精度[4]。国外对光学调整架设计研究起步较早，他们的调整架的精度和稳定性大多优于国内的产品。对调整架的各种驱动及传动方式都有很深的研究，目前已有多种研究成果，并得到了应用。早在上世纪，美国就设计出了一种以杠杆原理为基础的一维微定位平台。通过压电陶瓷的驱动，利用杠杆结构，带动中间平台运动，从而达到对末端末端运动平台定位的目的，其原理图如图1-1所示[5]。图1-1新加坡南洋理工大学机械与航天航空工程学院的VahidHassani等人在2013年通过在已有研究的基础上，设计研究了一种新型锥体三自由度压电陶瓷驱动机构，该机构可以在三维平面上进行椭圆运动，且对于节能方面也有优势，它可以根据元件的不同频率选择合适的驱动方式[6]，为后续研究做出了贡献。在2011年时，韩国研究人员设计研究了一种微定位平台，其原理图如图1-2所示，这个平台的导向机构为柔性铰链，通过双平行四边形模块作为放大机构，由于行程较大，该平台并不能适用于高精密定位，只适用于大行程且快速定位的工作[7]。图1-2GuangboHao等人通过螺旋理论设计了一种新型的三自由度定位平台，可以使得平台在空间内的三个方向上进行运动。荷兰学者在2013年时，设计了一种六自由度定位平台，该平台的移动行程及其微小，可以适用于隔震或精密工程相关领域[8-9]。现在大多数的研究都向多自由度定位平台发展。1.2.2国内研究现状与国外研究相比，我们国内对这种高精度调整平台的研究起步较晚，与国外的研究水平存在一定差距，但是我们对于精密定位平台的发展十分重视，目前有许多研究聚焦这个方向。国内的很多大学也在这项研究中做出了突出贡献，比如清华大学、天津大学、以及哈尔滨工业大学，它们都取得了很大成就。天津大学张晓峰等人对钢、铝合金等常用材料的热稳定性能与抗震性能进行了分析，得到了不同环境下不同材料的特殊性能，为我国的精密调整平台研究的材料使用选择提供了理论基础[10]。在2004年，宋文荣等人放弃传统的气浮定位平台或摩擦定位平台，设计研究了一种磁悬浮精密定位平台，具有无摩擦、无磨损、质量轻等优点，在很大程度上提高了平台的精度与使用寿命。但这种磁悬浮精密定位平台受技术限制，往往会遇到使用问题，所以目前研究传统的精密定位平台是有必要的[11]。在2000年，台湾淡江大学的ChaoCL等人，对精密调整定位工作台进行了研究，设计了一种新型的工作台，使用传统的传动与驱动方式进行工作，具体原理如图1-3所示，这台设备在20±1℃的温度下可以保持极高的精度，可以很好的完成测试工作[12]。图1-3在2007年，哈尔滨工业大学的董为等人设计研究了一种六自由度并联式微动平台，其中所使用的驱动电机的精度可以达到100nm，且该微动平台不仅直线运动精度高，在转动时的精度也是及其高的。燕山大学的李仕华等人在2010年设计了一种并联式微动机构，该微动平台采用压电陶瓷驱动器来进行驱动，整体采用三维正交布局，旨在实现该平台在空间内的精确定位，此外还具有控制简单的优点，有很大的应用前景[13]。上海交通大学的高峰等人在2011年时，研究了一种平面定位平台，该平台具有两个两个平动自由度和一个转动自由度，属于平面三自由度的定位平台。他们对平台的各个工作参数进行了深入研究，旨在完善平台设计问题，实现整个系统的高精度定位[14]。2013年，王志海等人在长春理工大学设计了一台高精度的纳米级五维调整架，如图1-7所示，该调整架是针对立式拼接测量平台而设计的，用于调整CGH镜片的位置。此设备具有精度高、分辨率高和稳定性优秀的特点，能够实现X、Y方向的平移，Z方向上的升降、方位角和俯仰角的全自动精密调整。这种设备的研制和应用，为科学研究及光学测量提供了高效、精确的工具。图1-7纳米级五维调整架中国科学院上海光学精密机械研究所的郑留念设计了一种五维调整架，具体由动板、定板、丝杆及滑杆等组成，可以实现空间内的精准定位，具有结构简单，精度高，体积小等优点[15]。1.3研究的主要内容及方法针对光学元件的发展趋势，为实现干涉仪的精确定位，本文对干涉仪调整架进行了系统研究，设计了一种五维调整架结构，旨在满足干涉仪的精准定位要求。本文的第一章是绪论主要介绍了本课题的研究背景和意义，并对国内外研究现状进行了全面分析，最后确定了研究内容。第二章内容为对五维调整架的各个系统进行分析。根据得到的结论，确定系统结构的设计方法，并对风电叶片进行三维建模，叙述五维调整架的运行过程。第三章内容为对五维调整架的关键部件进行设计计算，对丝杆、蜗轮蜗杆及轴承分别计算。第四章内容是使用solidworks对五维调整架各个子零件进行三维建模，并进行总体装配，在此基础上，对五维调整架进行仿真，确保五维调整架结构系统的合理性。第五章使用AnsysWorkbench对五维调整架进行有限元分析，通过进行静力学分析，得到调整架的模型数据，确保五维调整架在设计载荷下可以正常运行。最后得出结论。

第二章五维干涉仪调整架设计方案分析通过对五维干涉仪调整架的设计方案进行分析，确定传动系统及执行机构等各个子系统的设计方案，验证设计方案的可行性与实用性，保证五维干涉仪调整架可以正常运行。2.1五维干涉仪调整架的传动系统方案2.1.1传动系统方案传动系统在整个调整架的结构中承担了极其重要的作用，将驱动力传递给执行机构，是确保执行机构准确运转的关键部件，选择合适的传动系统对提升调整架整体的稳定性与可靠性具有重要意义。对于五维干涉仪调整架的传动系统方案的选择，该调整架应设计有两个传动系统，为水平传动系统和升降传动系统，水平传动系统应实现的为干涉仪在前后左右方向上的移动，升降传动系统应实现的是干涉仪在上下方向上的移动。通过查阅资料可以知道目前主流的传动方案主要有齿轮传动，同步带传动，滑块导轨传动，链传动，蜗轮蜗杆传动及丝杆传动，通过对比可得优缺点如表1-1所示。表1-1各种传动的优缺点传动类型优点缺点齿轮传动传动比准确、效率高，适用范围广，性能可靠，可以实现轴间的准确传动。安装精度高，成本较高，不宜远距离传动。同步带传动传动更加平稳，可缓和冲击，吸收振动，成本低，结构简单。不能保证不变的传动比，传动精度低，需要张紧装置。滑块导轨传动成本低、结构简单、制造方便、接触刚度大，应用于中心距较大场合，适应性强，应用广泛。不能实现自锁。链传动制造、安装精度要求低，成本低。传动平稳性较差。蜗轮蜗杆传动传动比大；结构紧凑，适用于空间轴传动。只能单向传动，传动效率低，易发热，寿命低。丝杠传动精度高，传动效率高，传动所产生的噪音较小，可以实现自锁。只适用于传动长度小，价格贵，制造和安装精度要求高。根据干涉仪在工作时的实际需求，调整架的移动精度需要很高，而且在干涉仪工作时，调整架不能够发生偏移，由于干涉仪是一种精密的光学仪器，它的传动距离不需要很长，所以此处的传动系统应选择表1-1中的丝杠传动，与其他传动相比，丝杠传动可以完成大部分的设计目标。针对升降传动系统，由于驱动装置设置在了水平面上，要想实现在竖直方向上的传动，就需要满足空间要求，根据此传动系统的安装位置来说，在调整架的内部，所以该系统还应具有结构紧凑的特点，故选择蜗轮蜗杆传动。此外，还应选择滑块导轨传动来对水平传动系统进行辅助，保证装置在直线运动。2.1.2五维干涉仪调整架传动系统的分析确定对五维干涉仪调整架的丝杆传动系统的选择。目前常见的丝杆传动主要有三角牙丝杆、梯形牙丝杆、矩形牙丝杆和滚珠丝杆，他们各自的优缺点如表1-2所示。表1-2丝杆的类型类型优点缺点三角牙丝杆加工方便，制作简单。精度较差。梯形牙丝杆上窄下宽，加工简单，易调节，工艺较好，牙根强度高，且对中性好，可以自锁，广泛用于传动。由于滑动摩擦，表面损伤大，故寿命较低，且不能用于高速传动。矩形牙丝杆传动效率较高，多用于传力机构。对中精度低，牙根强度弱，加工制造困难。滚珠丝杆传动效率较高，精度高，静音效果好。传动效率较高，精度高，静音效果好。结合表1-2，考虑到五维干涉仪调整架的实际工作状况，本文选择梯形牙丝杆来进行传动，该丝杆传动机构在调整架中的安装方式如图2-1所示，通过1-转盘施加动力，由3-丝杆进行传递动力，3-丝杆通过4-轴承座安装在2-底板上。通过多个此系统叠加实现调整架在水平方向上的移动。图2-11-转盘；2-底板；3-丝杆；4-轴承座通过查阅资料可知，蜗轮蜗杆主要分为圆柱蜗杆、环面蜗杆、锥蜗杆三类，其中圆柱蜗杆又分为普通圆柱蜗杆和圆弧圆柱蜗杆，它们的优缺点如图1-3所示。图1-3蜗轮蜗杆分类类型优点缺点普通圆柱蜗杆传动比较大，结构紧凑，可以实现自锁。传动效率较低，发热量大，容易磨损，成本高。圆弧圆柱蜗杆体积小，质量小，承载能力高，结构紧凑。成本较高，弧面加工困难。环面蜗杆轮齿受力更均衡，承载能力高，传递效率强。安装精度高，制造要求高锥蜗杆适用于两交错轴为90度的传动，重合度大；传动比范围大，制造安装简单，工艺性好。由于结构原因，该类型的传动具有不确定性。在本文设计的五维干涉仪调整架中，蜗轮蜗杆选择普通圆柱蜗杆，可以满足预设的工作要求，在调整架中的具体连接方式如图2-2所示。由1-安装版、2-轴承座、3-蜗轮、4-蜗杆和5-转盘组成，2-轴承座安装在安装板上，通过5-转盘施加动力，使得4-蜗杆转动，进而带动3-蜗轮转动，实现整体的传动，推动1-安装板在竖直方向上的传动。蜗轮蜗杆机构通常用于实现两条交错轴之间的动力传递。蜗轮与蜗杆在平面内相互作用，类似于齿轮与齿条。在蜗杆机构运行过程中，由于两者之间的摩擦阻力产生，能够实现蜗轮的自锁。具体来说，只有当蜗杆的摩擦角小于蜗杆的螺旋升角时，才会发生自锁。在设计时充分考虑到这一点，将蜗杆的螺旋升角小于蜗杆的摩擦角即可防止蜗轮蜗杆进行自锁，从而可以进行蜗杆的正反转运动。分度圆直径d＝10mm，z＝1，m＝2，螺旋升角指蜗杆分度圆导程角，计算公式为导程角=arctan(mz/d1)，求得螺旋升角为11.31°。蜗杆的摩擦角计算公式为arctanfv,fv指的是当量摩擦系数，取当量摩擦系数为0.6，得摩擦角为30.96°，蜗杆的摩擦角远远大于蜗杆的螺旋升角，不会发生自锁，可以进行正反转运动。图2-21-安装版；2-轴承座；3-蜗轮；4-蜗杆；5-转盘2.2五维干涉仪调整架的执行系统方案2.2.1五维干涉仪调整架辅助系统的确定基于五维干涉仪调整架高稳定性、高精度这一特点，需要对其添加一定的辅助系统来保证工作质量。首先在调整架水平传动系统中，由于使用的丝杠传动安装位置设计在了中间，应选择一项辅助装置来保证移动的平稳性以及方向性，在前文的分析中，确定了使用滑块导轨机构来进行辅助，在机械结构中，每种滑动导轨都有其功能特点，且应用在不同的装置中，常用的滑动导轨机构有矩型导轨、V型导轨和燕尾型导轨[16]，它们各自特点如表1-4所示。表1-4滑动导轨机构类型优点缺点矩型导轨制造检修方便、承压能力大。制造工艺简单，加工成本较低。稳定性较高，可以承受的负载大。精度受到安装的限制，精度难以达到高精度要求，耐磨性差，使用寿命短。V型导轨在受到磨损后可以下沉自动补偿，安装精度要求低，寿命长。精准度差。燕尾型导轨结构紧凑，调整方便，可以承受倾侧力矩。刚性度差，加工复杂。根据不同滑块导轨的特点，本文选择使用燕尾型导轨，可以避免在调整过程中干涉仪发生倾斜的问题，具体的安装方式如2-3所示。主要有1-滑块垫块；2-滑块；3-底板；4-导轨组成。在此系统中，4-导轨安装在3-底板上，其上为2-滑块，最后由1-滑块垫块与其他部件相连。图2-31-滑块垫块；2-滑块；3-底板；4-导轨为实现五维干涉仪调整架角度调整的要求，本文设计的一处辅助装置如图2-4所示，具体由1-光轴；2-安装板；3-连杆固定座；4-连杆；5-丝杆固定座；6-丝杆；7轴承座；8-转盘组成，通过8-转盘来提供动力，由6-丝杆进行传动，使得5-丝杆固定座运动，经4-连杆将力传递到3-连杆固定座上，然后以1-光轴为转动轴，进行转动，实现整体的角度调整。通过对辅助系统的设计，保障五维干涉仪调整架的正常运行。图2-41-光轴；2-安装板；3-连杆固定座；4-连杆；5-丝杆固定座；6-丝杆；7轴承座；8-转盘2.2.2五维干涉仪调整架支撑系统的确定由于干涉仪的安装环境有许多实际状况，可能存在地面不平的因素，所以选择一种有利的支撑方式，对整个干涉仪的稳定性有很大帮助。本文设计使用的支撑系统由1-支撑座；2-底板；3-螺母组成，具体连接方式如图2-5所示。在遇到地面不平的情况时，可以根据实际情况，调节3-螺母，选择使1-支撑座向上或向下进行移动，从而达到平稳支撑的目的。图2-51-支撑座；2-底板；3-螺母2.3五维干涉仪调整架的总体设计本文设计的五维干涉仪调整架主要由两部分构成，分别是水平面上的二维平移部分以及空间内的三维调整部分，为了方便操作，本设计方案将其设计为两层结构，即下层的二维平移部分和上层的三维调整部分，基本原理图如2-6所示。这样设计可以使得每个部分可以单独使用，可以进行多用途使用，进而减少使用成本。此外，采取这种分层式的模块设计，还可以方便安装拆卸。图2-6如图2-7所示，为本文的结构设计方案。在1-二维平移部分中，设计有两个丝杆传动系统，处于两个交错轴上，分别控制调整架的前后左右移动，同时为提高移动的稳定性，在每个方向上还设计有一对平行的滑块导轨机构。在2-三维调整部分中，通过设计一个蜗轮蜗杆传动机构，实现了该调整架在竖直方向上的移动，在控制角度的部分，采取的是通过驱动滑块，使得平板可以进行绕定轴的转动，从而完成角度调整。如图2-8所示，为控制调整架进行移动的五个转盘。图2-71-二维平移部分；2-三维调整部分；3-底板图2-82.5本章小结本章通过对五维干涉仪调整架的传动系统、执行系统的设计，确定了所用结构，完成了整个结构的整体设计，为下文的相关计算、三维建模以及关键部件的有限元分析确定了方向。并简单介绍了五维干涉仪调整架的五个调整方向。第三章五维干涉仪调整架的总体设计计算3.1丝杆的计算与校核丝杠主要用来传递动力，将旋转运动转变为直线运动，通过所产生的轴向力来克服阻力，实现运动[17]。（1）选择材料与许用应力本文丝杠采用单线梯形螺纹进行传动，材料为45钢，调质处理，。根据机械设计手册可得[18]许用拉应力为：（3-1）可取。许用弯曲应力为：（3-2）可取。（2）根据耐磨性计算螺纹中径整体重量为100kg，轴向载荷为1000N。根据表12-1-4：（3-3）式中：—螺纹副许用压强，取7.5。根据GB/T5796.3-2005可选d=10mm，P=2mm，D2=d2=9mm，D4=10.5mm，d3=7.5mm，D1=8mm的梯形螺纹。（3）自锁性验算本文使用的为单头螺纹，所以导程，角度为：（3-4）（3-5）式中根据手册可得值为0.09。<，所以自锁性满足条件。（4）丝杆强度验算求摩擦力矩：（3-6）根据表12-1-4可得：（3-7）<，所以丝杆的强度符合要求。3.2蜗轮蜗杆的选型计算本文蜗杆的输入功率为P=5KW，转速n1=100r/min，传动比为，设计使用寿命为10年，每年工作200天，每日工作4小时，每小时15分钟，启动次数为每小时20至30次，启动时有中等冲击载荷，在室温环境内工作。（1）选择材料与加工精度由于调整架的稳定性要求，故移动速度较低，蜗杆选择45钢，调质处理。蜗轮选择HT150，金属模铸造。加工精度为8级。（2）初选几何参数；（3-8）（3-9）（3）计算蜗轮输出转矩传动效率：（3-10）转矩：（3-11）（4）确定许用接触应力根据手册中表14-4-12，当蜗轮材料为HT150时（3-12）式中：—材料的许用接触应力；—滑动速度影响系数；—寿命系数。（3-13）式中：—蜗轮转速；—总的工作时间。根据表14-4-13，得到滑动速度为0.25mm/s，值为140N/mm2。由表14-4-5查得值为0.89，由表14-4-7查得值为0.78。将值代入式3-12中得到。（5）载荷系数（3-14）通过查机械设计手册可得K1值为1，K2值为1，K3值为0.77，K4值为1.05，K5值为1，K6值为1。（6）计算m和q值（3-15）通过查表14-4-5得到m=2，q=14。（7）主要几何尺寸计算（3-16）（3-17）（3-18）3.3轴承的设计计算本小节对五维干涉仪调整架的轴承进行设计计算，选择安装在底板上的轴承为例，根据工作条件选择直径的调心球轴承，该轴承需承受调整架的重力，所以其径向载荷为1KN，此外还受有大小为0.79KN的轴向载荷。设计转速n2=100r/min，最大寿命为：（3-19）（3-20）式中：—当量动载荷；—轴向载荷；—径向载荷；X—轴向动载荷系数，取1.2；Y—径向动载荷系数，取1。（3-21）式中：—寿命因数；—力矩载荷因数；—冲击载荷因数；—速度因数；—温度因数。根据表7-2-23~7-2-26得=1.515，=1.5，=0.719，=1.2，=1.0。通过查表7-2-29，得到。（3-22）通过查表7-2-31得=2。最后通过查表7-2-70，为满足工作要求，应选用，的2300型轴承。3.4支撑板的受力分析与强度校核3.2.1支撑板的结构形式支撑板是与调整仪关键承重零部件，也是主要受力零部件，支撑板的强度直接影响了调整架整体结构的安全性，所以对支撑板强度的校核非常有必要，如图3.1所示，支撑板是一个长为450mm，宽为420mm，厚为15mm的方形板，下部靠四个地脚支撑。图3.1支撑板3.2.2支撑板的受力分析支撑板所承受的货物总重不超过100kg，所以其受力最大为100kg的重力，首先对支撑所受的力进行计算。支撑板所承受的最大力：（3-23）（1）选择支撑板的材料选取支撑板的材料为40钢，调质处理。由表查得；；；（2）画支撑板受力简图如图3.2所示，计算支撑反力：作用点水平面垂直面合成AC（3）弯矩的计算：作用点水平面垂直面合成AC支撑板的垂直面受力如图3.2所示：图3.2支撑板的垂直面受力支撑板的垂直面弯矩图如图3.3所示：图3.3支撑板的垂直面弯矩图（4）校核支撑板的强度1)危险截面的判断支撑板的靠滑块四端支撑，不承受转矩，只承受弯矩，如图3-3所示，在A处和C处支撑板所受的弯矩最大，其次是B处，本文的左右支撑板相同支撑板径，故只需要校核A处截面满足要求即可。2)校核支撑板危险界面的强度，根据当量弯矩法，第三强度理论[17]：(3-24)其中为抗弯截面系数，圆支撑板截面为矩形，；—支撑板长度450mm，—厚度15mm。，所以支撑板的强度满足要求。3.5本章小结本章对五维干涉仪调整架的各部件进行设计计算，首先完成了丝杆的设计与校核，后完成对蜗轮蜗杆的选型计算，最后对轴承进行计算，到此五维干涉仪调整架的设计工作完成，为调整架正常工作提供了保证，以及为后面的有限元分析奠定了基础。第四章五维干涉仪调整架的设计建模与仿真分析为了保证五维干涉仪调整架参数的正确性，避免在实际生产中出现装配错误，所以对五维干涉仪调整架的设计建模与仿真分析是有必要的。4.1SolidWorks软件简介SolidWorks是美国达索公司设计的一款三维图形建模软件，其具有三大特点，分别为功能强大、易学易用和技术创新[19]，其进入界面如图4-1所示。SolidWorks不仅能够利用相关参数、重要特征和约束进行基础的三维建模，还能够生成相应的二维工程图。此外，SolidWorks还具备多种功能，包括数控加工、结构分析、运动仿真以及有限元分析等，生成二维图简便准确、集成性强大、可扩展性强大。SolidWorks同时提供了极其强大的插件，在软件使用界面中交互十分方便，比如SolidWorksToolBox中有各种的标准件可供选择，SolidWorksMotion可以进行全功能的仿真，能够完成机构的运动学及动力学方面的仿真，其可以适应不同的用户需求，使得SolidWorks成为主流的三维CAD软件，获得了市场的认同和广大用户的喜爱，在各个行业均得到了广泛应用。本文基于SolidWorks软件，对五维干涉仪调整架的设计进行了三维设计，并在此基础上对调整架进行了仿真分析[20-21]。图4-14.2五维干涉仪调整架的设计建模与装配4.2.1子零件建模五维干涉仪调整架的三维建模设计包含了许多零件，本文由于篇幅原因，本节只以五维干涉仪调整架传动系统中的丝杆图4-2为例进行建模过程的叙述，完成五维干涉仪调整架的子零件建模设计。图4-21）进入SolidWorks软件，首先点击创建软件，如图4-3所示。图4-32）首先，选择拉伸凸台基体，然后点击草图绘制。接着，选择上视基准面，进行草图绘制。在平面内草绘一个直径为20mm的圆形草图。如图4-4所示。图4-4草图13）对草图进行拉升，点击两侧对称，拉伸深度设置为440mm，具体操作如图4-5所示。图4-5凸台拉伸14）设置一个端面为它的基准面，在上面绘制草图，绘制一个直径为17mm的圆形，绘制结果如图4-6所示。图4-6草图25）退出草图，点击切除拉伸基体，选择以草图2为基准面，给定深度，输入值为30mm，选择反向切除，具体操作如图4-7所示。图4-7凸台拉伸26）选择镜像命令，选择镜像基准平面，点击上视基准面，然后选择实体特征，点击确定，如图4-8所示。图4-8镜像7）完成镜像后，进入特征栏，找到曲线，在其中选择螺旋线/涡状线，将定义方式选择为螺距和圈数，选定恒定螺距，将螺距4mm和圈数157以及顺时针起始角度90度输入进去，点击确定，如图4-9所示。图4-9螺旋线/涡状线8）点击扫描切除命令，选择轮廓为草图3，路径为螺旋线/涡状线，如图4-10所示。图4-10扫描切除9）点击倒角命令，将边线1和边线2设置为要倒角化的项目，选择其倒角大小为0.5mm，角度设置为45°，操作如图4-11所示。图4-11经过上述操作，最后生成的子零件模型如图4-2所示。因篇幅原因五维干涉仪调整架的其他子零件建模设计不在逐一叙述，将所建的子零件模型一一保存，进行总体装配。4.2.2总体装配进入三维软件，新建一个装配体，点击如图4-12所示。图4-121）点击插入，首先插入底板，将底板设置固定，插入支撑架与轴承座，将支撑架与底板选择配合重合，完成约束，随后依次对其余三个进行配合。将轴承座与底板选择配合重合，将下表面与底板上表面进行约束，再次选择重合约束，将轴承座侧面与底板侧面进行约束，后选择同心约束，将轴承座安装孔与底板上孔进行配合，完成约束，以同样的方法对另一个轴承座进行约束。装配后如图4-13所示。图4-13装配步骤12）点击插入，将控制前后移动的丝杆与滑块导轨机构插入，点击配合，完成这一步骤的装配如图4-14所示。图4-14装配步骤23）点击插入第一块安装板与轴承座，首先进行板的配合，点击配合，选择重合，将板的下表面与滑块垫块的上表面进行约束，再点击距离配合，输入距离完成板的位置的约束。后进行轴承座与安装板的配合，点击配合，选择重合约束，将轴承座下表面与安装板的上表面进行配合，后选择距离配合，输入距离，完成轴承座位置的约束，随后点击镜像命令，选择镜像平面与镜像零部件，完成另一对轴承座的装配，生成的装置如图4-15所示。图4-15装配步骤34）点击插入，插入控制左右移动的丝杆和滑块导轨机构，使其与第一安装板相配合，因与装配步骤2中的步骤大致相同，故采用步骤2的操作对这两个部件进行配合，完成的装配体如图4-16所示。图4-16装配步骤45）点击插入，插入第二安装板、导杆和蜗轮蜗杆机构，首先进行安装板与垫块的配合，点击配合，选择重合配合，将安装板的下表面与垫块上面进行配合，再选择距离配合，输入距离，将安装板侧面与垫块侧面进行配合，完成约束。选择导杆与安装板的配合，首先选择同心配合，将杆与安装板上安装孔进行配合，再选择重合配合，将安装板表面与导杆端面进行配合，选择局部线性阵列，输入方向与数量，完成约束。最后进行蜗轮蜗杆机构的配合，点击配合，选择同心配合，将蜗轮与安装孔进行配合，再点击距离配合，输入距离，完成约束。确定装配位置，完成的装配体如图4-17所示。图4-17装配步骤56）点击插入，插入安装板、轴承和安装座等零件。点击配合，选择距离配合，输入距离，将第二安装板的表面与这块安装板下表面进行配合，再点击距离配合，输入距离，将两安装板的侧面进行配合，完成约束。进行轴承座的约束，选择重合配合，将安装板上表面与轴承座表面进行约束，再选择距离配合，输入距离，将轴承座表面与安装板边线进行配合，后采用同样方法对其余轴承座进行配合，完成装配，生成的装配体如图4-18所示。图4-18装配步骤67）点击插入，插入其余的安装板、轴承和安装座等零件。使用上一步骤中的操作对其进行配合，完成后的装配体如图4-19所示。图4-19装配步骤78）点击插入，插入罩板和干涉仪等零件。首先完成罩板的配合，点击配合，选择重合配合，将罩板表面与第二安装板的表面进行配合，选择距离配合，输入距离，完成罩板位置的确定。后进行干涉仪与安装板的配合，点击约束，选择重合配合，将干涉仪下表面与安装板上表面进行配合，再选择距离配合，输入距离，将干涉仪侧面与安装板侧面进行配合，完成装配。最终生成的装配体如图4-20所示。图4-20装配步骤84.3五维干涉仪调整架的移动仿真1）基于五维干涉仪调整架的总体装配新建一个运动算例[22-23]，如图4-21所示。图4-20运动算例2）首先对二维平移部分进行设置，创建前后方向的移动，点击马达，选择旋转马达，选择运动方式为数据点驱动，值选择位移，起始时间给定0s，结束时间为5s，起始值为0°，结束值为3600°。如图4-21所示。图4-21马达驱动1创建左右方向的移动，步骤同上。如图4-22所示。图4-22马达驱动23）对三维调整部分进行设置，首先是竖直方向上的移动，点击马达，选择旋转马达，选中转盘面为驱动，将运动方式选择为数据点驱动，值选择位移，起始时间设置为10s，结束时间设置为15s，起始值为0°，结束值为2700°。如图4-23所示。图4-23马达驱动3创建前后方向上的角度调整，点击马达，选择旋转马达，选中转盘面为驱动，步骤同上起始时间为15s，结束时间为20s，起始值为0°，结束值为1800°。如图4-24所示。图4-24马达驱动4创建左右方向上的角度调整，点击马达，选择旋转马达，步骤同上起始时间为20s，结束时间为25s，起始值为0°，结束值为1800°。如图4-25所示。图4-25马达驱动54）通过观察五维干涉仪调整架的位移曲线和速度曲线等数据，可以证明该调整架已经能够完成预期运动，并且猝动冲击值为零，表明其运行平稳。这意味着该调整架可以顺利地投入实际工作，并实现预期目标。如图4-26所示。（1）位移图（2）速度图（3）加速度图（4）猝动图图4-26仿真曲线4.4本章小结本章首先对SolidWorks软件进行了简单介绍，并以此为基础完成五维干涉仪调整架的子零件建模与整体装配工作，并使用SolidWorks中的运动分析功能对五维干涉仪调整架的工作过程进行了仿真分析，通过对仿真分析，确定该五维干涉仪调整架可以在工作中正常运行。至此完成了五维干涉仪调整架的全部设计。第五章五维干涉仪调整架的有限元分析丝杆作为传输运动的部件，在整个五维干涉仪调整架中是极其重要的，丝杆要承受转矩。为避免丝杆由于压力及转矩造成的变形影响调整架的工作，所以借助有限元分析方法对丝杆进行校核是很有必要的。蜗轮作为上下移动的关键部位承担整个调整架的重力，也同意重要。对此将对这两个关键部位进行分析。5.1有限元分析方法AnsysWorkbench是一款通用有限元分析软件，支持结构、流体、电场、磁场、声场等领域的有限元分析。软件操作简便，功能强大，适用性广泛。此外，AnsysWorkbench可以与大多数计算机辅助设计软件实现数据共享，进一步优化了使用体验[24]。有限元分析方法通过对连续体划分单元，利用单元和节点组成有限未知量的近似离散系统去逼近无限未知量的真实连续系统，是一种连续结构离散化数值计算方法[25]。离散化是有限元分析方法的一个重要特征，将整个结构划分为许多个子域，子域是实际分为的许多个大小不同、形状不同但又连接在一块的单元，这一步骤也成为网格的划分，先对划分为的单元进行分析，然后通过边界条件进行整个结构的分析。有限元方法得到的结果是一个近似值，误差的大小由网格来决定，划分网格越细，得到的结果就越接近真实值。随着分析方法的发展，有限元方法在土木、机械、航空航天、海洋等工程中得到了越来越多的应用，如今已成为进行计算机数值模拟的首选[26-27]。机械结构的模型可以通过几个式子组成的数学方程式来表示，这个数学方程式可以将机械结构的力、结构特点以及强度之间的关系表示出来[28]。在进行有限元分析中，单元载荷向量、单元节点位移向量与两者之间的单位刚度有如下关系：（5-1）当已知条件为时，可以得到单元应变向量和单元应力向量的数值。（5-2）（5-3）式中：—几何矩阵；—应力矩阵；—弹性矩阵；—材料的弹性模量，；—材料的泊松比。为进一步确定载荷向量与整体位移向量之间的整体刚度矩阵K，求出整体节点向量。设该有限元网格节点为n个，故可得节点位移为，则可进一步表示为[29]：（5-4）结合下式：（5-5）式中，K与材料相关，以弹塑性材料为例，在静力学中，当所受变形量较小时，可视为常数。5.2五维干涉仪调整架的静力学分析5.2.1有限元静力学理论基础任意结构在载荷作用下，都会有不同程度的变形，为判断结构的强度与刚度是否可以维持的正常运行。通过静力学分析载荷与结构应变、应力等方面的关系来确定结构所承载的最大载荷是很有必要的[30]。本文直接引用理论力学下的外力平衡方程：（5-6）式中：—质量矩阵；—阻尼矩阵；—刚度矩阵；—加速度向量；—速度向量；—位移向量；—激振力向量。本章主要研究静力学问题，基于此，速度向量与加速度向量对本章结果影响不大，故可以将其忽略[31]，忽略后可得到新的静力学方程为：（5-7）如果结构由线弹性材料制成，在静载荷作用下结构的变形较小，此时为常数，称作结构线性静力分析。静力学分析是通过计算静力学平衡方程，来确定机械结构各个节点的应力和应变。此分析主要考虑单元刚度矩阵，其结果会通过有限元软件的云图进行展现。5.2.2有限元分析流程基于AnsysWorkbench仿真分析的一般流程如图5-1所示。图5-1有限元分析