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摘要：针对大型卧式菲索干涉仪检测大口径光学元件面形时的高分辨力二维倾斜调整问题，设计了一种卧式大负载二维倾斜电动调整架。设计中采用步进电机驱动、蜗轮蜗杆减速、滚动丝杠微调机构以及电子细分技术，实现了 、 倾角0.006″的高分辨力调整，并对关键件进行了静力学分析及实验分析，效果良好。
关键词： 二维调整架；高分辨力；静力学分析
【分类号】：V263
1. 引言
在现代光学元件加工过程中，高精度光学镜片常采用干涉法进行检测，如用菲索干涉仪测量面形精度、法布里帕罗干涉仪检测光波波长[1]。在这些干涉测量方法中经常伴随标准器、试件或补偿器的高分辨力调整。目前，这些调整大多采用手动调整架，分辨力低，调整的速度慢，更严重的是人要在仪器旁边调整、操作，操作人员的活动会对检测的结果带来很大的影响，以至于高精度检测不能实现[2]。如大口径超高精度紫外光学系统的镜片检测，其面形精度要求达到 ～ ，因此现场的振动是不允许的，这就需要能对光学元件进行远程高分辨力电动调整。鉴于此，设计了一种卧式菲索干涉仪试件使用的重载二维倾斜电动调整架。
2.调整架的性能要求
根据实际需要，调整架的性能指标及要求如下：
（1）调整架的中心高为320mm；
（2）调整架载重≤40kg；
（3）调整架在最大负载时，调整架最小分辨率为 0.1〞，调整范围为±1.5°，装卡范围20～400mm 。
（4）调整架具有锁紧保持力矩，经一段时间稳定后，检测被测透镜时干涉条纹不能发生漂移。
3.调整架的结构设计
3.1 调整架调整方式的建模
本文设计的调整架对被测光学元件的二维倾斜调节主要是基于三点确定一个平面的原理，通过采用三顶三拉调整机构来实现[3]。 、 的调整机构主要包括固定支架，调整板和驱动细分机构。针对调整架是卧式及重载大的特点，采用连杆式的柔性连接使固定支架与调整板相连，通过对调整板的倾斜调整进而实现对被测光学元件的角度调整。调整原理如图1所示，调整板上BC为移动点，A为不动点，加上拉簧构成三拉三顶结构。连杆的设计可以使调整架在工作状态承受大负载时，调整板紧密接触A、B两点，也限制了调整板在Z方向的转动自由度。A、B、C三点构成等腰直角三角形结构，这样可使 ， 调整耦合尽量小。
图1 ， 方向调整原理图
调整 ：由于左连杆上有两个向心关节轴承（可以实现3°～15°的转角），而右连杆的关节轴承的支撑点（旋转点）在另一直角边上，所以调整时左连杆转动，使调整板绕着竖直方向的Y轴旋转。
调整 ：由于右连杆上有一组深沟球轴承，这样可以使调整 时不会有 的转动，所以在调整时左连杆和右连杆只有 方向的转动，使调整板绕着水平方向X轴（水平两个支点构成）旋转。
3.2 调整架重要构件的设计及计算。
本文设计的调整架是针对大口径光学元件的二维倾斜调整，调整架的重要构件包括卡盘组件和驱动细分机构。
本文选用装卡效率高的三爪卡盘对被测件进行装卡[4]，与传统的三爪卡盘不同，本文设计的卡爪有手调功能。在与卡盘的转盘配合后既可以实现三爪同时的扩张和收缩，又可以通过对卡爪手动螺旋装置的调整进行手调，进而对异形件进行装卡。三个卡爪的同时扩张可以实现360mm范围调整，手动卡爪可以实现60mm范围调整，满足性能指标装卡范围的要求。
驱动细分机构包括步进电机、蜗轮蜗杆减速机构、滚动丝杠微调机构，通过三级细分实现高分辨力的要求[5]。如图2所示，两个移动丝杠和一个固定丝杠与调整板构成点接触，接触点分别用BCA表示，AB=AC=L=333mm。电机驱动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，从而实现运动转向。蜗轮带动丝杆螺母转动，丝杆端部有法兰和V形块防转和限位，使其只能沿轴向移动，从而达到电机转动丝杆前后移动的目的，进而实现 、 的角度调整。
图2 调整板位移调整原理图
力矩电机减速比：1/18，蜗轮蜗杆传动比：1/30，丝杆导程：
驱动丝杆的行程：
调整范围计算：
（1）
分辨力计算：步进电机步进角为 ，步进电机每接收一个脉冲，转子转动一个步进角，丝杆的微位移为：
（2）
则：
（3）
3.3 调整架的结构组成
卧式重载二维高分辨力倾斜电动调整架是由固定支架、调整板以及三爪卡盘组件、左右连杆组件以及蜗轮蜗杆等组件构成。如图3所示。
（a） 前视图 （b） 后视图
图3 三维实体图
（1）固定支架，左右各有一个带有凹槽的直角凸台，用来放置左右连杆组件，起到支撑被测件和调整板的作用，支架上有三个法兰孔，用来固定三个丝杆的导向法兰；三个光孔是用来固定可调拉簧法兰。
（2）左挂钩组件（如图 4所示），其上有两个向心关节轴承，可以实现3°～15°的转角，连杆的上心轴与固定支架连接，下心轴与调整板连接，同时也是一个转动连杆。
（3）右挂钩组件（如图5 所示），右挂钩上有一个向心关节轴承和一组深沟球轴承，挂钩的上心轴与固定支架连接，下心轴与调整板連接，同时也是 旋转轴的支点。固定支架与调整板就通过左右两个连杆连接起来。
图4 左挂钩组件
图5 右挂钩组件
（4）驱动细分机构（如图6 所示）电机通过电机支板连接在固定支架后表面上，电机或手轮驱动蜗杆转动，进而蜗轮带动丝杆螺母转动，丝杆端部有法兰和V形块防转和限位，使得丝杆只能沿轴向移动，从而达到调整的目的。考虑到传动过程中传动杆可能会产生震荡影响测量结果，因此，在两支撑点之间适当位置处放置了支撑座。 图6 驱动细分机构
（5）卡盘组件（如7 所示），通过螺钉连接固定在调整板上，转动法兰盘上面的手柄，可以实现卡盘的三爪同时的扩张和收缩；法兰盘中心孔有顶锥，用来定被测件轴的中心，在法兰尾部有顶锥锁紧装置，手动调整好顶锥的位置后锁紧，防止被测件发生轴向偏转。手动卡爪的工字型导轨下表面是螺旋线螺纹，与卡盘的螺旋线转盘配合，可以实现径向移动；卡爪的工字形导轨上表面是皮卡导轨的一部分，方便阶梯卡爪拆装；阶梯卡爪处有手动螺旋传动装置，可以实现60mm范围调整，方便装卡异形件；手动螺旋装置有自锁功能。
图7 卡盘组件
（6）拉簧的一端与固定在固定支架的法兰座固定，另一端与嵌在调整板里的销固定，始终拉紧固定板与调整板，使调整板始终与丝杠接触，保证调整板由丝杠驱动移动时不产生空回差，从而实现调整架的精密定位。
3.4 调整架关键部件的静力学分析
由于此倾斜调整架负载较大，因此要进行力的分析。因为承受的载荷可视为静载荷，因此只分析其变形情况。在此卧式重载二维纳米级倾斜电动调整架中，受力最大的部件是固定支架，下面采用ABAQUS对固定支架进行有限元分析。
此固定支架底部长460mm，宽200mm，高450mm。设定边界条件是，对底部的螺钉上节点的自由度进行了限定。根据设计要求，固定支架的参数设定：材料为铸铝ZL102，弹性模量E=70GPa；泊松比?=0.3[6～7]。因为此固定支架包涵了孔、凸台和凹槽，此时无法使用映射的方式进行网格划分，ABAQUS提供了自由划分的方式[8～9]，且在划分过程中给提供了局部细分的条件，可在曲率变化处自动进行细分，保证了后续工作的精度。在划分此固定支架时，采用了十节点四面体单元对固定支架进行划分。
当固定支架左右连杆连接处各承受300N的变形位移云图如图8所示。
图8 固定支架左右连杆连接处各承受300N变形位移云图
分析结果表明，当固定支架左右连杆连接处各承受300N时，最大位移量为0.09mm。通过对调整板、拉簧以及其他的组件在工作时所受最大重载的分析可以看出，采用此尺寸和材料的固定支架满足调整架载重≤40kg的设计要求。
4.实验及结果
此调整架要求二维倾斜调整范围达到±1.5°。对于该调整架的调整板倾斜角度采用百分表进行测量。将百分表分别放在调整板的右上方和左下方，与丝杠位置对应的地方（如图2所示，即B、C两点）。电机驱动蜗轮蜗杆，百分表可测得两丝杠前后移动的微位移。AC=BC=333mm，根据勾股定理，可得调整板在x方向和y方向的倾斜角度。所得实验数据如表1所示。
表1 X、Y方向的倾斜角度
其中，x方向的倾斜角度和y方向的倾斜角度均在设计范围之内，故此二维倾斜调整架的
调整范围满足设计要求。
由于此调整架用于干涉仪的使用，旨在提供一个高分辨力的倾角调整，因此通過ZNXsensor超精密电容位移传感器（分辨力<0.1nm），重点测量了在给定一个电机脉冲数（此时电机转1.8°）下，调整板的微动位移。所得实验数据如表2所示。
表2 给定一个脉冲下X、Y方向的倾斜角
由表2可以看出，实测的调整分辨力与理论计算符合的很好。
5.结论
本文设计的卧式重载二维纳米级倾斜电动调整架，经理论分析及实验表明，该调整架工作可靠、结构紧凑，对关键部件进行的静力学分析，为调整架的设计和使用提供了可靠的依据。而且具有操作简单、维护方便、调整快速便捷、锁定时稳固可靠的特点，满足使用要求。
参考文献
[1] 高云国，张倩，史亚莉，姜伟伟，彭岩.无导轨高精度位移平台的结构设计[J].光学精密工程，vol.17 No.9 Sep.2009：2199-2204
[2] 王生怀，陈育荣，王淑珍，谢铁邦.三维精密位移系统的设计[J] .光学精密工程， vol.18 No.1 Jan.2010
[3] 李圣怡，黄长征等.微位移机构研究.航空精密制造技术.2000，36（4）：5—8.
[4] 罗勇 多维精密光学调整架的优化设计[J].光电工程. 2011
[5] 郭建增，刘铁根，池伟，任晓明，孟昭荣，刘长春.大口径精密光学调整架的优化设计[J].强激光与粒子束，2013-02-15.
[6] 宁桂峰，满翠华. 有限元接触分析应用研究[J].现代制造工程 2005
[7] 曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社.2004
[8] CHEN Yong.Machine Design and Calculation of Optical Precious Mount with Large-aperture[J].Machine Building & Automation，2005，34（2）：23-25，28.
[9] Jeong Kim， Joo-Cheol Yoon， Beom-500Kang，Finite element analysis and modeling of structure with bolted joints. Applied Mathematical Modeling31（2007）：895-911.
关键词： 二维调整架；高分辨力；静力学分析
【分类号】：V263
1. 引言
在现代光学元件加工过程中，高精度光学镜片常采用干涉法进行检测，如用菲索干涉仪测量面形精度、法布里帕罗干涉仪检测光波波长[1]。在这些干涉测量方法中经常伴随标准器、试件或补偿器的高分辨力调整。目前，这些调整大多采用手动调整架，分辨力低，调整的速度慢，更严重的是人要在仪器旁边调整、操作，操作人员的活动会对检测的结果带来很大的影响，以至于高精度检测不能实现[2]。如大口径超高精度紫外光学系统的镜片检测，其面形精度要求达到 ～ ，因此现场的振动是不允许的，这就需要能对光学元件进行远程高分辨力电动调整。鉴于此，设计了一种卧式菲索干涉仪试件使用的重载二维倾斜电动调整架。
2.调整架的性能要求
根据实际需要，调整架的性能指标及要求如下：
（1）调整架的中心高为320mm；
（2）调整架载重≤40kg；
（3）调整架在最大负载时，调整架最小分辨率为 0.1〞，调整范围为±1.5°，装卡范围20～400mm 。
（4）调整架具有锁紧保持力矩，经一段时间稳定后，检测被测透镜时干涉条纹不能发生漂移。
3.调整架的结构设计
3.1 调整架调整方式的建模
本文设计的调整架对被测光学元件的二维倾斜调节主要是基于三点确定一个平面的原理，通过采用三顶三拉调整机构来实现[3]。 、 的调整机构主要包括固定支架，调整板和驱动细分机构。针对调整架是卧式及重载大的特点，采用连杆式的柔性连接使固定支架与调整板相连，通过对调整板的倾斜调整进而实现对被测光学元件的角度调整。调整原理如图1所示，调整板上BC为移动点，A为不动点，加上拉簧构成三拉三顶结构。连杆的设计可以使调整架在工作状态承受大负载时，调整板紧密接触A、B两点，也限制了调整板在Z方向的转动自由度。A、B、C三点构成等腰直角三角形结构，这样可使 ， 调整耦合尽量小。
图1 ， 方向调整原理图
调整 ：由于左连杆上有两个向心关节轴承（可以实现3°～15°的转角），而右连杆的关节轴承的支撑点（旋转点）在另一直角边上，所以调整时左连杆转动，使调整板绕着竖直方向的Y轴旋转。
调整 ：由于右连杆上有一组深沟球轴承，这样可以使调整 时不会有 的转动，所以在调整时左连杆和右连杆只有 方向的转动，使调整板绕着水平方向X轴（水平两个支点构成）旋转。
3.2 调整架重要构件的设计及计算。
本文设计的调整架是针对大口径光学元件的二维倾斜调整，调整架的重要构件包括卡盘组件和驱动细分机构。
本文选用装卡效率高的三爪卡盘对被测件进行装卡[4]，与传统的三爪卡盘不同，本文设计的卡爪有手调功能。在与卡盘的转盘配合后既可以实现三爪同时的扩张和收缩，又可以通过对卡爪手动螺旋装置的调整进行手调，进而对异形件进行装卡。三个卡爪的同时扩张可以实现360mm范围调整，手动卡爪可以实现60mm范围调整，满足性能指标装卡范围的要求。
驱动细分机构包括步进电机、蜗轮蜗杆减速机构、滚动丝杠微调机构，通过三级细分实现高分辨力的要求[5]。如图2所示，两个移动丝杠和一个固定丝杠与调整板构成点接触，接触点分别用BCA表示，AB=AC=L=333mm。电机驱动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，从而实现运动转向。蜗轮带动丝杆螺母转动，丝杆端部有法兰和V形块防转和限位，使其只能沿轴向移动，从而达到电机转动丝杆前后移动的目的，进而实现 、 的角度调整。
图2 调整板位移调整原理图
力矩电机减速比：1/18，蜗轮蜗杆传动比：1/30，丝杆导程：
驱动丝杆的行程：
调整范围计算：
（1）
分辨力计算：步进电机步进角为 ，步进电机每接收一个脉冲，转子转动一个步进角，丝杆的微位移为：
（2）
则：
（3）
3.3 调整架的结构组成
卧式重载二维高分辨力倾斜电动调整架是由固定支架、调整板以及三爪卡盘组件、左右连杆组件以及蜗轮蜗杆等组件构成。如图3所示。
（a） 前视图 （b） 后视图
图3 三维实体图
（1）固定支架，左右各有一个带有凹槽的直角凸台，用来放置左右连杆组件，起到支撑被测件和调整板的作用，支架上有三个法兰孔，用来固定三个丝杆的导向法兰；三个光孔是用来固定可调拉簧法兰。
（2）左挂钩组件（如图 4所示），其上有两个向心关节轴承，可以实现3°～15°的转角，连杆的上心轴与固定支架连接，下心轴与调整板连接，同时也是一个转动连杆。
（3）右挂钩组件（如图5 所示），右挂钩上有一个向心关节轴承和一组深沟球轴承，挂钩的上心轴与固定支架连接，下心轴与调整板連接，同时也是 旋转轴的支点。固定支架与调整板就通过左右两个连杆连接起来。
图4 左挂钩组件
图5 右挂钩组件
（4）驱动细分机构（如图6 所示）电机通过电机支板连接在固定支架后表面上，电机或手轮驱动蜗杆转动，进而蜗轮带动丝杆螺母转动，丝杆端部有法兰和V形块防转和限位，使得丝杆只能沿轴向移动，从而达到调整的目的。考虑到传动过程中传动杆可能会产生震荡影响测量结果，因此，在两支撑点之间适当位置处放置了支撑座。 图6 驱动细分机构
（5）卡盘组件（如7 所示），通过螺钉连接固定在调整板上，转动法兰盘上面的手柄，可以实现卡盘的三爪同时的扩张和收缩；法兰盘中心孔有顶锥，用来定被测件轴的中心，在法兰尾部有顶锥锁紧装置，手动调整好顶锥的位置后锁紧，防止被测件发生轴向偏转。手动卡爪的工字型导轨下表面是螺旋线螺纹，与卡盘的螺旋线转盘配合，可以实现径向移动；卡爪的工字形导轨上表面是皮卡导轨的一部分，方便阶梯卡爪拆装；阶梯卡爪处有手动螺旋传动装置，可以实现60mm范围调整，方便装卡异形件；手动螺旋装置有自锁功能。
图7 卡盘组件
（6）拉簧的一端与固定在固定支架的法兰座固定，另一端与嵌在调整板里的销固定，始终拉紧固定板与调整板，使调整板始终与丝杠接触，保证调整板由丝杠驱动移动时不产生空回差，从而实现调整架的精密定位。
3.4 调整架关键部件的静力学分析
由于此倾斜调整架负载较大，因此要进行力的分析。因为承受的载荷可视为静载荷，因此只分析其变形情况。在此卧式重载二维纳米级倾斜电动调整架中，受力最大的部件是固定支架，下面采用ABAQUS对固定支架进行有限元分析。
此固定支架底部长460mm，宽200mm，高450mm。设定边界条件是，对底部的螺钉上节点的自由度进行了限定。根据设计要求，固定支架的参数设定：材料为铸铝ZL102，弹性模量E=70GPa；泊松比?=0.3[6～7]。因为此固定支架包涵了孔、凸台和凹槽，此时无法使用映射的方式进行网格划分，ABAQUS提供了自由划分的方式[8～9]，且在划分过程中给提供了局部细分的条件，可在曲率变化处自动进行细分，保证了后续工作的精度。在划分此固定支架时，采用了十节点四面体单元对固定支架进行划分。
当固定支架左右连杆连接处各承受300N的变形位移云图如图8所示。
图8 固定支架左右连杆连接处各承受300N变形位移云图
分析结果表明，当固定支架左右连杆连接处各承受300N时，最大位移量为0.09mm。通过对调整板、拉簧以及其他的组件在工作时所受最大重载的分析可以看出，采用此尺寸和材料的固定支架满足调整架载重≤40kg的设计要求。
4.实验及结果
此调整架要求二维倾斜调整范围达到±1.5°。对于该调整架的调整板倾斜角度采用百分表进行测量。将百分表分别放在调整板的右上方和左下方，与丝杠位置对应的地方（如图2所示，即B、C两点）。电机驱动蜗轮蜗杆，百分表可测得两丝杠前后移动的微位移。AC=BC=333mm，根据勾股定理，可得调整板在x方向和y方向的倾斜角度。所得实验数据如表1所示。
表1 X、Y方向的倾斜角度
其中，x方向的倾斜角度和y方向的倾斜角度均在设计范围之内，故此二维倾斜调整架的
调整范围满足设计要求。
由于此调整架用于干涉仪的使用，旨在提供一个高分辨力的倾角调整，因此通過ZNXsensor超精密电容位移传感器（分辨力<0.1nm），重点测量了在给定一个电机脉冲数（此时电机转1.8°）下，调整板的微动位移。所得实验数据如表2所示。
表2 给定一个脉冲下X、Y方向的倾斜角
由表2可以看出，实测的调整分辨力与理论计算符合的很好。
5.结论
本文设计的卧式重载二维纳米级倾斜电动调整架，经理论分析及实验表明，该调整架工作可靠、结构紧凑，对关键部件进行的静力学分析，为调整架的设计和使用提供了可靠的依据。而且具有操作简单、维护方便、调整快速便捷、锁定时稳固可靠的特点，满足使用要求。
参考文献
[1] 高云国，张倩，史亚莉，姜伟伟，彭岩.无导轨高精度位移平台的结构设计[J].光学精密工程，vol.17 No.9 Sep.2009：2199-2204
[2] 王生怀，陈育荣，王淑珍，谢铁邦.三维精密位移系统的设计[J] .光学精密工程， vol.18 No.1 Jan.2010
[3] 李圣怡，黄长征等.微位移机构研究.航空精密制造技术.2000，36（4）：5—8.
[4] 罗勇 多维精密光学调整架的优化设计[J].光电工程. 2011
[5] 郭建增，刘铁根，池伟，任晓明，孟昭荣，刘长春.大口径精密光学调整架的优化设计[J].强激光与粒子束，2013-02-15.
[6] 宁桂峰，满翠华. 有限元接触分析应用研究[J].现代制造工程 2005
[7] 曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社.2004
[8] CHEN Yong.Machine Design and Calculation of Optical Precious Mount with Large-aperture[J].Machine Building & Automation，2005，34（2）：23-25，28.
[9] Jeong Kim， Joo-Cheol Yoon， Beom-500Kang，Finite element analysis and modeling of structure with bolted joints. Applied Mathematical Modeling31（2007）：895-911.