毕业设计（论文）-卧式光学计工作台结构设计及研究.doc

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1、长春理工大学光电信息学院毕业设计摘 要本文主要介绍了卧式光学计工作台的基本设计原理。在互换性与测量技术基础实验室中的卧式测长仪的基础上，提出了卧式光学计工作台的设计方案。卧式光学计是工厂计量室、检定站、制造加工精密零件常用的光学计量仪器。本仪器一般是用标准器（如量块）以比较法测量被测量件的外形尺寸。它可对五等量块，圆柱形、球形、线形以及平行平面状的精密量具和零件的外形尺寸作精密测量；仪器头部还可以作为一个独立部件，利用头部数显输出接口同计算机联网，用于科研，生产过程控制及在线性检测等方面精密测量和控制。仪器备有固定式工作台和多种规格测量帽，以适应各种测量需要。卧式光学计集“光、机、电”于一体，

2、微机化、智能化程度较强，性能可靠，操作方便，将广泛地应用与生产、生活的实际中。关键词：精密测量 光学计 工作台ABSTRACT This article mainly introduced basic design principle of operation platform of Horizontal Optical Comparator. On the basis of horizontal comparator in the Interchangeableness and Precise Measurement laboratory, I put forth concept of op

3、eration platform of Horizontal Optical Comparator. As optic-electrical measurement instrument, Horizontal Optical Comparator r is widely used in the factory measuring room, the examination station, the manufacture processing precise components. Generally, this instrument measures the external dimens

4、ions with the standard components by comparison. It may precisely measure external dimensions of the fifth-class gage blocks, cylinder, sphere, linear and precision measuring instruments and components of parallel planes shape; after linked with the computer, head of the instrument may be used in pr

5、ocessing control and real-time measurement. The instrument has fixed operation platform to meet various needs.Keywords: Digital Library Digital Construction Status Problem Development Strategy Prospects目 录第一章 绪 论11.1引言11.2光学计概述11.3常见两种光学计的结构特点41.4 卧式光学计结构特点4第二章 光学计的测量原理及相关参数52.1 光学计的原理光路52.1.1 立式光学计

6、的原理光路52.1.2 卧式光学计的原理光路62.2 仪器的性能指标72.2.1 卧式光学计管的主要数据72.2.2 卧式光学计管的相关技术参数7第三章 卧式光学计总体结构83.1 卧式光学计总体结构83.2 仪器的调整和安装123.3 仪器的维护与保养14第四章 卧式光学计工作台的设计154.1 工作台导轨设计164.2 卧式光学计工作台位移机构设计194.2.1 螺旋传动部分194.2.2 螺旋传动的分类204.2.3 各种螺旋传动的特点及型式204.2.4 螺旋传动的设计224.3 齿轮传动部分224.3.1斜齿圆柱齿轮的基本参数234.3.2 斜齿圆柱齿轮几何尺寸的计算234.4 齿条

7、的参数选择与基本尺寸计算244.4.1 齿轮齿条的正确啮合条件244.4.2 斜齿条的基本参数与几何尺寸24第五章 精度分析25结 论27致 谢28参考文献29I第一章 绪 论 1.1引言 先进技术的发展日新月异，精密测量技术应该适应这种发展。精密测量的作用是为先进制造业服务，担负起质量技术保证的重任。这就要求首先要以提高产品的质量为出发点，这也是要达到的最重要的目的其次是精密测试技术要提高产品的生产效益。因此，检测方法要能适应快速发展生产的要求，不能单纯为了检测而检测，更不能因为检测的要求而影响生产的效益，从更积极的角度出发，应该是由于精密测量技术的良好服务从而促进生产能力的提高。现代计量测

8、试仪器的最主要特点便是智能化，即智能检测。所谓智能检测，应当包含采样、检验、故障诊断、信息处理和决策输出等多种内容，具有比传统的“测量”远远丰富的范畴，是检测设备采用现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术和模仿人类专家信息综合处理能力的结晶。随着高精度、高速、自动化测量要求的出现和不断提高，很多新的理论引入到测量仪器中，出现了集“光、机、电”一体化设计的卧式光学计。 1.2光学计概述光学比较仪也简称光学计，主要用于相对测量；测量前用量块对零位；而被测尺寸和量块尺寸的差值在仪器的刻度上读得；它分为立式、卧式、以及影屏读数式。光学计可用于测量圆柱形，球形等工件的直径或板形工件的厚度检定五

9、等精度的量块以及各种量规等。光学计由光管和支架等组成，光管可从仪器上取下，装在其他支架上，做精密测量用。卧式光学计的主要用途是： 卧式光学计是精密光学机械长度的计量仪器。它是利用标准量块与被测件相比较的方法来测量被测件外形微差尺寸，同时利用仪器所带的内测装置进行内尺寸的比较测量，是工厂计量室、检定站、制造工具、量具或加工精密零件的车间所常用的光学计量仪器1。目前，实验室中常见的光学计有两种，分为立式和卧式两种形式，两种仪器的主要技术数据及其性能指标各有特色，具体详见表1-1，表1-2，表1-1主 要 技 术 数 据 主要技术数据（立、卧式光学计）光 较 管传动放大比80目镜放大倍数12总放大倍

10、数960分度值示值范围零位调节器调节范围测量力光较管外径配合尺寸臂架与光较管配合的孔尺寸测杆与测帽内径配合的外径尺寸测帽内径配合尺寸测量范围立式卧 式导轴式导轨式长度018003500500外径（直立的工件015002250225内径13.515013.5200仪器外径尺寸340160405600400340950330480表1-2主 要 精 度 指 标m序号项 目要 求1光较仪管的示值稳定性0.12光较仪管的示值误差0.253光较仪管圆柱的直线度不大于0.44立式光较仪立柱和光较管圆柱母线的直线度不大于0.45立式光较仪工作台平面与测帽平面间的平行度不大于0.36立式光较仪工作台工作表面的

11、平面度（只允许凸出）17卧式光较仪调整部件引起的示值稳定性0.38卧式光较仪工作台引起的示值变化0.29卧式光较仪用内测钩附件时的示值稳定性0.510卧式光较仪导轴或导轨的直线度 1.3常见两种光学计的结构特点 立式光学计和卧式光学计两种仪器的结构特点不相同，两种光学计的外形图分别见图1.1，3.1所示 图1.1 立式光学计外形1-底座；2-粗动螺母；3-横臂；4-螺钉；5-立柱；6-光学计管；7-偏心手轮； 8-螺钉；9-测杆提升杠杆；10-测杆；11-工作台；12-微调螺钉 1.4 卧式光学计结构特点 卧式光学计的总体结构主要有基座，光学计管、工作台、投影灯、尾管及测量轴部件，详见第二章结

12、构设计。 第二章 光学计的测量原理及相关参数 2.1 光学计的原理光路 2.1.1 立式光学计的原理光路立式光学计的原理光路及特点见图2.1所示，图2.1 光学比较仪光管的结构原理1-进光反射镜 2-直角棱镜 3-物镜 4-反射镜 5-测杆 6-微调旋钮 7-分划8-目镜 在图示2.1中，平面反射镜由测杆组成正切机构，而平面反射镜与物镜到成象面 组成自准直光路；测杆移动 ，平面反射镜倾斜 ，入射与反射光线成 ，成象为 ，则放大比为：K=（较小时） （2.1） 设目镜放大倍数为 ，则光学计总放大倍数使光轴折转 ，分划板3的一侧有刻度 ，另一侧的对称面上有： （2.2） 2.1.2 卧式光学计的原

13、理光路 卧式光学计所用的光较仪管与立式光学计的相同，卧式光学计有导轴式和导轨式两种，安装光较仪管的支臂、尾管的支臂，都可在导轴上或导轨上移动；图2.4所示的为导轴式工作台可实现的五个自由度的运动。除用于测量外尺寸，也可用内测钩测内尺寸，用三针法测螺纹中径等。若更换长导轴，经改进后可扩大其测量范围6。 卧式光学计的原理光路及特点见图2.2所示，图2.2 卧式光学计的原理光路1-白炽灯 2-聚光镜 3-棱镜 4-分划板 5、10、11、12-反射镜 6-物镜 7-固定反射镜 8-动镜 9-投影物镜 10-影屏利用光学杠杆和自准直平行光管原理，同时利用光线多次反射放大原理；见图2.2a，测杆上移h

14、，故短臂与动镜转角为，由于成象光束在动镜正反射次数为n，故反射成象光束偏摆角为2n；若投影系统将刻尺的自准直象成在读数屏上放大v倍，则屏上刻尺象距将是故总放大比：K=（f物镜焦距） （2.3） 如果用目镜读数则： （2.4）比较仪放大了倍，一般，分度值为0.2与0.1m 2.2 仪器的性能指标 2.2.1 卧式光学计管的主要数据（一） 主要数据(1) 卧式光学计的总放大倍数 1650倍(2) 物镜的放大倍数 18.75倍(3) 读数放大镜倍数 1.1倍(4) 光学机械放大倍数 80倍(5) 分划板分划值 0.001mm(6) 分划板分划范围 0.1mm(7) 测量压力 20.2N (8) 另外

15、调节范围 0.01mm(9) 卧式光学计管外径配合尺寸 28(10) 测量轴柱与测帽内径配合的外径尺寸 6（二） 测帽内径配合尺寸 6（三） 尾座与卧式光学计管配合的孔径 288 2.2.2 卧式光学计管的相关技术参数（一）外尺寸 0500 mm 内尺寸 13.5300 mm 使用大测钩 26.5200 mm 使用小测钩 13.526.5 mm （二）工作台活动范围工作台垂直升程 不小于 100mm工作台横向移动范围 不小于 25mm工作台测微鼓分度值 0.01工作台荷重 不小于 10kg（三）尾管微动行程范围 不小于 1.5（四）仪器的外形尺寸：长宽高 1000370620m第三章 卧式光学

16、计总体结构3.1 卧式光学计总体结构 卧式光学计总体结构主要有基座，光学计管、工作台、投影灯、尾管及测量轴部件等组成。总体结构见图3.1所示，图3.1 卧式光学计总体结构1-底座 2-工作台 3、4-手轮 5-测微鼓 6、7、8-手柄 9、11-灯座 10-电源插座 12-连接插座 13-开关 14-调平螺钉 15-壳体16-测量管 17-微动螺钉 18-投影灯 19-尾管座 20-尾管 21-固定旋扭 22、23、24-微调螺丝 25-光学计座 26-水准仪（一）底座 底座1是以承受和安放仪器的主要部件和各个附属设备的部分，在底座的左侧内装有电气设备，在电气设备的盖板上有一只可调换的0.5A

17、玻璃管保险丝；在底座的右侧内部，有一个为了保证工作台在承受不同重量的工件时，仍能同样轻易的作升降运动的平衡装置，平衡装置的操纵是通过在底座左侧墙面的手轮3来进行。 在底座背面还有四个插座9、10、11、12、10为输入电源插座，9为15照明灯插座，11为照明灯插座，12为电眼设备插座，本仪器只用输入电源插座和照明灯插座（其余两个插座用户如买上插座，可当投影电能测长仪使用）。 在底座正面的左侧有一开关13，在仪器接通输入电源时，用以开启和关闭电路。本仪器装有控制照明灯用的时间继电器，当照明灯开到一定时间，它会自动切断照明灯灯源，若你还需继续测量，请再按13中间按钮。 在底座的下面有三个调平螺钉1

18、4，借助这三只调平螺钉和水准仪26可将底座调至水平。（二）工作台 工作台2为卧式光学计的主要部件，具体结构详见第四章工作台结构设计。4是用来调整工作台升降用的操纵手轮，升降范围大于，升降的数值可从划分筒读出。其他方向调整详见第四章。（三）光学计管 光学计管是由壳体15及测量管16两部分组成的，壳体15内装有隔热玻璃，分划板，反射棱镜，物镜，反光镜，屏及放大镜等光学另件，在壳体的右侧装有调节另位的微动螺钉17，转动微动螺钉17可使分划板得到一个微小的移动而使投影屏上的刻线象迅速对准另位。 测量管16是装在光学计座25上的相应孔中，并能用旋手紧固之。光学计座可以在基座的导轨上滑动，并能用旋手固紧在

19、任何位置。在测量管16内装有准直物镜，平面反光镜及光学机械放大系统的测量杆，测帽装在测量杆上，测量杆左右移动时，测量杆上端的钢珠顶动平面反光镜，使平面反光镜座以杠杆垫板上的另外二颗钢珠为摆动轴，而倾斜一个角，而平面反光镜座与测量杆是由二个抗拉弹簧牵制，对被测件保持一定的压力。 在测量管16的顶部，即露在外的测轴上可以套上各种带有硬质合金头的测帽，测帽的拨动（即测轴的移动）是借卧式侧头提升器来进行，它是套在光学计管的顶部上，并能用螺钉固紧之。 卧式光学计的测量是以比较测量为基础，利用量块或标准件与被测件相比较的方法来测定其微差尺寸，光学计管的作用原理如下： 由白炽灯泡发出的光线经过聚光镜（一）1

20、，聚光镜（二）2和滤色片3，再通过隔热玻璃4，照明分划板5的刻划面，再通过反射棱镜6，后射向准直物镜13，由于分划板5的刻划板面置于准直物镜13的焦平面上，所以成像光束通过准直物镜13后成为一束平行光入射于平面反光镜14上，根据自准直原理，分划板刻划线的相被平面反光镜14反射后，再经准直物镜18被反射棱镜6反射成像在投影物镜7的物平面上，然后再通过投影物镜7，直角棱镜8和反光镜9成像在投影屏10上，通过读数放大镜11，观察投影屏10上的刻线象见图3.2，图3.2 光学计管工作原理图1-聚光镜（一） 2-聚光镜（二） 3-滤色片 4-隔热玻璃 5-分划板 6-反射棱镜 7-物镜 8-直角棱镜 9

21、-反光镜 10-屏 11-读数放大镜 13-准直物镜 14-平面反光镜 尾管的顶端在测量过程中是起着固定支点的作用，当标准件和被测件间有微差尺寸S存在时，必然使测杆也移动S，由此反射镜就以O为支点摆动了角它们的关系式是： （3.1） 图3.3 光学杠杆传动比示意图 式中，为测杆至支点O的距离。现设自动物镜射出的垂直光线为MN，根据反射定律，当反射镜转动角时光线即被偏转了角2，M点因之转动至N，因为MN即为物镜的焦距，所以它们的关系式是：，所以，因此：光学杠杆的传动比：,由于角很小，可视作, 故得：假设物镜放大倍数为，读数放大镜的放大倍数为，则光学计的总放大倍数：令光学计的准直物镜焦距,倍倍，故

22、：（倍） 由上式可知，当测量杆移动一个微小的距离，经过1650倍的放大后，就相当于在投影屏上所看到的1.65的距离。（四）投影灯 投影灯18见图3.1安装在光学计管顶端支柱上，用投影灯固紧螺钉固紧在支柱上，其电源线插在基座上插座9中，灯泡所产生的热量是靠灯泡周围的散热片散发的，照明灯泡的功率为，投影灯下端装有滤色片组，如操作者不需要滤色片时，可将其滤色片组拧下来，即可获得白光照明。（五）尾管座及尾管 尾管座19见图3.1，是放在底座左侧的导轨上，并能在底座的导轨上滑动，可以用旋手固定在任何位置上。20是装在尾管座相应孔中，并能用旋手21固定，尾管的测头成为测量中的一个固定支点，旋转微调螺丝22

23、时，可以使尾管测头作轴向微动，测头上可以装上各种测帽，同事借助螺钉23、24的调整，可使其测杆平面与光学计管的测杆平面平行。（六）内测装置图3.4 内测装置图25、26-小测钩 27、28-大测钩 29-量块架 测钩分为大小两种，可以分别用于不用内径以及不用深度的测量，测量时尽可能使用大测钩。 小测钩25、26可以测量孔径由13.5至，其最大深度可至，它们装于测头及尾管上，并用旋手固紧之。 大测钩27、28可以测量孔径由26.5至，其最大深度可至，它们装于测头及尾管上，并用旋手固紧之。 环规用作校正仪器用。 量块架29是在尺寸测量时，用量块作为标准件来组成所需的内尺寸10。 3.2 仪器的调整

24、和安装 仪器应放在恒温室内使用，恒温室内不允许有灰尘、震动、腐蚀性气体及潮气；室内温度应保持在范围内；室温变化每小时不应超过；室内相对湿度不应超过60%。 被检定工件与本仪器的温差不应超过。（一）光学计管的安装 光学计管插入光学计座25见图3.1上的相应孔中，并旋转光学计管，你认为读数方便时，用光学计座上的胶木螺钉将光学计管固定。（二）投影灯的调整 测量工件之前，应将电源线在基座上插座9见图3.1中，使投影灯转向适当位置将投影灯的灯丝象调至离灯泡处，并在此处放一张白纸，调节灯丝的轴向位置，使灯丝象很清楚的投在白纸上，再将灯泡位置固紧，然后将投影灯转动至壳体入射窗的正中央，即投影灯后面一只胶木螺

25、钉固紧，然后再调节投影灯上端的二只调节螺丝，以确定灯丝的横向位置，使投影屏上获得均匀照明11。（三）外尺寸的测量(1) 测帽的选择 测帽选择的原则时被测件与测帽的接触面最小，即近于点或线。测量平面物体时，使用球面测帽；测量圆柱型物体时，使用中刃形测帽；测量球形物体时，使用、平面测帽。(2) 测帽的调整平面测帽、刃形测帽，球形测帽都可用下述方法进行调整。 一对测帽人别装在尾管的测轴和投影光学计管的测轴上，并使两侧帽相互接触（为了便于调整，建议再测轴之间垫一块1至的量块）与此同时在投影屏上见到标尺的象，调节尾管十字方向两个微动螺钉中的一个，使象自左向右或自右向左移动，并在某一点改变其运动方向，于是

26、将微动螺钉停留在这个通常称之为“转折点“的地方，用同样的方法调节微动螺钉中的另一个，经过上述调整，测帽在水平和垂直两个方向都彼此平行了。 对球形测帽的调整除上述方法外，还可在万能工作台上衬一张白纸，手持放大镜用眼睛直接观察两个球体测头是否对正。(3) 标准件的安放及对零 在对被测件进行比较测量之前，必须先用量块或标准另件作为标准件来对零。将标准件安放在工作台上并用压板将其固定以后，就可以通过二个座子的移动，使光学计管和尾管上的两个测帽分别与标准件的被测量面相接触，并分别调节光管零位调节螺钉17和尾管微调螺丝22，使标尺的象大致处于屏的中央位置，见图3.1。 标准件和被测件的安放，必须满足下列各

27、调节： 凡测量面使相互平行的两平面，无论其为外部的或是内部的，必须调整到垂直于测量轴线。 在圆柱体的测量中，无论其为外柱面或内孔，必须使其测量轴线穿过此曲面中心，并且使圆柱体之轴线垂直于测量轴线。 被测件表面是球面，则必须调整到测量轴线通过球面中心。 为了满足上述各个条件，可以利用万能工作台上各个运动、摆动、转动等机构（见前面结构接受中所述）来寻找转折点，以调整标准件和被测件的正确位置。 为了便于比较测量的读数，可以通过零位调节螺钉17，微调螺丝22的调节，将标尺的象调到零位，一经对零之后，上述座子及零位调节螺钉17，微调螺丝都不能再作任何调节，见图3.1。(4) 测量 经过上述用标准件对零以

28、后，即可以在万能工作台上取下标准件换上被测件。 被测件安放位置的正确性，同样必须满足上述的各项条件，因此仍须利用万能工作台上各个可能的运动来分别寻找各个方位的转折点，最后一个方位转折点确定时，标尺定于指标线上的读数，即为所测量的差值标准件和被测件的微差尺寸，然后根据标准件的修正量对此结果加以修正，即得出被测件的实际尺寸。(5) 内尺寸的测量 a) 内测钩的选用与安装 在内尺寸测量时，光学计管的测轴上要装上一个平面测帽，并使其与活动测钩上的相应球头接触。 测钩选择原则是：尽可能采用大测钩，只有在内尺寸小于时才采用小测钩。 测钩安装的方向大致垂直于万能工作台的台面，并使固定测钩的突出部分刚好能嵌入

29、活动测钩上的凹入部分，并应检查其是否有相互摩擦的现象。 b) 标准件的安装及对零 内尺寸测量时，标准件可以是标准另件，也可以是量块架和量块所组成的内尺寸组合体，与外尺寸测量时一样，在对零时，标准件的位置也要满足上述的各个条件。 标准件固定在工作台上以后，调节两个座子，使两个测钩靠拢，直至两测头之间距离已小于标准件的内尺寸后，便可调节万能工作台使标准件套入测钩，并大致处于居中位置，然后再一次调节座子及零位调节螺钉17，微调螺丝22，以达到测头与标准件接触，活动测钩上的活动指标与指标线大致符合，同时，在投影屏中的标尺零位应大致居中，接着就可利用万能工作台上的各个可能的运动来寻找转折点，以寻求标准件

30、的正确位置，正确位置找到后，就可以调节零位调节螺钉17，将标尺调到零位，见图3.1。 c) 测量 对零以后，即可卸下标准件而换上被测件。 被测件安放位置的正确性，同样必须满足上述所述各项条件，因此当被测件固定好后，仍须寻找被测件在各个方位的转折点，最后一个转折点确定时，标尺定于指标线上的数字，即为所测量的差值被测件和标准件的微差尺寸，然后根据标准件的修正量，对此结果加以修正，即得被测件的实际值。 3.3 仪器的维护与保养 对精密计量仪器必须进行维护与保养，这样可以延长仪器的使用寿命。(1) 室内必须有恒温装置，以维持室温在左右，相对湿度应不超过60%。(2) 仪器应经常保持清洁，特别是光学零部

31、件，不可用手接触，揩拭光学零件表面时，则可用清洁、脱脂的软细骆毛笔或毛笔轻轻拂去浮灰，然后再用软细亚麻布或脱脂棉蘸上酒精30%和乙醚70%的混和剂轻拭不洁之处，但最好避免多擦。(3) 仪器每次用完后，必须将其底座导轨，测量管及工作台，测帽及其他附件不修饰的光洁金属表面，先用汽油清洗干净，并用软细布揩拭干后，然后再涂上无酸凡士林或防锈油。(4) 光学计管内部结构比较复杂精密，不宜随意拆卸，必要时可送有关修理部门检修。(5) 本仪器的投影箱内安装防酶剂片，以防止光学零件发霉，从而保证视场象质的清晰度，延长仪器的使用寿命12。第四章 卧式光学计工作台的设计 工作台有五个自由度，可以实现对各种零件测量

32、。（见图4.1） 工作台可实现的五个自由度的运动为：上升、下降；垂直于测量轴线的横向移动；绕铅垂线在水平面内回转；绕垂直于测量轴线的水平轴线回转；在测量轴线方向上可自由移动。图4.1 仪器工作台结构图1-齿轮 2-传动轴 3-纵向移动手轮 4-升降手轮5、16-伞齿轮 6-弹簧套 7-压簧 8-拉簧 9-封闭轴承 10-理合手柄 11-工作台座 12-挡块13-升降轴 14-螺旋齿轮 15-拉簧螺钉 17-导向齿轮 18-调整螺钉19-滑板 20-轴承座 21-可调轴承22-固定轴承1. 4是用来调整工作台升降用的操纵手轮，升降范围大于，升降的数值可从划分筒读出。2.在旋转测微鼓5时，就可使工

33、作台产生0的横向运动，测微鼓的划分值为。3. 当转动手柄6时，可使工作台作的倾斜运动，若将手柄8向上扳动时，可将其倾斜位置固定下来。4. 当扳动手柄7时可使工作台绕其轴线旋转大于。5. 在测量轴线方向上，工作台能自由浮动。 4.1 工作台导轨设计一、导轨的功能 在精密仪器中导轨部件是应用最广泛也是最重要的部件之一。导轨不仅能可靠地承受外加载荷，更主要的是能保证运动部件定位及运动时的运动精度，及有关部件的相互位置精度。 导轨部件由动导轨和静导轨两部分组成。二、导轨的基本要求 导轨主要是用来保护各运动部件的相对位置和相对运动精度以及承受载荷（包括工作台、滑板部件重量）的。所以导轨要求导向精度高，刚

34、性大，耐磨性好，精度保持性好，运动灵活而平稳，结构简单，工艺性良好，性能可靠。三、导轨的分类 按导轨的摩擦性质可分为：1. 滑动摩擦导轨；2. 弹性摩擦导轨；3. 流体摩擦导轨；4. 滚动摩擦导轨； 按导轨结构特点可分为：1. 力封式（开式）导轨 它必须借助外力（如重力或者弹力）才能保证运动件和轴导件导轨面间的接触，从而保证运动件按给定方向做直线运动。2. 自封示（闭示）导轨 它则依靠导轨本身的几何想状保证运动件和轴承面间的接触13。四、导轨设计方案选择1. 滑动摩擦导轨 定义：普通滑动摩擦导轨是指两导轨面直接接触的导轨。 优点：结构简单，制造容易,接触刚度高； 缺点：摩擦阻力大，磨损快，动、

35、静摩擦系数差别大，低速时容易产生爬行。 结论：由于卧式光学计工作台实现的是精密微动，因而不适宜使用滑动摩擦导轨。2. 弹性摩擦导轨 定义：弹性摩擦导轨是指利用材料的弹性变形，使运动不见做小位移运动的特殊导轨。 优点：摩擦力极小，无磨损，运动灵便性高，导轨中没有间隙，当运动件位移足够小的时候，精度很高，运动件可有任意复杂外型； 缺点：这种导轨的运动件只能做很小的移动，使用范围颇受限制。 结论：因此在本设计中不考虑。3. 流体摩擦导轨 定义：流体摩擦导轨是指两导轨轨面间通入压力油或气体，使动导轨“浮起”，形成液体或气体摩擦的导轨。静压导轨是液体摩擦导轨，是流体摩擦导轨中最常见的一种型式。 优点：液

36、体摩擦状态下的导轨摩擦系数极低，运动功率大大降低，机械效率高；起动、运动、停止时，都能保证处与液体摩擦状态，低速时无爬行现象；不会产生摩擦损失，长期保持导向精度，使用寿命长；油压具有吸震作用，抗震性好；承载能力大，刚度好，承载能力决定与有效载荷面积，供液压力和节流形式等，无论轻载或重载均能够满足要求；工作台运动时液压导轨能起平均效应的作用，工作台运动精度远超过导轨本身的精度对导轨材料性能要求较底。 缺点：静压导轨结构复杂，需要一套严格过滤的液压设备；油膜厚度保持定值比较困难；调整费事且不稳定。 结论：不符合卧式光学计经济合理、简单适用的要求，故不采用此种导轨。4. 滚动摩擦导轨 定义：滚动摩擦

37、导轨是指在运动件和承载之间放置滚动体，从而使导轨面间的摩擦为滚动摩擦。 优点：导轨的摩擦系数小，运动灵活平稳，不易出现爬行现象；定位精度高；润滑简单；摩擦较小，使用寿命长。 缺点：滚柱（或滚针）导轨和滚动轴承导轨等滚动摩擦导轨是线接触或点接触，其抗震性差，接触应力大，而且结构比较复杂，加工比较困难，成本高，对脏物及导轨面的误差比较敏感。 结论：滚动导轨按不同滚动体可分为滚珠导轨、滚柱（或滚针）导轨和滚动轴承导轨。根据上述条件,在这里不考虑滚柱（或滚针）导轨和滚动轴承导轨,我们对滚珠导轨进行讨论分析。滚珠导轨可根据结构分为：图4.2双V形滚珠导轨1) 双V型滚珠导轨（如图4.2所示）， 这种导轨

38、灵敏度高，能承受不大的倾复力矩。但是它的V形角一般取，V型角小（如果取）可以提高导轨精度，但增大了导轨面手的力，对寿命不利。对导轨V型角和的差值要求不严格，工艺性比较好，但是这种导轨承载能力较小，而且易压出沟槽。使导轨表面因疲劳剥落而损坏。因而，这种导轨适用载荷不大，形成较小，而运动灵敏度要求比较高的地方。 为了提高导轨的承载能力和运动精度，可以用和滚珠直径相同的研棒将V型导轨面研出很小的凹槽，以增加接触面积，它已经成功的运用到半导体工艺设 备上。（如图4.3所示）故本设计采用此种导轨。 图4.3V型小圆弧导轨 在计量光学一起中（如小型工具显微镜、投影仪等）使用这种导轨的很多，它的尺寸比较紧凑

39、，滚珠半径和滚道半径比较接近，导轨和滚珠的接触面积较大，接触点的压力较小，变形也较小，承载能力强，寿命长。但是，摩擦力比V型滚珠导轨大，双圆弧导轨的形状复杂，制造比较困难，当精度要求高的时候不容易达到。故本设计不采用这种导轨。3) 四圆柱棒滚到的滚珠导轨 这种导轨由四根耐磨的圆柱棒和滚珠组成。花瓣直线运动时，滚珠在圆柱棒间滚动。由于圆柱棒很容易加工到较高的精度，安装圆柱棒的导轨座时经过仔细的刮研，也可容易保证两圆柱棒安装后的平行性。但是，这种导轨的运动精度和运动的灵敏度都比较高。但是这种导轨的承载能力不大，多选用于较轻便的一起上。 因此，本设计中的测长机为中型机械产品，重量很大，而且不能携带，

40、所以四圆柱棒滚到的滚珠导轨不适合本设计要求，故在本设计中不予考虑。4) V-平滚珠导轨（如图4.4所示）图4.4 V-平滚珠导轨 以上介绍的三种均为过定位，而这种导轨的结构中，一边导轨用V型另一边是平面，既保证了确定运动，由没有过定位，加工和装配都方便。 缺点就是左右两排滚珠中心运动速度,用一个隔离架把这两派滚珠联系起来，就会产生强迫的运动。由于可以研磨，大大提高了生产效率。 因此在本次设计中也将采用这种导轨。 本次设计的要求中，由于卧式光学计的工作台不做精密读数用，主要实现微动运动，根据仪器的结构特点、技术要求精度较高和使用便捷安装方便的原则出发，综合上述各种导轨的优、缺点，决定卧式光学计的

41、工作台设计中V型滚珠导轨和V-平滚珠导轨14。 4.2 卧式光学计工作台位移机构设计工作台位移机构由螺旋传动部分及齿轮传动部分组成。其中螺旋传动部分能够实现工作台的水平移动，齿轮传动部分能够实现工作台的升降运动。 4.2.1 螺旋传动部分螺旋传动是精密机械中常用的一种传动形式。它是利用螺杆与螺母的相对运动，将旋转运动变为直线运动，其运动关系为： （4.1）式中： 螺杆或螺母的位移； 导程； 螺杆和螺母间的相对转角。 4.2.2 螺旋传动的分类 螺旋传动按其在精密机械中的作用，可分为(1) 示数螺旋传动 在传动链中，用以精确地传递相对运动或相对位移的螺旋传动。常用于机床进给、分度机构或测量仪器中

42、的螺旋测微装置。其传动误差直接影响机构的工作精度，因此，对示数螺旋传动的主要要求是传动精度高，空回误差小。(2) 传力螺旋传动 在传动链中用以传递动力的螺旋传动。传力螺旋传动承受的载荷较大，因此要有足够的强度。(3) 一般螺旋传动 在传动链中只做一般驱动用的螺旋传动。对强度、刚度和精度均无较高要求15。螺旋传动按其接触面间摩擦的性质，可分为：(1) 滑动螺旋传动(2) 滚动螺旋传动(3) 静压螺旋传动 4.2.3 各种螺旋传动的特点及型式（一）滑动螺旋传动的特点(1) 降速传动比大 螺杆（或螺母）转动一转，螺母（或螺杆）移动一个螺距（单头螺纹）因为螺距一般很小，所以在转角很大的的情况下，能获得

43、很小的直线位移量，可以大大缩短机构的传动链，因而螺旋传动结构简单、紧凑、传动精度高，工作平稳。(2) 具有增力作用 只要给主动件一个较小的转矩，从动件既能得到较大的轴向力。(3) 能自锁 当螺旋线升角小于摩擦角时，螺旋传动具有自锁作用。(4) 效率低、磨损快 由于螺旋工作面为滑动摩擦，致使其传动效率低（一般30%40%），磨损快，因此不适宜于高速和大功率传动。（二）滑动螺旋传动的型式(1) 螺母固定，螺杆转动并移动这种传动型式的螺母本身就起着支撑作用，从而简化了结构，消除了螺杆与轴承之间可能产生的轴向窜动，容易获得较高的传动精度。缺点是所占轴向尺寸较大（螺杆行程的两倍加上螺母高度），刚性较差。

44、因此适用于行程短的情况16。(2) 螺杆转动，螺母移动 这种传动型式的特点是结构紧凑（所占轴向尺寸取决于螺母高度及行程大小），刚度较大。适用于工作行程较长的情况。(3) 差动螺旋传动 其传动原理如图4.3所示。设螺杆3左、右两端螺纹的旋向相同，且导程分别为和。当螺杆转动角时，可动螺母2的移动距离是： （4.2） 如果与相差很小，则l很小。因此差动螺旋常用于各种微动装置中。若螺杆3左右两段的旋向相反，即螺母2相对1快速趋近或离开。这种螺旋装置用于要求快速卡紧的夹具或锁紧装置中。（三） 滚珠螺旋传动的特点 滚珠螺旋传动除具有螺旋传动的一般特点（降速传动比大及牵引力大）外，与滑动螺旋传动相比较，具有下列特点：(1) 传动效率高，一般可达90%以上，约为滑动螺旋传动效率的三倍。(2) 传动精度高。由于摩擦力小，工作时螺杆的热变形小，