高精度手动调节升降机构

武江伟

（北京清大天达光电科技股份有限公司太原分公司，山西 太原 030000）

1 设计背景

在激光焊接机中，利用振镜控制光路来焊接工件，由于存在环境温度湿度或者震动等原因，振镜与工件的角度和工作距离会产生微量偏差，超过0.01mm，会对激光光路产生影响，所以振镜支撑需增加手动升降调节机构来保证工作时的机械精度[1]。

图1 手动升降调节机构

2 设计计算过程

通过对各种传动结构特点的分析比较决定才用M14*1细牙螺纹杆与螺母的传动方式；以导轨滑块为导向。

图2 M14*1细牙螺纹杆与螺母的传动结构图

表1 传动方法及特点

（1）因为每次需要调整的升降高度最小为0.01mm，所以增加百分表来便于观测调节数值。百分表量程10mm，最小刻度0.01mm。

（2）判定螺纹自锁条件：螺纹升角ψ的正切值＜静摩擦系数f，即 ：tanψ＜f；

tanψ=螺距/π*螺纹中径=1/3.14*14=0.022；

因为螺杆材料为40Cr，螺母材料为45#钢，由图3[1]得钢对钢有润滑条件下的静摩擦系数f=0.1；

螺纹升角ψ的正切值0.22＜静摩擦系数0.1；所以此升降机构具备自锁条件。

图3 常用机构材料摩擦因数

（3）调节时所需扭力计算：

螺杆升降扭矩 T=Fa/2π*n=(μmg+mg)*a/2π

=(0.1*15*9.8+15*9.8)*1/2*3.14

=25.75*10-3Nm

所需扭力F=T/r=25.75*10-3Nm/0.03m=0.83N。

（4）为了防止螺杆与螺母之间的背隙，增加螺纹间隙锁紧手柄来保证升降精度。

（5）通过调整水平螺钉调振支座与立柱接触面4个角的距离来保证振镜和工件之间的平面度

3 有限元分析

设计任何机器都必须进行力学计算，即求得零件所承受的应力和应变等，视其是否能够满足服役要求。

高精度手动调节升降机构中负载及支撑机构都依附连接在背板上，所以背板的设计一定要保证强度、刚度及稳定性；变形量误差要小于0.01mm。

通过对背板进行受力分析，然后通过Soildworks软件建立模型，并施加相应载荷：

图4 背板受力软件模型

得到图5、6：

图5 背板的等效应力

图6 位移变形图

背板材料是Q235-A，其屈服强度是235MPa，经过分析零件的最大等效应力值2.884MPa远小于材料Q235-A的许用应力，最大位移变形量为0.002mm，小于要求的0.01mm。所以背板力学性能符合设计要求。

高精度手动调节升降机构的机械设计不止这一种方法，还应该从现实工作中积累经验，争取设计出更好更合理的结构。