直于导轨方向载荷距离载物台中屯、的距离（mm)。
[0088] 可得重力施加时，各滑块受力情况为：
[0089] P'I=P' 2=P' 3=P' 4= 150k邑
[0090] 当X轴在加速或减速过程，导轨还将承受由载荷惯性力作用所产生的扭矩，如图6 所示。惯性力作用下每个滑块受力情况可通过构建转矩平衡方程得到：
[0091] P" 1=P" 3= 12化邑；P" 2=P" 4=-125kg
[0092] 最后将两种情况每个滑块的受力进行矢量合成，得到每个滑块所受合力为：
[0093] Pi= Ps=P'i+P，，i=P' 3+P，，3= 150+125 = 27化邑
[0094] Pz= ?4二P' 2+P"2=P' 4+P"4= 150-125 = 2化邑
[0095] 加速阶段1号和3号轴承受力最大，由于运动过程加速度的对称性可知，减速阶段 2号和4号滑块受力最大，因此W四个滑块的最大受力来估计其寿命。
[0096] 如图7导轨寿命估计曲线，若滑块始终在最大载荷下运行，可连续工作40万km。 实际上，仅在加减速阶段达到最大载荷，故其寿命会增长。此处需要说明的是，由于考虑到 若气动系统出线故障不能正常提供支撑时，X轴能够独立承受负载自重，W上分析均未施加 四角的气浮支撑。正常工作中采用气浮支撑，起到卸载作用，其寿命会显著增长。 阳097] 2龙口结构校核及优化：
[0098] 龙口结构是整个平台体积、质量最大，且运动速度要求最快的部件，为了保证其稳 定安全地工作，对其进行校核及优化是十分必要的。
[0099] 通过直观判断，两侧立柱刚度较大，且所受载荷较小，而承重板承受载荷较大，变 形主要发生在承重板上，故W下将对承重板进行分析。在设计初期，承重板选用40mm厚 7075侣合金，采用有限元分析软件ANSYSWoriAench对其进行形变分析。对承重板与导轨 滑台接触面施加六自由度位移约束，对两侧立柱接触面各施加150kg的法向压力，获得Z向 位移云图，其最大位移处于两端，为72. 5ym，形变较大。后采用2化13材质，通过分析发现， 其Z向最大位移为34. 5ym，形变得到显著降低。由于结构限制，承重板不能做得很厚，因此 在相同厚度下选择2化13较7075合适。但是材料的改变导致承重板自重增加了一倍多，需 进行减重处理。经减重的承重板其Z向最大位移为40.Siim，属于可接受范围。采用Ansys WoriAench有限元分析软件仿真结果如图8、9和10所示的不同材料的承重板形变仿真图。
[0100] 承重板的上方和下方两侧均有可利用空间，因此通过在适当位置布置合理走向的 加强筋的方式对承重板进行进一步结构优化。在下面两侧增加宽20mm厚40mm的加强筋后， 其Z向变形为21.6ym。在上下面两侧均增加加强筋后，其Z向变形为17.9ym。考虑变形 可接受程度W及加工成本，最终选择只在下面两侧增加加强筋。如图11单侧增加加强筋形 变的承重板形变仿真和图12双侧增加加强筋形的承重板形变仿真变所示。 阳101] 承重板的设计与优化之后，将龙口结构进行组装。对龙口结构静止状态只受重力 作用下的应力和额定加速度下的状态下的应力进行仿真，两种情况的最大应力均产生在承 重板上，分别为13. 5MI^和18. 4MPa，如图13和14所示，远小于2化13的应力极限。W上仿 真分析均未施加四角的气浮支撑，若气动系统出现故障不能正常提供支撑时，承重板能承 受龙口结构的自重。正常工作中采用气浮支撑，其Z向最大位移及最大应力可W进一步降 低。
【主权项】
1. 大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置，其特征 在于，该装置包括X轴运动单元、龙门架、Y轴运动单元和承载框体（9); X轴运动单元包括X轴伺服电机（1)、X轴移动导轨（2)、气浮垫（3)和承重板（4) ;X轴 伺服电机（1)固定在带动X轴移动导轨（2)框架的一端，X轴伺服电机（1)带动X轴移动 导轨（2)在X轴方向直线移动，X轴移动导轨（2)上设有导轨滑台，承重板（4)固定在所述 导轨滑台上，X轴移动导轨（2)带动导轨滑台移动，多个气浮垫（3)均匀设置在承重板（4) 的下侧，用于卸载承重板（4)的向下的压力； 龙门架包括两根立柱（10)、Y轴伺服电机（12)、顶盖（13)、龙门竖板（14)、龙门横板 (15)和龙门肋板（18); 两根立柱（10)和龙门横板（15)构成龙门架结构，龙门横板（15)的两个长边的上表面 固定有两块龙门竖板（14)，所述龙门竖板（14)为梯形板，龙门肋板（18)为下侧开口的U型 框，两块龙门竖板（14)、龙门肋板（18)和龙门横板（15)围成密闭结构； Y轴运动单元包括两根Y轴运动导轨（11)和Y轴伺服电机（12); 两根Y轴运动导轨（11)分别固定在两根立柱（10)的内侧，两根Y轴运动导轨（11)的 内侧均固定有导轨滑台，Y轴伺服电机（12)带动其中一根Y轴运动导轨（11)上下移动，承 载框体（9)的左右两个边框均固定在两根Y轴运动导轨（11)的导轨滑台上，承载框体（9) 的左右两个侧板的内侧均固定有一个夹具锁紧块（16)。2. 利用权利要求1所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行 程快速移动装置，其特征在于，X轴运动单元还包括钣金箱体上盖（5)、钣金箱体下槽（6)和 出线箱（7); 钣金箱体下槽（6)固定在X轴移动导轨（2)的两侧，钣金箱体上盖（5)扣在X轴移动 导轨（2)和钣金箱体下槽（6)上，钣金箱体上盖（5)与钣金箱体下槽（6)之间为走线槽，出 线箱（7)设置在钣金箱体下槽（6)的外侧，出线箱（7)的出线口对准所述走线槽。3. 根据权利要求1或2所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维 大行程快速移动装置，其特征在于，承载框体（9)上设有两个限位块（17)，所述两个限位块 (17)均固定在承载框体（9)下框板的上侧，所述个限位块（17)用于限定待修复器件的位 置。4. 根据权利要求1或2所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大 行程快速移动装置，其特征在于，承载框体（9)下侧固定有肋板（19)。5. 根据权利要求1所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行 程快速移动装置，其特征在于，承重板（4)的材料为2Crl3。6. 根据权利要求1所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行 程快速移动装置，其特征在于，X轴移动导轨（2)的行程为1500mm。7. 根据权利要求1所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行 程快速移动装置，其特征在于，Y轴运动导轨（11)的行程为500_。
【专利摘要】大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置,涉及一种二维大行程快速移动装置。解决了现有光学元件进行激光修复过程中二维大行程快速移动装置三工位的移动速度慢和多次装夹带来的安装误差等问题。X轴伺服电机带动X轴移动导轨在X轴方向直线移动，承重板固定在导轨滑台上，两根立柱和龙门横板构成龙门架结构，两块龙门竖板、龙门肋板和龙门横板围成密闭结构；两根Y轴运动导轨分别固定在两根立柱的内侧，Y轴伺服电机带动其中一根Y轴运动导轨上下移动，承载框体的左右两个边框均固定在两根Y轴运动导轨的导轨滑台上。本发明适用于大口径曲面光学元件表面微缺陷修复使用。
【IPC分类】G01N21/01, B23K26/08, B23K26/352
【公开号】CN105127591
【申请号】CN201510556900
【发明人】陈明君, 赵林杰, 廖然, 郑万国, 李省伟, 袁晓东, 王海军
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月2日