自動鏡片磨邊機結構設計
摘 要
眼鏡在當今社會應用非常廣泛，和人們的生活息息相關。磨鏡片的機械和裝備的水平對眼鏡行業(yè)的發(fā)展起著決定性作用。全眼鏡制造業(yè)的先進設備,近年來人們對全自動磨邊機的研究更加投入，其性能越來越完善，加工精度越來越高。
本文首先分析了國內外鏡片磨邊機的研究現狀，其次介紹了全自動鏡片磨邊機的工作原理，全自動磨邊機通過改變夾片旋轉機構和砂輪之間的距離來加工鏡片。最后對磨邊機的結構進行設計，主要包括電動機的選擇、掃描機的結構設計和磨邊機的結構設計。掃描機用五個混合式步進電機控制探頭的五個自由度，實現眼鏡鏡片和鏡框的輪廓掃描。對齒輪齒條、絲杠、彈簧等進行了詳細的設計和校核，通過校核說明設計尺寸合格。磨邊機部分也有五個自由度，主要對砂輪軸、軸承和鍵等零件進行了設計和校核，通過校核說明尺寸合格。
此磨邊機具有加工效率高、操作簡便、能加工復雜形狀鏡片的特點，在當今社會中能夠廣泛應用。
關鍵詞：磨邊機；掃描機；眼鏡；軸；軸承
Abstract
Glasses are widely used and link closely with people's life at recent time. The equipment for cutting glasses is very important to the development of glasses manufacturing industry. The automatic machine for edging lens is an advanced equipment which is used in glasses manufacturing industry. In recent years, people are more and more interested in the research of automatic milling machine. Its functions have became more and more advanced as well as its accuracy.
Firstly, this paper analyzed the present research situations of lens machine for edging at home and abroad. Secondly, it introduced the working principle of automatic milling machine. Automatic milling machine processes lenses by changing the distance between the grinding wheel and folded device. Finally, this paper includes the design process of the structure of milling machine, the selection of motors and the structural design of scanners and the milling machine. Scanner controls probe's five degrees of freedom by five hybrid stepping motors to scan the outline of lenses and the frame. It designed and checked the gear and rack, lead screw, spring, etc. in detail, and proves that the designed size is correct by checking. The machine for edging also has five degrees of freedom. This paper mainly designed the wheel axle, bearing and the key, and checks them.
With highly processing efficiency, this milling machine is easy to operate. And it can be used to process the lenses which have complex shape. So it can be widely used in today's society.
Keywords：milling machine; scanner; glasses;axis;bearing
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1 選題的背景和意義 1
1.2 國內外的發(fā)展現狀 1
1.2.1 半自動磨邊機 1
1.2.2模板式磨邊機 2
1.2.3 全自動免制模磨邊機 2
1.3 本論文的主要內容 3
第2章 鏡片的基本概念及鏡片輪廓的數學建模 5
2.1 鏡片的專業(yè)術語 5
2.2 自動加工時鏡片輪廓的數學建模 6
2.2.1 掃描時鏡片輪廓的數學建模 6
2.2.2 自動加工時鏡片輪廓的數學建模 7
2.3 鏡片磨邊機總體結構組成 9
2.4 本章小結 10
第3章 掃描機結構設計 11
3.1 掃描機的工作原理和運動結構規(guī)劃 11
3.1.1 掃描機工作原理 11
3.1.2 掃描機要求實現的自由度分析 11
3.1.3 掃描機運動結構規(guī)劃 12
3.2 掃描機的機構設計 13
3.2.1 電動機的選擇 13
3.2.2 掃描機各個結構運動范圍的確定 14
3.3 掃描機主要部件的設計計算和校核 15
3.3.1 橫向移動機構的設計計算 15
3.3.2 前后移動機構的設計計算 17
3.3.3 升降機構的設計計算 19
3.3.4 旋轉機構的設計計算 21
3.3.5 裝夾機構的設計計算 24
3.4 本章小結 29
第4章 磨邊機的結構設計 30
4.1 磨邊機的工作原理和運動結構規(guī)劃 30
4.2 磨邊機的機構設計 31
4.2.1 電動機的選擇 31
4.2.2 磨邊機各個結構運動范圍的確定 31
4.3 磨邊機主要部件的設計計算和校核 32
4.3.1 砂輪橫向進給機構的設計計算 32
4.3.2 磨邊機其他機構的設計計算 36
4.4 磨邊機加工中最大磨削力的計算 37
4.5 本章小結 39
結 論 40
致 謝 41
參考文獻 42
V
第1章 緒 論
1.1 選題的背景和意義
現在由于人們的工作和學習的壓力越來越大，加上日常生活中不注意對眼睛的保護，導致人們的眼睛視力下降，世界近視人口的數量急劇增加。面對這種情形，人們通常會選擇配戴眼鏡。眼鏡雖然可以讓我們的眼睛再次明亮、清晰，但是不合格的眼鏡會對我們的眼睛造成很嚴重的危害。
眼鏡包括鏡架和鏡片，而鏡片是眼鏡的核心。好的鏡片配上合格的加工才稱得上合格鏡片。眼鏡需求量的增加、人們對眼鏡要求的提高，越來越多的廠商增加了對眼鏡制造業(yè)的投資。隨著科技的推動，鏡片的加工技術有了很大的發(fā)展，已經經歷了三代技術革新。從先前的用砂輪手工磨制發(fā)展到了模板式磨邊機磨制，之后到現在的免模板數控磨制，鏡片的加工精度和效率已經有了很大程度的提高。
我國人口眾多，大約占世界人口的1/5，其中已有大約70%的人是近視，而有66%的人戴眼鏡，由此可見，我國是個眼鏡消費大國。但是，我國眼鏡加工設備的研究和生產卻遠遠落后于發(fā)達國家，目前國內生產的鏡片磨邊機主要是靠模加工的模板式磨邊機。模板式磨邊機在制作前要定制一塊模板，這樣不光增加了加工時間，降低了效率，而且由于人為因素造成得的模板和實際鏡片輪廓之間的誤差，使得鏡片的加工精度降低。為了提高加工質量和效率，很多公司采用全自動免制模磨邊機。目前，國內使用的全自動免制模磨邊機主要依賴進口，進口機器雖然滿足了精度要求，但是增加了成本，而且給設備的維修也帶來了不便。
面對市場對全自動免制模磨邊機的需求，很多企業(yè)試圖研發(fā)，但是由于技術力量薄弱，無力研究開發(fā)出滿足市場需求的磨邊機。為了改善國家鏡片生產設備的現狀，滿足消費者的需求，提高使用者的使用質量，必須加快進行鏡片磨邊機設備的開發(fā)和研究[1]。
1.2 國內外的發(fā)展現狀
鏡片加工具有悠久的歷史，加工設備經歷了半自動磨邊機、模板式磨邊機、全自動免制模磨邊機等三個發(fā)展階段。
1.2.1 半自動磨邊機
早期鏡片的磨制設備之所以被叫做半自動磨邊機，是因為切割鏡片周邊時使用的是工具手“切割棒”，而對鏡片周邊部的形狀采用磨輪手工修整。鏡片形狀的形成主要依靠人的經驗和技術，加工成果的好壞和作業(yè)員的專業(yè)技巧有很大關系。半自動磨邊機受人為因素影響，從而加工鏡片的效率和質量不高。
1.2.2模板式磨邊機
后來出現的模板式磨邊機采用靠模仿形原理，首先在模板機上切割出所需的鏡片輪廓模板，然后再利用模板在高速旋轉的砂輪上磨削出鏡片輪廓。這種磨邊機和之前的“半自動磨邊機”相比，操作簡單，而且提高了鏡片配制的自動化水平，一定程度上改善了工作人員的工作環(huán)境和勞動強度。但是要求制作模板，所以對作業(yè)員的專業(yè)技巧依賴程度依然不減。
1.2.3 全自動免制模磨邊機
大約20年前出現的全自動免制模磨邊機應用了數控技術，這種磨邊機包括兩部分：掃描機和數控鏡片磨邊機。以往倚賴于鏡片加工人員技巧的磨邊機，變成了“計算機控制的磨邊機”。鏡片加工人員技巧的磨邊機，變成了數控控制的磨邊機，所以再也不需要專業(yè)技巧了。
全自動免制模磨邊機是光機電一體化的產物，它涉及了機械設計，嵌入式微控制器技術，光電檢測技術，驅動與執(zhí)行技術，信息技術等多方面的知識。其中機械設計主要是對掃描機、磨邊機游標頭和夾片旋轉機構的結構設計，掃描機在國外已經經歷了兩代，在國內卻從沒設計過。
目前，掃描機基本包括橫向、前后、上下、旋轉四個自由度和裝夾機構五部分。
我國由于在鏡片加工方式的基礎性研究上處于落后狀態(tài)，所以導致對鏡片加工設備的開發(fā)一直停留在對國外低技術含量產品的仿制階段。至今，國內企業(yè)仍然只能生產第2代的靠模鏡片加工設備，對高性能的第3代產品的研發(fā)，依舊處于技術儲備階段。
現階段國內生產的模板式磨邊機，按照控制的概念分類，應該屬于“順序控制”的范圍，即控制計算機只對自動加工中的各種動作的先后次序進行控制，而對運動部件的位移量不進行控制。其位移量的多少是依靠凸輪、模板、限位開關等實現。
日本和西方發(fā)達國家對鏡片加工設備的研究和開發(fā)已經歷了幾十年，它們具備第3代鏡片加工設備的開發(fā)能力。低壓力、高精度的鏡片與鏡架掃描機不僅可以獲得準確的輪廓參數，而且能夠主動對鏡片和鏡架進行識別；其自動磨邊機完全采用嵌入式實時控制系統(tǒng)，可以對不同材料以及不同醫(yī)學參數要求的鏡片進行高精度加工，其中較為出色的產品有日本尼德克生產的LE-9000S和法國依視路公司的鐵達鏡片磨邊系統(tǒng)。中等發(fā)達國家，例如韓國，也已經具備了第3代鏡片加工設備的研究與開發(fā)能力。
在發(fā)達國家，雖然鏡片加工設備的研究已經處于很高的水平，但是對它的研究和開發(fā)仍然炙手可熱。
其發(fā)展趨勢大致可以歸納為以下幾點：高速變頻電機的應用；自適應掃描機的開發(fā)；網絡化衛(wèi)星加工方式的應用；以及相關設備的集成化應用?，F在市場上的磨邊機成品有很多樣子，每個生產廠商都有自己的特點，一些生產廠商生產的產品，如圖1-1,1-2,1-3所示。
圖1-1 磨邊機成品
圖1-2 磨邊機成品
圖1-3 磨邊機成品
1.3 本論文的主要內容
本論文主要進行鏡片磨邊機結構設計，包括以下幾個方面：
1.掃描機的結構設計：掃描機通過對鏡片或鏡架掃描測量得到輪廓數據，為整個系統(tǒng)提供鏡片輪廓的原始參數，所以它在自動磨邊機系統(tǒng)中有很重要的作用。為了實現功能要求掃描機有橫向、前后、上下、旋轉四個自由度和裝夾機構五部分。其中橫向移動和前后移動采用齒輪齒條傳動機構，上下運動采用絲杠螺母機構，旋轉采用齒輪傳動機構。
2.磨邊機游標頭結構設計：游標頭在磨邊機中是對模板起支撐作用，鏡片的大小通過調整游標頭和砂輪的距離來調整。游標頭上下運動的實現是 采用絲杠螺母機構，用步進電機直接驅動絲杠，從而使得與螺母一體的游標 頭上下運動。
3.夾片旋轉機構的設計：夾片旋轉機構在磨邊機中起固定旋轉鏡片的作用，與游標頭的升降運動相配合，從而完成磨邊機的磨削動作。由于夾片旋轉機構進行了改進，所以要對旋轉機構進行校核。首先要計算最大磨削力矩，然后對動力校核和傳動軸校核兩方面進行校核，應該使得輸出力矩大于最大磨削力矩。
第2章 鏡片的基本概念及鏡片輪廓的數學建模
2.1 鏡片的專業(yè)術語
只有了解鏡片的專業(yè)術語才能夠理解鏡片加工的原理，介紹鏡片加工之前先了解一些專業(yè)術語，在這些術語中最常見到的就是球鏡。球鏡是指平行光通過鏡片后交于一點的鏡片。球鏡根外形一般可分為雙凸、平凸、凹凸、雙凹、平凹和凸凹6類，如圖2-1所示，一般鏡片以凸凹和凹凸形的球鏡為主，其主要原因是為了減少鏡片邊緣部分物像清晰度的影響，但對于高度近視和遠視的鏡片則分別以平凹和平凸狀鏡為主。雖然球鏡在各方向上的曲率半徑是相同的，但凸球鏡的表面彎度越大則聚光能力越強；同樣凹球鏡越凹，則分散光線的能力越強。平行光透過球被折射后，在鏡片的主軸上集合成的點F叫焦點，鏡片中心至焦點的距離f稱為焦距，如圖2-2所示。
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
a-雙凸 b-平凸 c-凹凸 d-凸凹 e-平凹 f-凸凹
圖2-1 球鏡種類
(a) (b)
a-凸球鏡焦距 b-凹球鏡焦距
圖2-2 球鏡焦距
除球鏡外，另一種常見鏡片是柱面鏡片，因為柱面鏡的表面形狀和圓柱體的表面一樣，所以又被稱為圓柱鏡片。柱面鏡根據外形的不同被分為平凸柱面鏡和平凹柱面鏡，如圖2-3所示。柱面鏡從垂直方向看，該方向是一條直線。在這個方向上沒有彎曲度，由于柱面的背面也為一平面，所以平行光從垂直方向透射后不會被折射，因此在該方向上屈光度為0。在水平方向上，當平行光通過時，由于兩個面的屈光度不同，所以光線被折射后形成一條焦線，此焦線與柱面鏡的母線平行，如圖2-4所示?？傊R就是指使平行光會聚于兩個互相垂直的焦線上，并含有兩個不相等的屈光度的鏡片。在實際應用中，通常將柱鏡看為一枚球鏡和一枚單散柱鏡的疊加。
(a) (b)
a-平凸柱鏡 b-平凹柱鏡
圖2-3 柱鏡種類
(a) (b)
a-平凸柱鏡焦距 b-平凹柱鏡焦距
圖2-4 柱鏡焦距
2.2 自動加工時鏡片輪廓的數學建模
自動加工中的鏡片輪廓數學模型是通過掃描鏡片輪廓數學模型的坐標變換，再經建立新的加工基準而完成。在介紹自動加工時鏡片輪廓的數學建模之前先介紹一下眼鏡行業(yè)中使用的坐標系和掃描時鏡片輪廓的數學建模。
目前在眼鏡行業(yè)中使用最普遍的軸位標記法為TABO法，它規(guī)定：0°起于每眼的左側，即右眼為鼻側，左眼為顳側，按逆時針旋轉180°終于右側，如圖2-5所示。
圖2-5 TABO坐標系
2.2.1 掃描時鏡片輪廓的數學建模
根據掃描機返回的脈沖方波計數值的不同類型，掃描鏡片輪廓的數學建模公式有兩種。
1.累變遞推法的極徑建模公式
第一次采樣時的極徑為：L1=ΔsF1；
第二次采樣時的極徑為：L2=L1+ΔsF2；
第三次采樣時的極徑為：L3=L2+ΔsF3；
第M次采樣時的極徑為：LM=LM-1+ΔsFM。
L1、L2、L3、LM-1和LM分別為第1、2、3、M-1和M次采樣的極徑值；Δs為單位脈沖方波信號對應的實際移動量；F1、F2、F3和FM分別為第1、2、3和M次采樣時的脈沖方波計數值。所謂脈沖方波即指在每隔一定的旋轉角度時，由掃描機上的旋轉式編碼器根據鏡片輪廓的變化返回非固定頻率的脈沖方波信號，將這些方波信號傳入計數器中進行計數，即可得出在每次采樣時脈沖方波計數的代數值。由累變遞推建模方法得出的幾何輪廓，如圖2-6所示。
圖2-6 累變遞推建模方法下的幾何輪廓圖
2.基圓法極徑建模公式
第一次采樣時的極徑為：L1=ΔsF1；
第二次采樣時的極徑為：L2=L1+ΔsF2；
第三次采樣時的極徑為：L3=L1+ΔsF3；
第M次采樣時的極徑為：LM=L1+ΔsFM。
由基圓建模方法得出的幾何輪廓，如圖2-7所示。
圖2-7 基圓建模方法下的幾何輪廓圖
2.2.2 自動加工時鏡片輪廓的數學建模
為了滿足配鏡者常用視線與鏡片光軸相平行或一致的光學要求，以配鏡者瞳孔在鏡片中的位置處于鏡片光學中心上，為鏡片自動加工時的基準。
1.坐標變換
將TABO法表示的極坐標轉換為常規(guī)的數學極坐標表示形式。轉換原則為：原TABO坐標系下，在0°～180°閉區(qū)間內的角度均加上180°；原TABO坐標系下，在180°～360°閉區(qū)間內的角度均減去180°因此，轉換后的極坐標，如圖2-8所示。
圖2-8 常規(guī)數學極坐標
圖2-9 直角坐標中的幾何輪廓圖
在坐標原點保持一致的前提下，把數學極坐標轉換為直角坐標表示。轉換后的幾何輪廓，如圖2-9所示。圖中直角坐標下X、Y坐標值與常規(guī)極坐標下的極徑值的轉換公式如下：
LMX=LMcos(θM) (2-1)
LMY=LMsin(θM) (2-2)
直角坐標系中，坐標值與角度對應關系，見表2-1。表中角度取值根據掃描機工作方式確定，掃描機第一次采樣位置為常規(guī)極坐標下90°，然后以每隔1.8°采樣。
表2-1 直角坐標值與角度對應關系表
序號
1
2
3
4
5
6
7
8
9
X方向極徑
…
…
Y方向極徑
…
…
角度
90°
91.8°
93.6°
…
180°
181.8°
…
88.2°
2.確定鏡片輪廓加工基準
用比較法找出LMx和LMy的最大、最小值，即max(LMx)、min(LMx)和max(LMy)、min(L/)。由這4個值便得出鏡片輪廓的外接矩形，由已知的鼻梁距值、瞳高值和瞳距值確定鏡片加工基準。左眼加工基準，如圖2-10所示；右眼加工基準，如圖2-11所示。
圖2-10 左眼加工基準圖
圖2-11 右眼加工基準圖
3.數學計算公式
左眼加工基準的數學計算公式：
(2-3)
(2-4)
右眼加工基準的數學計算公式：
(2-5)
(2-6)
加工參數的數學計算公式：
(2-7)
2.3 鏡片磨邊機總體結構組成
全自動免制模鏡片磨邊機(后面簡稱自動磨邊機)包括掃描機和磨邊機兩部分，掃描機通過對鏡片和鏡架掃描測量得到輪廓數據，然后通過通信電纜將數據發(fā)送給鏡片磨邊機。磨邊機對接受的數據進行處理，之后控制磨邊機完成磨削，使得鏡片達到要求。
自動磨邊機的掃描機部分用來掃描鏡片或者鏡架，從而獲得磨邊機的加工參數，掃描機大體分五部分，其中包括橫向移動機構，前后移動機構，上下升降運動機構，旋轉運動和裝夾機構。自動磨邊機的磨邊部分是執(zhí)行機構，是決定所磨鏡片質量的關鍵部分，該部分主要包括磨邊機游標頭和夾片旋轉機構兩部分的設計。
2.4 本章小結
本章首先介紹了有關眼鏡的相關知識，在此基礎上描述了全自動鏡片磨邊機分別在掃描時和加工時對鏡片輪廓的數學建模、兩者之間的相互轉化。通過本章的描述我們可以知道有關眼鏡片的相關術語，數控系統(tǒng)如何對掃描數據進行建模，初步形成磨邊機的總體結構。
第3章 掃描機結構設計
3.1 掃描機的工作原理和運動結構規(guī)劃
3.1.1 掃描機工作原理
掃描機要求在接受到指令后能夠進行眼鏡框的掃描和眼鏡架的掃描，其中包括單鏡架、雙鏡架和單鏡片的掃描。在掃描機接收到指令后，探頭依次經過橫向運動、前后運動、升降運動到達指定位置，然后旋轉一周，并將得到的位置參數傳送給數控中心。
1.鏡架掃描
鏡架掃描有單鏡架和雙鏡架掃描兩種，但是掃描原理和過程是基本相同的。首先，在接收到指令后確定橫向起始位置，然后根據不同的鏡架掃描指令，將掃描機鏡架探頭準確移動到掃描位置并鎖住橫向移動電機，再旋轉掃描機探頭找到掃描角度起始點，緊接著由升降直流電機帶動探頭抬升到鏡架槽的中心位置。這時通過步進電機帶動旋轉機構，使得鏡架探頭在鏡架中心槽中旋轉一周，實現鏡架探頭帶動高精度編碼器運動并最終返回所需的鏡架輪廓參數。當一邊鏡框掃描結束后，掃描系統(tǒng)不復位，將釋放的鏡架探頭在前后移動機構的帶動下回拉到一定位置，并使探頭在自身重力作用下回落到初始位置，然后鎖住旋轉步進電機，以防在橫向移動時產生旋轉起始角的偏差。通過橫向步進電機帶動掃描探頭，準確地移動到另一邊掃描起始位置并鎖定，對另一邊進行掃描。當掃描結束后，掃描機自動恢復到起始狀態(tài)，并傳送掃描數據，從而完成一次鏡架的掃描過程。
2.鏡片掃描
鏡片掃描與鏡架掃描的不同之處不只是鏡架探頭被鏡片探頭替換，更主要的是兩者的動作過程不同。當接收到鏡片掃描指令后，前后移動機構先把鏡片探頭壓至尾部，然后升降直流電機帶動絲杠，推動鏡片探頭抬升到一定高度，再通過橫向運動機構將掃描探頭移動到鏡片掃描位置并鎖住橫向電機。當完成上述動作后，通過前后移動機構的運動釋放鏡片探頭，使得鏡片探頭與被測鏡片緊密接觸，在確定出旋轉起始位置后，通過旋轉機構進行鏡片的一周掃描。完成掃描后，系統(tǒng)自動復位并上傳掃描參數。
3.1.2 掃描機要求實現的自由度分析
掃描單鏡架時先要找鏡架的中心，這就要求掃描探頭有橫向移動和旋轉一周的功能；掃描雙鏡架時由于要進行鏡架間的轉換，從而要求掃描機有升降的功能；掃描鏡片時為了實現和旋轉中心的偏差，要求有前后移動功能；為了將掃描對象固定，完成掃描，從而要求有裝夾機構。
從運動過程的分析中可知，掃描機應該有5個自由度，即探頭的橫向移動、旋轉運動、升降運動、前后移動和裝夾機構的前后移動。
3.1.3 掃描機運動結構規(guī)劃
根據鏡片磨邊機掃描機部分的結構組成及工作原理，掃描機應該有五個運動機構，橫向移動機構、前后移動機構、旋轉機構、升降機構和裝夾機構，下面依次介紹各個組成機構的結構設計。
1.橫向移動機構設計
橫向移動機構的功能是實現掃描探頭的左右運動，從而完成雙鏡框的掃描。橫向移動通過齒輪齒條傳動來實現，由步進電機帶動齒輪轉動，從而實現掃描機的橫向運動，使兩個鏡框之間的轉換得以實現。
2.旋轉機構設計
旋轉機構的功能是實現掃描探頭的旋轉運功，從而完成對被測鏡片或鏡架的一周掃描。旋轉運動采用步進電機帶動齒輪傳動機構來實現，由于電機轉速高，所以采用降速齒輪傳動。
3.前后移動機構設計
前后移動機構的功能是測鏡片時將探頭偏離旋轉中心，這樣旋轉一周測量出極徑的變化。前后移動機構也采用齒輪齒條機構，將旋轉轉化為直線運動，齒輪由步進電機帶動轉動，與橫向移動機構不同的是齒條部分多了一個擋塊，當用掃描機掃描鏡片時，用擋塊和彈簧的相互配合完成測量。
4.升降機構設計
升降機構的功能是實現鏡片、鏡架探頭的上下升降運動，從而滿足鏡片、鏡架探頭與被測鏡片或鏡架的正確接觸以及完成跨鏡架運動。升降運動機構采用齒輪傳動機構和螺母絲杠機構，齒輪機構用來調速，螺母絲杠機構用來將旋轉運動轉化為升降運動。之所以采用螺母絲杠機構而不用齒輪齒條機構是因為齒條機構傳動比較小，而且傳動不如螺母絲杠平穩(wěn)。
5.裝夾機構設計
裝夾機構功能是用來裝夾鏡片或者鏡架，其通過齒輪齒條將夾片之間的距離減小，從而實現夾緊并保證鏡架裝夾后的中心位置。
前后移動機構的功能是測鏡片時將探頭偏離旋轉中心，這樣旋轉一周測量出極徑的變化。前后移動機構也采用齒輪齒條機構，將旋轉轉化為直線運動，齒輪由步進電機帶動轉動，與橫向移動機構不同的是齒條部分多了一個擋塊，當用掃描機掃描鏡片時，用擋塊和彈簧的相互配合完成測量。
升降機構的功能是實現鏡片、鏡架探頭的上下升降運動，從而滿足鏡片、鏡架探頭與被測鏡片或鏡架的正確接觸以及完成跨鏡架運動。升降運動機構采用齒輪傳動機構和螺母絲杠機構，齒輪機構用來調速，螺母絲杠機構用來將旋轉運動轉化為升降運動。之所以采用螺母絲杠機構而不用齒輪齒條機構是因為齒條機構傳動比較小，而且傳動不如螺母絲杠平穩(wěn)。
通過上述的分析描述，掃描機的結構簡圖如圖3-1所示。
圖3-1 掃描機總體結構簡圖
3.2 掃描機的機構設計
3.2.1 電動機的選擇
混合式步進電機是一種兼有反應式和永磁式兩種步進電機優(yōu)點的新型電機，國外主流品種，國內也已大面積取代反應式步進電機成為市場熱點。所以根據設計要求及工作條件，選擇電動機為混合式步進電機。
掃描機的功率和轉矩較小，根據實際掃描時的情況：
估算探頭所需要的轉矩為：
T=F·r=1.5×0.05=0.075N·m (3-1)
估算掃描機所需功率：
P=F·v=1.5×60×π×0.1=28.26W (3-2)
綜合考慮轉矩和功率，選擇型號是42BYG4502。其功率Pd＝36W，額定轉矩為T=0.48N·m，滿載轉速nm＝360r/min。其結構形式，如圖3-2所示。
圖3-2 42BYG4502型混合式步進電機
3.2.2 掃描機各個結構運動范圍的確定
1.探頭運動范圍
探頭橫向移動范圍：
Δx=xmax+d0max=68+50=118mm (3-3)
探頭前后移動范圍：
(3-4)
探頭上下移動范圍：
Δz=L1+5mm=15+5=20mm (3-5)
d0max最大鏡片的d尺寸
y0max最大的鏡框高度
l1測鏡片探頭的長度
余量，5mm，防止探頭移動時撞到彎度大的鏡框。
55≤x≤68；22≤y≤100；0
Cam=0, 螺紋底徑d2=6mm>d2m=4。
絲杠尺寸，見表3-3，絲杠螺母外形，如圖3-5所示：
圖3-5 絲杠螺母外形
表3-3 FF1204-3型絲杠尺寸
序號
1
2
3
4
5
6
名稱
公稱直徑
公稱導程
絲杠外徑
鋼球直徑
絲杠底徑
循環(huán)圈數
尺寸
12mm
4mm
11.3mm
2.381mm
9.5mm
3
名稱
D1
D2
L2
D3
B
D4
尺寸
22mm
22mm
10mm
44mm
8mm
32mm
名稱
D5
D6
h
D7
M
D8
尺寸
4.8mm
8.5mm
5mm
32mm
M2.5
16mm
3.3.4 旋轉機構的設計計算
1.旋轉機構中齒輪傳動的設計
該齒輪傳動比取2，因為小齒輪半徑一定，i如果取較大值則該結構的尺寸過大，如果取較小值則輸出轉矩太小，無法實現要求。
初始數據：P3=54w，n3=360r/min，i=3,T=480N·mm。
(1) 材料的選擇
選擇齒輪的材料如下：
小齒輪材料選用40Cr，調質處理，HBS1=260HBS；
大齒輪材料選用45鋼，調質處理，HBS2=220HBS；
(2) 精度的選用
掃描機為一般工作機，速度中等，可以選用7級精度的齒輪傳動。
(3) 選擇齒輪的參數
小齒輪齒數：z3=23；
大齒輪齒數：z4=i·z3=2×23=46。
(4) 確定許用應力大小
小齒輪應力循環(huán)次數：
(3-35)
大齒輪應力循環(huán)次數：
(3-36)
由查得到接觸疲勞壽命系數ZN3=1.0,ZN4=1.09。
查得：
小齒輪的接觸疲勞強度極限：
(3-37)
大齒輪的接觸疲勞強度極限：
(3-38)
取安全系數得許用接觸應力：
(3-39)
(5) 按齒面接觸強度設計
(3-40)
確定各參數的數值
初選載荷系數：Kt=1.4；
查取齒寬系數：?d=0.4；
[σH]應選取[σH]3、[σH]4中的較小者，所以[σH]=460MPa。
確定傳動尺寸
將數據代入式(3-4)得：
(3-41)
圓周速度：
(3-42)
由圓周速度v及7級齒輪傳動精度得動載荷系數，Kv=1.04；
查得使用系數，KA=1；
查得齒間載荷分配系數，Ka=1.4；
查得齒向載荷分布系數，Kβ=1.2；
載荷系數：
K=KA·Kv·Ka·Kβ=1×1.04×1.4×1.2=1.7 (3-43)
對d3進行修正，即
(3-44)
為安全起見，圓整后取d3=18mm。
確定齒輪的模數
(3-45)
圓整后取m3=0.8mm，則分度圓直徑d3=18.4mm。
(6) 幾何尺寸計算
計算中心距
(3-46)
按中心距圓整為28mm，由于所選電機尺寸結構的限制，中心距a3過小，無法安裝。所以增大i值。取i=3，則：
Z4=69
(3-47)
圓整后取a3=38mm。
按圓整后的中心距修正齒輪齒數
(3-48)
Z3+Z4=95 (3-49)
所以：Z3=23，Z4=72。
i=3.03≤5% (3-50)
符合。
計算大、小齒輪的分度圓直徑：
(3-51)
計算齒寬：
(3-52)
一般b為大齒輪寬度，為了避免安裝時大小齒輪軸向錯位而使嚙合齒寬減小，通常小齒輪的齒寬加大5～10mm。
圓整后取b3=b4+5=12mm、b4=b=7mm。
計算齒輪的其它參數：
da3=d3+2ham3=18.4+2×1×0.8=20mm (3-53)
da4=d4+2ha·m3=47.6+2×1×0.8=49.2mm (3-54)
df3=d3-2m3(ha+c)=18.4-2×0.8×(1+0.25)=16.4mm (3-55)
df4=d4-2m3(ha+c)=57.6-2×0.8(1+0.25)=55.6mm (3-56)
2.旋轉機構中齒輪傳動的校核
按照齒根彎曲疲勞強度進行校核：
(3-57)
(1) 確定各參數：
按Z查得齒形系數和應力校正系數分別為：YF3=2.69,YS3=1.575,YS4=1.68；
小齒輪的彎曲疲勞壽命系數，YN3=0.9；
大齒輪的彎曲疲勞壽命系數，YN4=0.92。
彎曲疲勞強度極限：
(3-58)
取SF=1.25，得：
(3-59)
(2) 驗算齒根彎曲疲勞強度：
(3-60)
彎曲強度足夠。
(3) 驗算：
(3-61)
校驗合格。
3.3.5 裝夾機構的設計計算
1.齒輪齒條的設計計算
(1) 材料的選擇
選擇齒輪的材料如下：小齒輪材料選用40Cr，調質處理HBS1=260HBS；齒條材料選用45鋼，調質處理，HBS2=220HBS，HBS1-HBS2=40HBS。
(2) 齒輪分度圓直徑的初算
考慮到合理使用整個齒輪，在y方向活動范圍應使Δb=nπd5=60mm。
其中：d5為齒輪節(jié)圓半徑；n=1，2，3……
可得： (3-62)
得： d5=19.1、9.55、6.37mm (3-63)
由于齒輪尺寸如果過小，工作時轉的圈數就太多；尺寸過大，會增大掃描機的體積、重量，也會增加材料。所以應該選用合適的直徑，本設計選用d5=10mm，則m5z5=d5=10mm。
(3) 齒輪模數的選擇
為了保證不切齒，齒輪最少齒數應大于17，所以模數
(3-64)
查出m可取0.1、0.12、0.15、0.2、0.25、0.3、0.4、0.5，考慮到掃描機的受力，為防止齒根折斷，模數m應取較大值，考慮到閉式齒輪易發(fā)生疲勞點蝕，模數m應取較小值。綜合考慮，取m5=0.5mm。
(4) 齒輪齒數、分度圓直徑的確定
齒輪齒數
(3-65)
則分度圓直徑d2=8mm。
(5) 齒輪寬度的計算
查得：
(3-66)
所以，b5=?d5d5=4mm。
(6) 齒輪所受圓周力的計算
齒輪受到的轉矩為
, (3-67)
所以夾持力為60N，彈簧最大受力為36N。
(7) 按照齒根彎曲疲勞強度進行校核：
(3-68)
確定各參數：
按Z查得齒形系數和應力校正系數分別為：YF5=2.69,YS5=1.575；
查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數：YN5=0.9；
彎曲疲勞強度極限，σFlim5=590MPa。
取SF=1.25，得：
許用彎曲疲勞強度：
(3-69)
驗算齒根彎曲疲勞強度
(3-70)
彎曲強度足夠。
驗算：
(3-71)
校驗合格。
(8) 對于齒條的設計：
由于受力不大，所以初步選擇齒條厚度h5=5mm，齒條寬考慮到安裝誤差，取齒條寬度b5=b5+6=4+6=10mm。
齒條的許用應力，受力為60N時齒條的拉應力為：
(3-72)
所以齒條厚度h5=5mm適合。
(9) 齒輪齒條幾何參數
齒輪齒條其他參數的計算：
齒頂圓直徑：
da5=d5+2ha·m5=10+2×1×0.5=11mm (3-73)
齒根圓直徑：
df5=d5-2m5(ha+c)=10-2×0.5×(1+0.25)=8.75mm (3-74)
齒條厚度h5=5mm；
齒條寬b5=10mm；
齒條長度，l5=60mm。
齒輪參數，見表3-4。
2.裝夾機構中齒輪齒條傳動的校核
按照齒根彎曲疲勞強度進行校核：
(3-75)
(1) 確定各參數，見表3-4。
表3-4 齒輪幾何參數
序號
1
2
3
4
名稱
分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒數
尺寸
10mm
11mm
8.75mm
20
名稱
齒輪模數
齒寬
齒頂高
齒根高
尺寸
0.5mm
4mm
0.5mm
0.625mm
按Z查得齒形系數和應力校正系數分別為：YF5=2.69，YS5=1.575；
得齒輪的彎曲疲勞壽命系數YN5=0.9；
彎曲疲勞強度極限：σFlim5=590MPa；
取SF=1.25，得：
(3-76)
(2) 驗算齒根彎曲疲勞強度：
(3-77)
彎曲強度足夠。
(3) 驗算：
(3-78)
校驗合格。
3.夾片旋轉機構彈簧的設計
(1) 材料的選擇
該彈簧屬于Ⅱ類彈簧，彈簧材料可選用Ⅱ類淬火—回火碳素彈簧鋼絲。試選彈簧直徑d=1mm、2mm兩種尺寸。
(2) 計算彈簧直徑
試選彈簧絲直徑：選取1mm或者2mm；
彈簧絲中徑，D2=D-d=10-1；
彈簧指數，=9，查?。篊=9；
曲度系數K；
(3