大口径光栅拼接装置的结构分析及运动精度研究

论文摘要

当今,在天文观测、约束性激光核聚变等科研国防的尖端领域,大口径衍射光栅得到了广泛的应用。研究如何获得大口径衍射光栅现已成为包括中国在内的各国光栅学者的重要课题方向。利用拼接法制取大口径衍射光栅有其明显的优势,其技术关键在于如何保证拼接光栅的位置精度及调整精度,这对所设计的拼接装置提出了非常高的运动精度和机构稳定性要求。本文基于光栅拼接装置的技术难点对高精度大口径光栅拼接装置进行设计及深入研究。首先,设计应用于三块光栅拼接的拼接机构及拼接后大光栅整体的四自由度位姿调整机构,这两部分构成高精度大口径光栅拼接和调整装置。其次,建立拼接机构的有限元模型,考察刚性部件和柔性部件对机构力学性能的影响,在该模型的基础上对拼接机构进行静态和动态特性分析(各阶模态等),为控制系统提供数据参考。再次,应用几何解析法建立五维拼接机构的运动耦合方程,求得动光栅调整量与控制系统驱动量之间的理论关系式,利用有限元法对光栅拼接机构进行运动仿真,进行运动精度研究;利用串联机构运动学分析整体调整机构的位姿描述和空间变换以及该机构的位置反解和控制算法,并对控制链进行分析,得出各自由度运动控制函数关系。最后,分别对五维拼接机构和整体位姿调整机构进行相关测试实验,考察设计的合理性和验证理论研究的准确性,验证该装置是否符合相关技术要求,能否满足工程实际的需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 光栅拼接技术的发展及现状
• 1.2.1 光栅拼接技术在国外的发展及现状
• 1.2.2 光栅拼接技术在国内的发展及现状
• 1.3 有限元分析简介
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 光栅拼接调整装置的结构设计及分析
• 2.1 引言
• 2.2 光栅拼接调整装置的技术要求及基本设计思想
• 2.2.1 光栅拼接调整架尺寸要求
• 2.2.2 光栅拼接调整架调整精度要求
• 2.2.3 光栅拼接调整装置的基本设计思想
• 2.3 光栅拼接调整装置的结构方案设计
• 2.3.1 光栅拼接机构方案设计
• 2.3.2 整体位姿调整机构方案设计
• 2.4 光栅拼接机构的有限元分析
• 2.4.1 光栅拼接机构的有限元建模
• 2.4.2 光栅拼接机构的静态特性分析
• 2.4.3 光栅拼接机构的模态分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 光栅拼接调整装置的运动精度分析
• 3.1 引言
• 3.2 光栅拼接机构的运动精度分析
• 3.2.1 微驱动系统最小驱动力和压电陶瓷预紧力
• 3.2.2 光栅拼接机构的解耦分析
• 3.2.3 光栅拼接机构的有限元运动仿真
• 3.3 整体位姿调整机构运动控制分析
• 3.3.1 机构位姿描述及空间变换
• 3.3.2 电机及精密丝杠的选型
• 3.3.3 控制量关系函数
• 3.4 本章小结
• 第4章 光栅拼接调整装置的运动精度检测实验
• 4.1 微驱动模块研究
• 4.1.1 微驱动模块设计
• 4.1.2 微驱动模块位移特性测试实验
• 4.2 光栅拼接调整装置控制方案
• 4.2.1 光栅拼接调整控制
• 4.2.2 整体位姿调整控制
• 4.3 五维拼接机构和整体位姿调整机构测试实验
• 4.3.1 实验系统的组成
• 4.3.2 拼接机构测试
• 4.3.3 整体调整机构测试实验
• 4.4 光栅拼接调整误差讨论及解决措施
• 4.4.1 光栅拼接机构误差讨论
• 4.4.2 整体位姿调整机构误差讨论
• 4.4.3 提高运动精度的措施
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢