光栅拼接装置微位移机构的研究

论文摘要

衍射光栅是一种精密的分光元件,是各种光谱仪器的核心器件。目前,天文物理学以及高能激光脉冲等研究领域所需的光栅已达到了米量级。因此,大口径光栅的制备十分迫切,大口径光栅的研制也一直是国际光栅领域的重大课题之一。由于直接制作单块大面积光栅存在诸多技术上的困难,而且制作成本昂贵、加工周期长,需要探索采用其他方法来获得大面积光栅。最常见的是采用多块光栅进行拼接或者全息拼接技术获得。要达到光栅拼接的高精度要求,就要设计出能够进行高精度调整的拼接装置。本文在国内外拼接光栅已取得成果的基础上,介绍了我校研制的以微位移机构为核心的光栅拼接装置,并对微位移拼接调整的实现进行了全面的研究。首先,回顾了国内外光栅拼接的现状及采用的调节机构,介绍了微位移机构的发展及控制现状,设计了应用于光栅拼接的基于压电陶瓷驱动柔性铰链的微位移机构;分析了压电陶瓷微位移驱动器的性能,进行了闭环控制系统设计以降低压电误差对运动精度的影响;研究了微驱动模块的预紧和位移特性。其次,在分析并联机构的位姿描述及空间变换的基础上,给出了所设计微位移机构的位置反解和控制算法,并通过运动学仿真验证了二者的可行性和效果;对光栅拼接的控制系统做了整体规划。最后,建立了可行的实验方案,进行光栅拼接实验。实验结果表明,微位移机构转动调整精度可达2μrad,平动的调整精度为50nm;由微位移机构进行驱动调整的光栅拼接装置可以实现高精度的光栅拼接,拼接好的两块小光栅具有一块大光栅的使用性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 光栅拼接技术的发展与现状
• 1.2.1 光栅拼接在国外的发展与现状
• 1.2.2 光栅拼接技术在国内的发展与现状
• 1.3 微位移机构的研究现状
• 1.4 本文的研究内容及主要工作
• 第2章 微位移机构设计
• 2.1 光栅拼接装置
• 2.2 微位移机构的结构设计
• 2.3 微位移机构驱动模块设计
• 2.4 压电陶瓷驱动器性能分析
• 2.4.1 压电陶瓷驱动器的原理及结构
• 2.4.2 压电陶瓷驱动器基本特性
• 2.4.3 压电陶瓷控制技术
• 2.4.4 压电陶瓷微位移器的控制系统设计
• 2.5 微位移驱动模块的研究
• 2.5.1 实验装置设计
• 2.5.2 微位移驱动模块的预紧
• 2.5.3 微驱动模块的位移特性研究
• 2.6 本章小结
• 第3章 微位移控制系统研究
• 3.1 并联机构位姿描述及空间变换
• 3.1.1 位置与姿态的描述
• 3.1.2 空间齐次坐标变换
• 3.2 微位移机构的位置反解和控制算法
• 3.3 微位移机构的运动学仿真
• 3.4 微位移机构的控制方案
• 3.4.1 控制系统的整体规划
• 3.4.2 人机交互界面的功能设置
• 3.5 本章小结
• 第4章 光栅拼接实验
• 4.1 实验系统的组成及实验方法
• 4.2 光栅拼接精度的检测
• 4.2.1 三维转动精度的检测
• 4.2.2 二维平动精度的检测
• 4.3 拼接实验
• 4.4 光栅拼接的稳定性实验
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历