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大口径光栅机械拼接机构的关键特性分析

【摘要】: 高精度大口径光栅是天文物理学以及激光核聚变等领域必不可少的元件。近年来,随着相关领域的快速发展,对其面积要求已达到了1m2甚至更大。应用光栅拼接技术是获取大口径光栅的有效方法,其技术难点在于动、静光栅间相对位置及角度精度的保证,这就要求拼接机构能够实现纳米级的调整精度,并具有较高的稳定性。 本文基于主动控制的机械式拼接方法,利用通用大型有限元软件ANSYS对5自由度调整的大口径光栅拼接机构进行了详细的理论分析和实验研究。首先采用有限元方法对5自由度光栅拼接机构的关键部件——驱动机构,进行了详细的力学特性分析,分析了柔性铰链和柔性轴的主要设计参数对光栅拼接机构性能的影响,实现了驱动机构的优化设计;其次,建立整个拼接机构的有限元模型,考察接触和运动环节的影响,通过对拼接机构的模态计算,得到了系统的低阶固有频率和振型,不仅为高刚度、高稳定性调整机构的设计提供理论支持,也为控制系统的实现提供了准确的数据。再次,采用几何解析方法求解光栅拼接机构的驱动耦合方程,建立了光栅调整参数和驱动机构驱动量之间的理论关系矩阵,为拼接机构的解耦提供了理论依据。最后,应用有限元方法对光栅拼接机构的驱动系统进行了运动仿真,得到包含了耦合效应和变形的光栅调整参数和驱动机构驱动量之间的关系。 对两块200mm×400mm的大口径光栅进行了拼接实验,结果表明子光栅间相对位置及角度调整精度达到了纳米量级,并且拼接机构具有较高的稳定性,能够满足工程实际的需要。

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