机械式光栅拼接柔性并联机构位置保持性控制研究

发布时间：2020-08-02 17:27

【摘要】：大口径衍射光栅是一种精密的光学元件,广泛应用在国防、天文等重点领域。随着衍射光栅尺寸的增加,制造难度提高、生产周期增长、成本急剧上升,而小口径光栅具有容易制造、成本低、易获得较高质量等优点。在工程实际中,常采用机械式拼接机构,将小尺寸光栅拼接成大尺寸光栅进行应用。在激光打靶工程中,要求光栅长时间保持在同一位置。因此,光栅拼接机构的位置保持性成为了评价装置性能的关键指标,直接影响到靶场光路的稳定性,影响打靶精度。本文对哈尔滨工业大学开发的,机械式光栅拼接柔性并联机构进行综合研究,旨在提高光栅拼接机构的位置保持性,使得机构能在工程应用中保持长时间稳定。本文根据光栅拼接大行程、大负载、高精度和高位置保持性的要求,设计机构形式为5TSP-PPS的柔性并联机构,建立机构的有限元模型。光栅拼接柔性并联机构是力与位移高度耦合的复杂系统,基于有限元仿真软件对机构的运动精度和运动耦合性进行分析。结果显示,机构的运动精度和运动耦合性符合设计要求。结合实验与工程实际应用,从振动稳定性和长时间位置漂移,两个方面分析光栅拼接装置的位置保持性。首先进行模态分析和随机振动分析,研究机构的振动稳定性;然后分析光栅拼接装置长时间位置漂移的原因,提出机构位置保持性闭环控制。运动学分析是研究位置保持性控制的基础,通过空间齐次坐标变换和矢量运算,求出机构位置逆解,建立运动控制模型。应用高精度位置反馈元件感知光栅位姿改变,建立光栅位姿变化与反馈元件测量数据变化之间的位姿监控模型。最后建立整个机构的位置保持性闭环控制,开发控制系统和软件。为验证机构位置保持性控制的有效性,在光栅拼接柔性并联机构样机基础上,安装高精度位移传感器,搭建实验系统对机构的运动精度、位置保持性等性能进行测试。实验结果表明,光栅拼接机构的运动精度和位置保持性能够满足实际应用需求。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74
【图文】：

桁架式,光栅,位姿

如图1-6所示，动光栅利用精密螺纹调整机构调整位姿[21]。2015年重庆大学研制了桁架式拼接装置如图1-7所示[22]，底部用钢球承载光栅的大部分重量，利用三个压电陶瓷驱动器动态调整动光栅的位姿，用三个电容传感器测量动光栅与支撑之间的距离，解算动光栅的位姿。

光栅图,光栅

图1-6 2×2精密阵列光栅拼接装置图 1-7桁架式拼接装置2007年，哈尔滨工业大学研制的光栅拼接装置[23]如图1-8所示，将两块尺寸为300mm×400mm的光栅拼。驱动分为宏动和微动[24]，宏动由步进电机驱动高精密滚轴丝杠，微动利用压电陶瓷促动器驱动平行四边形柔性铰链，可调节动光栅相对于静光栅五个自由度的位姿，现已交付上海光机所进行科学研究。2011年，哈尔滨工业大学采用同样的宏微结合调整机构，研制了将三块光栅拼接的装置[25]，如图1-9所示。两块小光栅尺寸为430mm×350mm在两侧，中间的小光栅尺寸为360mm×350mm，能够实现1120mm×350mm的大光栅功能[26]。

示意图,保持性,相机,国防科技大学

图1-13拼接装置位置保持性检测结果杨雨川等[32]提出了基于CCD相机的远图进行谐波分析，通过激光焦斑在CCD此重新得到每个光栅的相位信息。接着角和位移，用微分值作为反馈量传递给长时间稳定，控制平台[33]示意图及检测图1-14控制平台及位置保持性控制结果

【参考文献】