关键词：光栅拼接;;并联机构;;运动精度;;位置保持性;;位姿监控;;闭环控制
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。
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