大面積高精度衍射光柵刻劃機結(jié)構(gòu)優(yōu)化與控制研究.pdf

1、大面積高精度衍射光柵是大型空天地觀測儀器的核心光學(xué)器件，由于其大尺寸高精度的要求，機械式刻劃是其唯一的制造方式。光柵刻劃機的整體精度要求極高，而機械結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)是其精度的決定性因素，二者關(guān)系緊密，不可分割，因此機械結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)也就成為了光柵刻劃機研究的核心，進行光柵刻劃機結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論和控制理論的研究也是提高光柵刻劃機制造技術(shù)水平的關(guān)鍵。隨著各項大型天文物理項目的不斷開展，對大面積高精度的衍射光柵制造精度提出了更高的要求。光柵刻線密度

2、、刻線質(zhì)量（直線度、槽型）由光柵刻劃機定位精度和刀尖軌跡直接決定。因此，定位精度和刀尖軌跡是影響光柵光學(xué)性能的主要因素。本論文以衍射光柵刻劃機作為實驗和應(yīng)用對象，對影響其精度的核心——刻劃系統(tǒng)和分度系統(tǒng)兩方面進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制研究。
　　 由于光柵刻劃機的零部件的加工精度要求高、制造難度大、周期長且造價昂貴，無法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中反復(fù)進行樣機的試制，因而需要采用基于CAD/CAE集成技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計手段進行光柵刻劃機結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究。

3、首先探索了基于Parasolid的CAD參數(shù)化設(shè)計方法、CAE技術(shù)特點，同時研究CAD/CAE集成技術(shù)和設(shè)計模式，結(jié)合以上理論提出一個開發(fā)效率高，可移植性和可擴展性很強的通用CAD/CAE集成軟件框架系統(tǒng)。同時為了進行機械結(jié)構(gòu)CAE分析以及優(yōu)化工作，著重分析光柵刻劃機的刻劃系統(tǒng)和分度系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)，基于CAD參數(shù)化建模技術(shù)建立了光柵刻劃機整體虛擬樣機模型，并進行了光柵刻劃的運動學(xué)仿真研究。
　　 光柵劃機機作為典型的超精密光機電一

4、體化機械系統(tǒng)，其設(shè)計與優(yōu)化需要一個綜合的性能分析作為指導(dǎo)，本文中研究了光柵成像理論、計算傅里葉光學(xué)理論以及有限元模態(tài)分析，將其結(jié)合用于光柵刻劃機刻劃系統(tǒng)的振動問題分析，找出了刻劃系統(tǒng)造成刻線誤差的主要因素——刀架導(dǎo)軌的振動，并提出結(jié)構(gòu)的改進和優(yōu)化方案，取得了良好的優(yōu)化效果。
　　 考慮到分度系統(tǒng)定位工作臺的結(jié)構(gòu)特點和精度要求，開展了基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化理論研究工作，為了提高多目標(biāo)優(yōu)化的準(zhǔn)確性，提出了基于Pro/E-Matla

5、b集成優(yōu)化技術(shù)的集成優(yōu)化平臺，運用Pro/E平臺進行精確的實體模型CAE分析，基于分析結(jié)果在Matlab平臺進行多目標(biāo)最優(yōu)解搜索，以光柵刻劃機分度系統(tǒng)定位工作臺為實例進行了多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過仿真實驗驗證了優(yōu)化平臺的正確性。
　　 最后進行了光柵刻劃機分度系統(tǒng)的控制研究以及刻線誤差分析，從狀態(tài)空間角度分析了光柵刻劃機控制模型可控性和可觀性，提出將基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制方法用于光柵刻劃機定位系統(tǒng)控制，并進行控制實驗調(diào)試，最終