CN101221273A - 并联式宏微驱动的高精度大口径光栅拼接装置 - Google Patents

Abstract

并联式宏微驱动的高精度大口径光栅拼接装置，它涉及一种高精度大口径光栅拼接装置。本发明可以解决国内无高精度大口径光栅拼接装置的问题。二维运动平台部件(7)固定在基座(6)上，动光栅部件(1)的下端与二维运动平台部件(7)的上端球铰接，定光栅部件(4)固装在基座(6)上，第一X轴直线驱动器(2)、第三X轴直线驱动器(9)、第二X轴直线驱动器(8)由上至下沿X轴方向依次设置在基座(6)上，第一Y轴直线驱动器(3)、第二Y轴直线驱动器(5)由上至下沿Y轴方向依次设置在基座(6)上，每个直线驱动器分别与基座(6)和动光栅部件(1)固接。本发明具有结构紧凑、调整方便、操作灵活、拼接精度高等优点，可以实现大面积的动光栅与静光栅在空间五个自由度方向上的高精度拼接。

Description

并联式宏微驱动的高精度大口径光栅拼接装置

技术领域

本发明涉及一种高精度大口径光栅拼接装置，属于光学机械运动定位技术领域。

背景技术

随着科学技术的高速发展，衍射光栅逐渐获得越来越广泛的应用，对大面积高精度衍射光栅的需求也越来越多。目前，我国陆续开展了同步辐射光束线、激光核聚变、LAMOST天文望远镜及红外太阳塔光谱仪等一些大型科学工程项目，这些项目中都迫切需要研制高质量的大面积的衍射光栅。例如，在我国正开展的激光核聚变项目——“神光”系列工程项目中，利用啁啾脉冲放大技术(CPA)，使得获得更高能量、更高强度的超短脉冲成为可能。在CPA系统中，产生的超短激光脉冲的能量受限于压缩池中光栅的损伤阈值和口径。多层介质膜光栅具有较高的损伤阈值，但是很难实现大口径光栅的制造，因而能否获取大面积衍射光栅已经成为影响该项目成败的关键因素。

目前，直接制造大面积的衍射光栅存在以下问题：一、直接制造大面积的衍射光栅需要研制出高精度大行程的光栅刻划机，实现大面积光栅的制造。这需要投入大量的资金和人力，而且加工周期也很长，难度很大。二、衍射光栅需要在基体上镀膜，并刻划出特定方向的光栅条纹，大面积光栅的镀膜均匀性问题不容易保证。三、由于刻划光栅的总体长度增加，因此加工大面积光栅条纹对刀具的磨损也非常严重。尽管可以采用金刚石刀具进行光栅刻划，但其磨损问题仍然非常严重。另外，直接制造大面积衍射光栅需要光刻机的自动换刀系统具有很高的刀具重复定位精度。这些问题也成为制约大面积光栅制造的重要瓶颈问题。因此，目前直接制造大面积的衍射光栅在经济性、技术保障等方面都是很难实现的。

1990年，意大利学者Mazzacurati和Ruocco通过理论研究表明：通过拼接的方法获得大面积的光栅在理论上是可行的。日本的Hitachi公司于1997年用36块面积为150×150mm的衍射光栅拼接出面积为900×900mm的大光栅，并成功应用于天文仪器上。俄罗斯科学院列宁格勒核物理研究所的S.G.Turukhano等人于1995年利用带有压电微调机构的闭环控制干涉光学系统、精密水平移动滑台、标准参考光栅等设备拼接出光栅常数为1μm、长度(沿色散方向)为1150mm的大面积全息光栅。1995年美国理查德森光栅实验室(Richardson GratingLaboratory)为欧洲南方天文台(ESO)制作了一块840×214×125mm的拼接光栅，并用于其8米大型天文望远镜附属光谱仪上。1999年又为日本国家天文台制造了三块拼接光栅，用于其天文学方向的研究。利用多块小光栅进行拼接的方法已经成为获取大面积光栅的重要途径。

高精度大口径光栅拼接技术是涉及机械设计、精密定位、超精密加工、控制理论、计算机技术等多学科的复杂技术，是国防和民用领域中十分重要的关键技术。国外起步比国内早，并取得了一定的成果，如美国、日本、俄罗斯等国家在光栅拼接技术的研究上走到了世界的前列。但国外的光栅拼接技术在一定程度上对我国实施了技术封锁，这极大地限制了我国获取大面积高精度光栅的总体技术水平。因而，开发用于大口径高精度光栅拼接的装置具有重要的理论和现实意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决国内无高精度大口径光栅拼接装置的问题进而提供一种并联式宏微驱动的高精度大口径光栅拼接装置。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：本发明由动光栅部件、定光栅部件、五个直线驱动器、二维运动平台部件、基座组成；所述二维运动平台部件固定在基座上，所述动光栅部件的下端与二维运动平台部件的上端球铰接，所述定光栅部件固装在基座上，所述五个直线驱动器分别是第一X轴直线驱动器、第二X轴直线驱动器、第三X轴直线驱动器、第一Y轴直线驱动器、第二Y轴直线驱动器，所述第一X轴直线驱动器、第三X轴直线驱动器、第二X轴直线驱动器由上至下沿X轴方向依次设置在基座上，所述第一Y轴直线驱动器、第二Y轴直线驱动器由上至下沿Y轴方向依次设置在基座上，所述每个直线驱动器分别与基座和动光栅部件固接。

本发明的有益效果是：本发明具有结构紧凑、调整方便、操作灵活、拼接精度高等优点，可以实现最大面积(400×400mm)的动光栅与静光栅在空间五个自由度

方向上的高精度拼接。

附图说明

图1是本发明的整体结构的主视方向的正等轴测图，图2是本发明的整体结构的后视方向的正等轴测图，图3是单个直线驱动器的正等轴测图，图4是宏动锁紧件18与锁定垫块22装配在一起的结构示意图，图5是微动柔性铰链部件11的主视图，图6是图5的俯视图，图7是二维运动平台部件7的主视图，图8是图7的俯视图，图9是图7的左视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式由动光栅部件1、定光栅部件4、五个直线驱动器、二维运动平台部件7、基座6组成；所述二维运动平台部件7固定在基座6上，所述动光栅部件1的下端与二维运动平台部件7的上端球铰接，所述定光栅部件4固装在基座6上，所述五个直线驱动器分别是第一X轴直线驱动器2、第二X轴直线驱动器8、第三X轴直线驱动器9、第一Y轴直线驱动器3、第二Y轴直线驱动器5，所述第一X轴直线驱动器2、第三X轴直线驱动器9、第二X轴直线驱动器8由上至下沿X轴方向依次设置在基座6上，所述第一Y轴直线驱动器3、第二Y轴直线驱动器5由上至下沿Y轴方向依次设置在基座6上，所述每个直线驱动器分别与基座6和动光栅部件1固接。

具体实施方式二：结合图1、图3说明本实施方式，本实施方式的每个直线驱动器由柔性连接轴10、微动柔性铰链部件11、丝母座12、宏动丝杠13、宏动步进电机14、柔性连轴器15、轴承座部件16、丝母17、宏动锁紧件18、宏动静直线导轨19、宏动动直线导轨20、驱动器基座21、锁定垫块22组成；所述柔性连接轴10的两端分别与微动柔性铰链部件11和丝母座12相连接，所述宏动丝杠13的输入端穿过丝母座12和丝母17的内螺纹孔及轴承座部件16的轴孔与柔性连轴器15的输出端传动连接，柔性连轴器15的输入端与宏动步进电机14的输出轴传动连接，丝母座12靠近轴承座部件16一侧的外端面与丝母17固接，丝母座12和宏动动直线导轨20均与宏动锁紧件18固接，宏动静直线导轨19沿纵向固定在驱动器基座21上，宏动动直线导轨20装在宏动静直线导轨19上且与其滑动配合，宏动锁紧件18装在锁定垫块22上，宏动锁紧件18与锁定垫块22之间留有间隙，可保证两个零部件之间实现自由运动，锁定垫块22和轴承座部件16均固装在驱动器基座21上，驱动器基座21与基座6固接，微动柔性铰链部件11与动光栅部件1固接。如此设置，由宏动步进电机14带动宏动丝杠13转动，并通过丝母17带动丝母座12移动，从而可以实现宏动锁紧件18沿着宏动动直线导轨20进行移动。当宏动步进电机14的粗调运动完成后，采用锁紧螺钉将宏动锁紧件18与锁定垫块22连接起来。此时，宏动锁紧件18锁定在锁定垫块22上，因为锁定垫块22与驱动器基座21刚性连接，这样使得宏动锁紧件18锁定在驱动器基座21上。五个直线驱动器皆采用该方式同时实现锁紧，此时动光栅的粗调运动结束，可以通过拆除宏动丝杠13、丝母17、轴承座部件16、柔性连轴器15和宏动步进电机14将粗调机构拆除掉，也可以保留粗调装置实现其必要条件下的再次粗调。其它组成与连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式的宏动锁紧件18上设有弧形槽23。这样设计能保证宏动锁紧件18与锁定垫块22两个零部件之间在锁紧时可以产生适当的微变形，实现宏动运动的锁紧。

具体实施方式四：结合图1、图3、图5和图6说明本实施方式，本实施方式的微动柔性铰链部件11由微动柔性铰链24、微动压电陶瓷件25、压电陶瓷座26、压电陶瓷钢球27、柔性铰链紧定螺钉28、压电陶瓷紧定螺钉29、螺母30组成；所述微动柔性铰链24的一端通过压电陶瓷钢球27与微动压电陶瓷件25的一端柔性连接，微动柔性铰链24的另一端与丝母座12相连接，微动柔性铰链24装在压电陶瓷座26上，压电陶瓷座26与动光栅部件1固接，微动柔性铰链24通过压电陶瓷紧定螺钉29与压电陶瓷座26轴向连接，微动柔性铰链24通过柔性铰链紧定螺钉28与压电陶瓷座26沿竖直方向连接，微动压电陶瓷件25的另一端穿过压电陶瓷座26的中心轴孔与螺母30螺纹连接。动光栅在需要调整时，采用宏动步进电机14带动宏动丝杠13转动，通过丝母17和丝母座12带动柔性连接轴10并推动微动柔性铰链部件11实现宏动运动。上述为直线驱动器的宏动运动方式，即为动光栅粗调的运动情况。粗调完成后，需要进行动光栅的精调，精调时，微动压电陶瓷件25驱动压电陶瓷座26并带动动光栅部件1运动，实现微动精调。

柔性铰链紧定螺钉28的功能是：当微动压电陶瓷件25预紧后，实现微动柔性铰链24与压电陶瓷座26的紧定功能；当微动压电陶瓷件25伸长时，微动柔性铰链24被拉伸，微动柔性铰链24将向左侧伸长使得动光栅部件1运动，进而实现光栅的微动调节。同时，由于微动压电陶瓷件25在安装时，由压电陶瓷紧定螺钉29和螺母30共同实现了微动压电陶瓷件25的安装预紧，微动柔性铰链24存在一定的拉伸变形量。因此，当微动压电陶瓷件25收缩时，可以实现微动柔性铰链24的弹性回弹，进而实现微动柔性铰链24左侧缩短，使得动光栅部件1产生反向运动。其它组成与连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：结合图1、图7～图9说明本实施方式，本实施方式的二维运动平台部件7由Y向动直线导轨31、Y向静直线导轨32、钢球33、X向动直线导轨34、X向静直线导轨35、过渡圆板36、钢球托板37、导轨底板38组成；所述X向静直线导轨35与导轨底板38固接，导轨底板38固装在基座6上，X向动直线导轨34装在X向静直线导轨35上且与其滑动配合，X向动直线导轨34的上端面与过渡圆板36的下端面固接，过渡圆板36的上端面与Y向静直线导轨32的下端面固接，Y向动直线导轨31装在Y向静直线导轨32上且与其滑动配合，Y向动直线导轨31的上端面与钢球托板37的下端面固接，钢球托板37的上端面设有球窝，所述钢球33装在钢球托板37的球窝内。如此设置，动光栅的三个转动自由度的坐标原点设置在钢球33的球心位置。在进行

和方向移动时，钢球33不做转动，而使得动光栅整体沿着二维运动平台部件7的两个移动副方向(X和Y)运动。在进行绕X、Y、Z三个方向转动时

此时动光栅整体只绕回转中心转动，而不沿着二维运动平台部件7的两个移动副方向运动。二维运动平台部件7具有导向、支撑直线驱动器的作用，同时还起到承重的作用。这样设置保证了整个并联控制的运动系统精确性，同时实现了方便控制、提高系统运动稳定性的目的。其它组成与连接关系与实施方式一相同。

拼接过程是：首先，将定光栅固定在定光栅部件4上，定光栅的外形尺寸可以根据实际情况进行调整，可以安装400×200mm和400×400mm两种类型尺寸的定光栅。注意：定光栅安装时，要保证定光栅的条纹方向为竖直方向(Z轴方向)。在定光栅条纹方向(Z轴方向)上，动光栅和定光栅之间的相对位置不进行调整，因此光栅拼接时该方向上的运动不做要求。定光栅安装完成后，将动光栅安装到动光栅部件1上，其尺寸大小同样可以根据实际情况进行调整，注意保证动光栅的条纹方向为竖直方向(Z轴方向)。两块需要进行拼接的光栅手工安装到最佳的相对位置。当控制系统通电工作后，此时可以根据衍射条纹或者焦斑分裂的状态决定动光栅需要进行拼接的动作。在动光栅的控制中，系统运动控制的坐标系建立在二维运动平台部件7的球心处，并且设定绕某一个坐标轴旋转运动的正向符合右手螺旋准则的方向。动光栅的五种运动状态如下：

(1)当动光栅的运动姿态需要产生沿X轴正向的平移运动时，此时，第一X轴直线驱动器2、第二X轴直线驱动器8、第三X轴直线驱动器9沿X轴正向进行平移，同时第一Y轴直线驱动器3和第二Y轴直线驱动器5在Y轴负方向上产生微量的补偿位移。反之，当动光栅的运动姿态需要产生沿X轴负向的平移运动时，第一X轴直线驱动器2、第二X轴直线驱动器8、第三X轴直线驱动器9沿X轴负向进行平移，同时，第一Y轴直线驱动器3和第二Y轴直线驱动器5在Y轴负方向上产生微量的补偿位移。

(2)当动光栅的运动姿态需要产生沿Y轴正向的平移运动时，此时，第一Y轴直线驱动器3、第二Y轴直线驱动器5沿Y轴正向进行平移，同时，第一X轴直线驱动器2、第二X轴直线驱动器8、第三X轴直线驱动器9在X轴正方向上产生微量的补偿位移。反之，当动光栅的运动姿态需要产生沿Y轴负向的平移运动时，此时，第一Y轴直线驱动器3、第二Y轴直线驱动器5沿Y轴负向进行平移，同时，第一X轴直线驱动器2、第二X轴直线驱动器8、第三X轴直线驱动器9在X轴正方向上产生微量的补偿位移。

(3)当动光栅的运动姿态需要产生绕X轴正向旋转运动时，此时，第一Y轴直线驱动器3沿Y轴的负方向进行平移，由于第二Y轴直线驱动器5在Z轴方向上相对于第一Y轴直线驱动器3更靠近旋转的圆心(二维运动平台部件7的球心)，因此，第二Y轴直线驱动器5相对于第一Y轴直线驱动器3在Y轴负方向上产生微平移，第一X轴直线驱动器2、第二X轴直线驱动器8、第三X轴直线驱动器9在X轴正方向上产生补偿位移。反之，当动光栅的运动姿态需要产生绕X轴反向旋转运动时，此时，第一Y轴直线驱动器3沿Y轴的正方向进行平移，第二Y轴直线驱动器5在Y轴正方向上产生微平移，第一X轴直线驱动器2、第二X轴直线驱动器8、第三X轴直线驱动器9在X轴正方向上产生补偿位移。

(4)当动光栅的运动姿态需要产生绕Y轴正向的旋转运动时，此时，第一X轴直线驱动器2沿X轴的正向进行移动，第三X轴直线驱动器9和第二X轴直线驱动器8沿X轴的正向进行微量移动。这样使得动光栅绕控制旋转中心实现Y轴的正向旋转。在这种条件下，第一Y轴直线驱动器3和第二Y轴直线驱动器5沿Y轴方向进行补偿位移。反之，当动光栅的运动姿态需要产生绕Y轴反向的旋转运动时，此时，第一X轴直线驱动器2沿X轴的负向进行移动，第二X轴直线驱动器8和第三X轴直线驱动器9沿X轴的负向进行微量移动，第一Y轴直线驱动器3和第二Y轴直线驱动器5沿Y轴方向进行补偿位移。

(5)当动光栅的运动姿态需要产生绕Z轴正向的旋转运动时，此时，第三X轴直线驱动器9沿X正方向上平移，第一X轴直线驱动器2和第二X轴直线驱动器8沿X负方向上平移，第一Y轴直线驱动器3和第二Y轴直线驱动器5沿Y轴方向进行补偿位移。反之，当动光栅的运动姿态需要产生绕Z轴反向的旋转运动时，此时，第三X轴直线驱动器9沿X负方向上平移，第一X轴直线驱动器2和第二X轴直线驱动器8沿X正方向上平移，第一Y轴直线驱动器3和第二Y轴直线驱动器5沿Y轴方向进行补偿位移。

在上述五种运动状态中，五个直线驱动器所产生的补偿位移是指为了实现动光栅的某一个运动姿态而不产生其它方向的耦合位移，直线驱动器所要进行的必要补偿运动。因为动光栅是在五个直线驱动器的并联驱动下工作的，因此，每一个运动姿态都将涉及五个直线驱动器的精确运动，这样才能实现运动位置的解耦控制。在所设计的光栅拼接装置中，除了上述某一个自由度的单独运动之外，两个或多个自由度可以同时运动，实现动光栅的空间姿态调整和运动控制。

Claims (5)

1.一种并联式宏微驱动的高精度大口径光栅拼接装置，其特征在于它由动光栅部件(1)、定光栅部件(4)、五个直线驱动器、二维运动平台部件(7)、基座(6)组成；所述二维运动平台部件(7)固定在基座(6)上，所述动光栅部件(1)的下端与二维运动平台部件(7)的上端球铰接，所述定光栅部件(4)固装在基座(6)上，所述五个直线驱动器分别是第一X轴直线驱动器(2)、第二X轴直线驱动器(8)、第三X轴直线驱动器(9)、第一Y轴直线驱动器(3)、第二Y轴直线驱动器(5)，所述第一X轴直线驱动器(2)、第三X轴直线驱动器(9)、第二X轴直线驱动器(8)由上至下沿X轴方向依次设置在基座(6)上，所述第一Y轴直线驱动器(3)、第二Y轴直线驱动器(5)由上至下沿Y轴方向依次设置在基座(6)上，所述每个直线驱动器分别与基座(6)和动光栅部件(1)固接。

2.根据权利要求1所述的并联式宏微驱动的高精度大口径光栅拼接装置，其特征在于所述每个直线驱动器由柔性连接轴(10)、微动柔性铰链部件(11)、丝母座(12)、宏动丝杠(13)、宏动步进电机(14)、柔性连轴器(15)、轴承座部件(16)、丝母(17)、宏动锁紧件(18)、宏动静直线导轨(19)、宏动动直线导轨(20)、驱动器基座(21)、锁定垫块(22)组成；所述柔性连接轴(10)的两端分别与微动柔性铰链部件(11)和丝母座(12)相连接，所述宏动丝杠(13)的输入端穿过丝母座(12)和丝母(17)的内螺纹孔及轴承座部件(16)的轴孔与柔性连轴器(15)的输出端传动连接，柔性连轴器(15)的输入端与宏动步进电机(14)的输出轴传动连接，丝母座(12)靠近轴承座部件(16)一侧的外端面与丝母(17)固接，丝母座(12)和宏动动直线导轨(20)均与宏动锁紧件(18)固接，宏动静直线导轨(19)沿纵向固定在驱动器基座(21)上，宏动动直线导轨(20)装在宏动静直线导轨(19)上且与其滑动配合，宏动锁紧件(18)装在锁定垫块(22)上，宏动锁紧件(18)与锁定垫块(22)之间留有间隙，锁定垫块(22)和轴承座部件(16)均固装在驱动器基座(21)上，驱动器基座(21)与基座(6)固接，微动柔性铰链部件(11)与动光栅部件(1)固接。

3.根据权利要求2所述的并联式宏微驱动的高精度大口径光栅拼接装置，其特征在于所述宏动锁紧件(18)上设有弧形槽(23)。

4.根据权利要求2所述的并联式宏微驱动的高精度大口径光栅拼接装置，其特征在于所述微动柔性铰链部件(11)由微动柔性铰链(24)、微动压电陶瓷件(25)、压电陶瓷座(26)、压电陶瓷钢球(27)、柔性铰链紧定螺钉(28)、压电陶瓷紧定螺钉(29)、螺母(30)组成；所述微动柔性铰链(24)的一端通过压电陶瓷钢球(27)与微动压电陶瓷件(25)的一端柔性连接，微动柔性铰链(24)的另一端与丝母座(12)相连接，微动柔性铰链(24)装在压电陶瓷座(26)上，压电陶瓷座(26)与动光栅部件(1)固接，微动柔性铰链(24)通过压电陶瓷紧定螺钉(29)与压电陶瓷座(26)轴向连接，微动柔性铰链(24)通过柔性铰链紧定螺钉(28)与压电陶瓷座(26)沿竖直方向连接，微动压电陶瓷件(25)的另一端穿过压电陶瓷座(26)的中心轴孔与螺母(30)螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的并联式宏微驱动的高精度大口径光栅拼接装置，其特征在于所述二维运动平台部件(7)由Y向动直线导轨(31)、Y向静直线导轨(32)、钢球(33)、X向动直线导轨(34)、X向静直线导轨(35)、过渡圆板(36)、钢球托板(37)、导轨底板(38)组成；所述X向静直线导轨(35)与导轨底板(38)固接，导轨底板(38)固装在基座(6)上，X向动直线导轨(34)装在X向静直线导轨(35)上且与其滑动配合，X向动直线导轨(34)的上端面与过渡圆板(36)的下端面固接，过渡圆板(36)的上端面与Y向静直线导轨(32)的下端面固接，Y向动直线导轨(31)装在Y向静直线导轨(32)上且与其滑动配合，Y向动直线导轨(31)的上端面与钢球托板(37)的下端面固接，钢球托板(37)的上端面设有球窝，所述钢球(33)装在钢球托板(37)的球窝内。

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