光柵刻劃機(jī)導(dǎo)向?qū)к壷谓Y(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)

姚雪峰， 糜小濤， 宋 楠

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所， 吉林 長春 130033)

光柵刻劃機(jī)導(dǎo)向?qū)к壷谓Y(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)

姚雪峰， 糜小濤， 宋 楠

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所， 吉林 長春 130033)

運(yùn)用有限元手段對刀橋?qū)к壍膭偠冗M(jìn)行了有限元分析，得到了剛度方面的分析結(jié)果和模態(tài)分析結(jié)果,并在不同位置加40 N載荷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，對原有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體式結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。有限元分析結(jié)果表明,刀橋底座剛度有了大幅度的提高，一階頻率由原來的690.26 Hz提高到998.73 Hz，一階振型的方向也從直接影響刻劃的水平方向變?yōu)閷虅澆幻舾械拇怪狈较颉?/p>

光柵刻劃機(jī)； 剛度； 有限元分析； 模態(tài)

0 引 言

光柵制造技術(shù)是當(dāng)今世界上能與芯片制造技術(shù)等科技前沿相媲美的最為精密的相關(guān)工程技術(shù)之一[1]。進(jìn)入21世紀(jì)后，高精度光柵尤其是高分辨率中階梯光柵成為光譜技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的新熱點(diǎn)[2]。中階梯光柵光譜儀的應(yīng)用領(lǐng)域不僅從天文觀測逐步走向民用化，而且在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也達(dá)到了戰(zhàn)術(shù)水平，例如冶金、物探、食品檢測、戰(zhàn)場快速生化分析等[3]。作為現(xiàn)代高精度光譜儀器的核心元件，中階梯光柵的制造能力已成為光譜儀器技術(shù)的關(guān)鍵[4]。

目前衍射光柵母版主要由以下兩種方法制成[5]：第一種是在光柵刻機(jī)上用帶金剛石刀頭的刀具在覆蓋玻璃基底的鋁膜上擠壓出溝槽的機(jī)刻方法;另一種是利用兩束激光形成干涉條紋的全息方法。目前全息方法制作光柵應(yīng)用場合相對較多，具有工藝簡單、周期短等優(yōu)點(diǎn)。但在一些需要低刻槽密度的場合或者要求工作波長高于1.2 mm的紅外波段，機(jī)刻光柵仍發(fā)揮著全息光柵不可替代的作用。因此，能夠制造并擁有一臺高精度光柵刻機(jī)既能體現(xiàn)一個國家科學(xué)技術(shù)的發(fā)展程度，又是科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可缺少的一個重要手段。

國外具有代表性的光柵刻機(jī)有美國麻省理工學(xué)院(MIT)研制的MIT-B機(jī)(1961年)、MIT-C機(jī)(1966年)以及日本日立公司的光柵刻機(jī)(1992年)，全球各類商用中階梯光柵光譜儀以及2～10 m高分辨率天文觀測光譜儀的中階梯光柵都出自上述3臺刻機(jī)。國內(nèi)方面中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所自上個世紀(jì)50年代末開始陸續(xù)研制出1號、2號、3號、4號以及5號機(jī)，并成功刻制出一些具有實(shí)用性能的小面積光柵，目前正在積極研制具備刻制大面積、高品質(zhì)光柵能力的光柵刻機(jī)[6]。上述光柵刻機(jī)最主要的共同點(diǎn)是都采用了分度與刻劃相互獨(dú)立的二維運(yùn)動技術(shù)方案，即光柵刻線的長度方向與刻線間距分別由具有獨(dú)立自由度的兩個系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，其中光柵刻線長度方向的直線性誤差將直接影響光柵的衍射波前質(zhì)量。為了保證光柵刻線長度方向上的直線性，不僅需要刻劃系統(tǒng)的導(dǎo)向組件具有較高的導(dǎo)向精度，而且還需要作為定位基準(zhǔn)的支撐結(jié)構(gòu)具有較好的導(dǎo)向剛度。文中以保證刻劃系統(tǒng)運(yùn)動的直線性為出發(fā)點(diǎn)，詳細(xì)介紹了正在研制的刻機(jī)刻劃系統(tǒng)導(dǎo)向?qū)к壍闹谓Y(jié)構(gòu)和工作原理，并對其導(dǎo)向剛度進(jìn)行了分析和測試，在此基礎(chǔ)上對導(dǎo)向?qū)к壍闹谓Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新優(yōu)化和設(shè)計(jì)，最后通過精度檢測試驗(yàn)對改進(jìn)后的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜合性能測試。

1 刻劃系統(tǒng)的導(dǎo)向?qū)к壷谓Y(jié)構(gòu)及剛度分析

1.1刻劃系統(tǒng)導(dǎo)向?qū)к壷谓Y(jié)構(gòu)

刻劃系統(tǒng)導(dǎo)向組件支撐結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 刻劃系統(tǒng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)原理

刻劃系統(tǒng)導(dǎo)向組件支撐結(jié)構(gòu)由兩套一模一樣的導(dǎo)向組件構(gòu)成，其中只有一套是真正的刻劃導(dǎo)向?qū)к?，另外一套屬于配平衡裝置，配平衡導(dǎo)軌上的刀架運(yùn)動速度與刻劃導(dǎo)向?qū)к壣系牡都苓\(yùn)動速度大小時刻相等，方向相反。這樣做的好處是可以平衡掉刀架在刻劃過程中由于往復(fù)運(yùn)動而引起的加速度變化產(chǎn)生的振動與沖擊。

單套導(dǎo)向組件主要由兩個刀橋底座、玻璃導(dǎo)軌、壓板、墊板以及固定座組成。玻璃導(dǎo)軌的材料是微晶玻璃，經(jīng)光學(xué)拋光手段精密加工后其導(dǎo)向面的面形精度可達(dá)λ/6～λ/8(λ=632.8 nm)，具有很好的導(dǎo)向精度。玻璃導(dǎo)軌兩端由兩個結(jié)構(gòu)完全一樣的支撐組件架起，支撐組件的主要作用是固定并限制玻璃導(dǎo)軌在分度方向上的位移，該位移將直接影響光柵刻線的直線性以及刻線間距的一致性，進(jìn)而影響波前質(zhì)量。

1.2刻劃系統(tǒng)導(dǎo)向?qū)к壷谓Y(jié)構(gòu)振型與剛度分析

鑒于支撐組件在分度方向上的變形大小對光柵波前質(zhì)量影響非常直接，因此，有必要對支撐組件在分度方向上的剛度進(jìn)行分析并加以測試。有限元分析技術(shù)作為一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，可以解決眾多領(lǐng)域的大型科學(xué)和工程計(jì)算難題，其應(yīng)用范圍越來越廣泛[7-11]。刀橋底座材料選用的是HT200，具有較好的力學(xué)性能與機(jī)械加工性能，鑄造后通過機(jī)械加工達(dá)到圖紙的各項(xiàng)尺寸要求。查閱相關(guān)技術(shù)資料得到HT200材料的物理、力學(xué)性能參數(shù)，見表1。

表1 HT200材料物理、力學(xué)性能參數(shù)

利用目前主流的有限元分析軟件對文中提到的刀橋底座進(jìn)行有限元分析，得到其一階固有頻率為690.26 Hz，其振型方向?yàn)榉侄确较?，該振型方向恰好是影響光柵波前質(zhì)量的敏感方向。同時，分別模擬計(jì)算了在圖示不同標(biāo)記點(diǎn)處施加分度方向40 N大小模擬工作載荷條件下刀橋底座的變形情況，施力點(diǎn)位置與變形結(jié)果分別如圖2和圖3所示，模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示。

圖2 施力點(diǎn)、測試點(diǎn)位置示意圖

圖3 分體式不同施力點(diǎn)變形云圖

圖4 分體式模態(tài)分布示意圖

1.3刻劃系統(tǒng)導(dǎo)向?qū)к壷谓Y(jié)構(gòu)變形實(shí)驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證有限元分析的正確性，對不同施力點(diǎn)上加載40 N模擬工作載荷工況下的刀橋底座變形進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。首先在刀橋底座上人為的標(biāo)記出與有限元分析對應(yīng)的施力點(diǎn)和測試點(diǎn)位置，利用壓力計(jì)測頭對刀橋底座定量施加載荷，同時，使用瑞士TESA80型電感儀測出測試點(diǎn)變形位移量大小，電感儀的分辨率為0.01 μm，精度為0.1 μm。整套測試系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 測試裝置示意圖

測試結(jié)果與有限元分析結(jié)果對比見表2。

表2 分體式結(jié)構(gòu)測試點(diǎn)變形測試值

2 導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

為了提高刻劃系統(tǒng)在分度方向上的剛度，減小導(dǎo)軌支撐結(jié)構(gòu)分度方向上的變形對光柵波前質(zhì)量的影響，對刻劃系統(tǒng)導(dǎo)向?qū)к壍闹谓Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。利用有限元分析軟件對整體式刀架支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，得到其一階固有頻率為998.73 Hz，其振型方向?yàn)橹亓Ψ较?，恰好是不直接影響光柵波前質(zhì)量的非敏感方向，模態(tài)分布如圖6所示。

圖6 整體式模態(tài)分布示意圖

同時，分別模擬計(jì)算了與單體式結(jié)構(gòu)位置相同的標(biāo)記點(diǎn)處施加分度方向40 N大小模擬工作載荷條件下刀橋底座的變形情況，變形云圖如圖7所示。

圖7 整體式不同施力點(diǎn)變形云圖

通過比較一體式結(jié)構(gòu)與分體式結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者的振動模態(tài)發(fā)生了顯著的變化，一階模態(tài)的振型方向從原來直接影響光柵波前的分度方向轉(zhuǎn)變?yōu)椴粫鈻挪ㄇ坝杏绊懙拇怪狈较颉２⑶冶碚髦C振特性重要指標(biāo)的一階固有頻率也從原來的690.26 Hz提高到998.73 Hz，這樣可以有效抑制外界低頻激勵干擾環(huán)境下支撐結(jié)構(gòu)的諧振響應(yīng)幅度，大幅提高結(jié)構(gòu)的抗振動干擾能力。通過系統(tǒng)對比兩種支撐結(jié)構(gòu)的變形云圖可以發(fā)現(xiàn)，一體式結(jié)構(gòu)刀橋底座的剛度得到了大幅度的改善，在同等條件下的變形要比分體式結(jié)構(gòu)小25%左右。

3 結(jié) 語

通過對原有刀橋支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析及相關(guān)實(shí)驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)存在剛度不足的問題而不能很好地滿足刻劃機(jī)的使用要求，在此基礎(chǔ)上對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剛度方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并再次運(yùn)用有限元分析手段進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。分析結(jié)果表明，工程設(shè)計(jì)中所關(guān)心的刀橋支撐結(jié)構(gòu)模態(tài)振型達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，固有頻率得到了有效提高。并且刀橋支撐結(jié)構(gòu)的剛度有了大幅度的提高，總之基本滿足光柵刻劃機(jī)刻劃高精度光柵對刀橋支撐結(jié)構(gòu)的精度要求。

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Optimal design of guide way for a grating ruling system

YAO Xue-feng, MI Xiao-tao, SONG Nan

(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China)

Finite element analysis is applied to analyze the stiffness and modals of knife bridge guide way for a grating ruling system. 40 N load is added for experimental verification, and the results are used to optimize the knife bridge structure. Finite element analysis for the new structure indicate that stiffness of the guide way base is strengthened where the first-order frequency increases from 690.26 Hz to 998.73 Hz and the vibration direction of first-order mode is changed from the horizontal to the vertical which is not sensitive to scribing.

grating ruling system; stiffness; finite element analysis; modal.

2014-06-11

國家重大科研裝備研制項(xiàng)目(ZBYZ2008-1)； 吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20140204075GX)

姚雪峰(1985-)，男，漢族，吉林吉林人，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所助理研究員，碩士，主要從事精密機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與檢測方向研究,E-mail:yaoxf@ciomp.ac.cn.

TH 122

A

1674-1374(2014)05-0495-05