光柵刻劃機導向導軌支撐結構剛度優化設計

姚雪峰， 糜小濤， 宋 楠

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所， 吉林 長春 130033)

光柵刻劃機導向導軌支撐結構剛度優化設計

姚雪峰， 糜小濤， 宋 楠

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所， 吉林 長春 130033)

運用有限元手段對刀橋導軌的剛度進行了有限元分析，得到了剛度方面的分析結果和模態分析結果,并在不同位置加40 N載荷進行實驗驗證。在此基礎上，對原有的結構進行一體式結構優化設計。有限元分析結果表明,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為對刻劃不敏感的垂直方向。

光柵刻劃機； 剛度； 有限元分析； 模態

0 引 言

光柵制造技術是當今世界上能與芯片制造技術等科技前沿相媲美的最為精密的相關工程技術之一[1]。進入21世紀后，高精度光柵尤其是高分辨率中階梯光柵成為光譜技術領域關注的新熱點[2]。中階梯光柵光譜儀的應用領域不僅從天文觀測逐步走向民用化，而且在軍事領域的應用也達到了戰術水平，例如冶金、物探、食品檢測、戰場快速生化分析等[3]。作為現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的關鍵[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用場合相對較多，具有工藝簡單、周期短等優點。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，機刻光柵仍發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既能體現一個國家科學技術的發展程度，又是科學研究和經濟建設不可缺少的一個重要手段。

國外具有代表性的光柵刻機有美國麻省理工學院(MIT)研制的MIT-B機(1961年)、MIT-C機(1966年)以及日本日立公司的光柵刻機(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。國內方面中國科學院長春光學精密機械與物理研究所自上個世紀50年代末開始陸續研制出1號、2號、3號、4號以及5號機，并成功刻制出一些具有實用性能的小面積光柵，目前正在積極研制具備刻制大面積、高品質光柵能力的光柵刻機[6]。上述光柵刻機最主要的共同點是都采用了分度與刻劃相互獨立的二維運動技術方案，即光柵刻線的長度方向與刻線間距分別由具有獨立自由度的兩個系統來實現，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，不僅需要刻劃系統的導向組件具有較高的導向精度，而且還需要作為定位基準的支撐結構具有較好的導向剛度。文中以保證刻劃系統運動的直線性為出發點，詳細介紹了正在研制的刻機刻劃系統導向導軌的支撐結構和工作原理，并對其導向剛度進行了分析和測試，在此基礎上對導向導軌的支撐結構進行了重新優化和設計，最后通過精度檢測試驗對改進后的支撐結構進行了綜合性能測試。

1 刻劃系統的導向導軌支撐結構及剛度分析

1.1刻劃系統導向導軌支撐結構

刻劃系統導向組件支撐結構原理如圖1所示。

圖1 刻劃系統導向結構原理

刻劃系統導向組件支撐結構由兩套一模一樣的導向組件構成，其中只有一套是真正的刻劃導向導軌，另外一套屬于配平衡裝置，配平衡導軌上的刀架運動速度與刻劃導向導軌上的刀架運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運動而引起的加速度變化產生的振動與沖擊。

單套導向組件主要由兩個刀橋底座、玻璃導軌、壓板、墊板以及固定座組成。玻璃導軌的材料是微晶玻璃，經光學拋光手段精密加工后其導向面的面形精度可達λ/6～λ/8(λ=632.8 nm)，具有很好的導向精度。玻璃導軌兩端由兩個結構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，進而影響波前質量。

1.2刻劃系統導向導軌支撐結構振型與剛度分析

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行分析并加以測試。有限元分析技術作為一種計算機輔助設計手段，可以解決眾多領域的大型科學和工程計算難題，其應用范圍越來越廣泛[7-11]。刀橋底座材料選用的是HT200，具有較好的力學性能與機械加工性能，鑄造后通過機械加工達到圖紙的各項尺寸要求。查閱相關技術資料得到HT200材料的物理、力學性能參數，見表1。

表1 HT200材料物理、力學性能參數

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行有限元分析，得到其一階固有頻率為690.26 Hz，其振型方向為分度方向，該振型方向恰好是影響光柵波前質量的敏感方向。同時，分別模擬計算了在圖示不同標記點處施加分度方向40 N大小模擬工作載荷條件下刀橋底座的變形情況，施力點位置與變形結果分別如圖2和圖3所示，模態分析結果如圖4所示。

圖2 施力點、測試點位置示意圖

圖3 分體式不同施力點變形云圖

圖4 分體式模態分布示意圖

1.3刻劃系統導向導軌支撐結構變形實驗測試

為了驗證有限元分析的正確性，對不同施力點上加載40 N模擬工作載荷工況下的刀橋底座變形進行了實驗測試。首先在刀橋底座上人為的標記出與有限元分析對應的施力點和測試點位置，利用壓力計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。整套測試系統如圖5所示。

圖5 測試裝置示意圖

測試結果與有限元分析結果對比見表2。

表2 分體式結構測試點變形測試值

2 導向支撐結構改進措施

為了提高刻劃系統在分度方向上的剛度，減小導軌支撐結構分度方向上的變形對光柵波前質量的影響，對刻劃系統導向導軌的支撐結構進行了相應的改進。利用有限元分析軟件對整體式刀架支撐結構進行分析計算，得到其一階固有頻率為998.73 Hz，其振型方向為重力方向，恰好是不直接影響光柵波前質量的非敏感方向，模態分布如圖6所示。

圖6 整體式模態分布示意圖

同時，分別模擬計算了與單體式結構位置相同的標記點處施加分度方向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 整體式不同施力點變形云圖

通過比較一體式結構與分體式結構的有限元分析結果，發現二者的振動模態發生了顯著的變化，一階模態的振型方向從原來直接影響光柵波前的分度方向轉變為不會對光柵波前有影響的垂直方向。并且表征諧振特性重要指標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境下支撐結構的諧振響應幅度，大幅提高結構的抗振動干擾能力。通過系統對比兩種支撐結構的變形云圖可以發現，一體式結構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構小25%左右。

3 結 語

通過對原有刀橋支撐結構的有限元分析及相關實驗測試，發現原結構存在剛度不足的問題而不能很好地滿足刻劃機的使用要求，在此基礎上對原結構進行了剛度方面的優化設計，并再次運用有限元分析手段進行了分析和驗證。分析結果表明，工程設計中所關心的刀橋支撐結構模態振型達到了設計要求，固有頻率得到了有效提高。并且刀橋支撐結構的剛度有了大幅度的提高，總之基本滿足光柵刻劃機刻劃高精度光柵對刀橋支撐結構的精度要求。

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[4] 李曉天.機械刻劃光柵刻線誤差及其修正方法研究[D]:[碩士學位論文].北京：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)，2013.

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[9] 姚英學,蔡穎.計算機輔助設計與制造[M].北京：高等教育出版社,2002.

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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目(ZBYZ2008-1)； 吉林省科技發展計劃項目(20140204075GX)

姚雪峰(1985-)，男，漢族，吉林吉林人，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所助理研究員，碩士，主要從事精密機械結構設計與檢測方向研究,E-mail:yaoxf@ciomp.ac.cn.

TH 122

A

1674-1374(2014)05-0495-05