大口径光栅拼接并联机构运动性能研究及控制系统开发-机械制造及自动化专业论文.docx

Classified Index: TH113.25 U.D.C: 621 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON THE MOVING PERFORMANCE OF THE PARALLEL MECHANISM USED IN THE LARGE APERTURE GRATING SPLICING AND DEVELOPMENT OF THE CONTROL SYSTEM Candidate： Zhou Weijiang Supervisor： Prof. Fu Hongya Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Mechanical Manufacturing and Automation Affiliation： School of Mechatronics Engineering Date of Defence： July, 2013 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 摘 要 光栅作为一种精密的光学元件，是各种光谱仪器的核心部件。天文物理学、 激光惯性约束核聚变等领域对光栅的口径要求已经达到了米量级。当前的光栅制 作技术不足以制造如此大口径的光栅。因此可以通过拼接的手段获得大口径光栅 以满足实际应用的需求。科学技术的发展对光栅拼接装置的运动精度和稳定性提 出了更高的要求。本文致力于光栅拼接机构基础理论和控制技术的研究，以提高 光栅拼接装置的运动精度和稳定性。 本文研究了 2RPS-S、2RPS-PS/P 和 4PTSP-PS 三种拼接机构；对 2RPS-S、 2RPS-PS/P、4PTSP-PS 及已有的 5PTSP-PPS 拼接机构进行了位置逆解分析，得到 了各拼接机构的运动控制算法，并建立了虚拟样机对各机构进行了运动学仿真， 验证了各机构的自由度及逆解分析的正确性；基于矢量法以 5PTSP-PPS 拼接机构 为例提出了拼接机构约束方程组的建立方法，得到了 5PTSP-PPS 拼接机构宏动和 微动机构位置正解，并验证了 5PTSP-PPS 拼接机构宏动和微动机构位置正解及拼 接机构约束方程组建立方法的正确性。 基于位置正解建立了 5PTSP-PPS 拼接机构的误差模型。分析了 S-P 杆长误差、 T-S 杆长误差及宏动和微动驱动误差对拼接机构运动精度的影响。 针对 5PTSP-PPS 拼接装置研究了动光栅位姿监测算法，并综合应用机构运动 控制算法和位姿监测算法研究了动光栅稳定性闭环控制技术。对 5PTSP-PPS 拼接 装置的控制系统进行了规划，并编写了控制系统软件。 研究了微驱动模块的运动特性以用于微动拼接机构的控制。测试了光栅拼接 装置的运动精度和稳定性。进行了光栅拼接实验，实验结果表明拼接装置的运动 精度和稳定性满足实际应用需求。 关键词：光栅拼接；并联机构；位置逆解；位置正解；误差分析；位姿监测；稳 定性闭环控制 Abstract As a kind of precise optical components, grating is the core component of various spectral instruments. The grating used in areas such as astrophysics, laser inertial confinement fusion and so on has reached the meter scale. Current production technology couldn’t make such large caliber gratings. So it can only be acquired by means of joining small grating together to form a large grating to meet the needs of practical application. The development of science and technology puts forward higher request on the movement accuracy and stability of the grating splicing device. This paper devotes to the research on the mechanism theory and control technology of the gratin