光栅刻划机导向导轨支撑结构刚度优化设计

姚雪峰， 糜小涛， 宋 楠

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033)

光栅刻划机导向导轨支撑结构刚度优化设计

姚雪峰， 糜小涛， 宋 楠

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033)

运用有限元手段对刀桥导轨的刚度进行了有限元分析，得到了刚度方面的分析结果和模态分析结果,并在不同位置加40 N载荷进行实验验证。在此基础上，对原有的结构进行一体式结构优化设计。有限元分析结果表明,刀桥底座刚度有了大幅度的提高，一阶频率由原来的690.26 Hz提高到998.73 Hz，一阶振型的方向也从直接影响刻划的水平方向变为对刻划不敏感的垂直方向。

光栅刻划机； 刚度； 有限元分析； 模态

0 引 言

光栅制造技术是当今世界上能与芯片制造技术等科技前沿相媲美的最为精密的相关工程技术之一[1]。进入21世纪后，高精度光栅尤其是高分辨率中阶梯光栅成为光谱技术领域关注的新热点[2]。中阶梯光栅光谱仪的应用领域不仅从天文观测逐步走向民用化，而且在军事领域的应用也达到了战术水平，例如冶金、物探、食品检测、战场快速生化分析等[3]。作为现代高精度光谱仪器的核心元件，中阶梯光栅的制造能力已成为光谱仪器技术的关键[4]。

目前衍射光栅母版主要由以下两种方法制成[5]：第一种是在光栅刻机上用带金刚石刀头的刀具在覆盖玻璃基底的铝膜上挤压出沟槽的机刻方法;另一种是利用两束激光形成干涉条纹的全息方法。目前全息方法制作光栅应用场合相对较多，具有工艺简单、周期短等优点。但在一些需要低刻槽密度的场合或者要求工作波长高于1.2 mm的红外波段，机刻光栅仍发挥着全息光栅不可替代的作用。因此，能够制造并拥有一台高精度光栅刻机既能体现一个国家科学技术的发展程度，又是科学研究和经济建设不可缺少的一个重要手段。

国外具有代表性的光栅刻机有美国麻省理工学院(MIT)研制的MIT-B机(1961年)、MIT-C机(1966年)以及日本日立公司的光栅刻机(1992年)，全球各类商用中阶梯光栅光谱仪以及2～10 m高分辨率天文观测光谱仪的中阶梯光栅都出自上述3台刻机。国内方面中国科学院长春光学精密机械与物理研究所自上个世纪50年代末开始陆续研制出1号、2号、3号、4号以及5号机，并成功刻制出一些具有实用性能的小面积光栅，目前正在积极研制具备刻制大面积、高品质光栅能力的光栅刻机[6]。上述光栅刻机最主要的共同点是都采用了分度与刻划相互独立的二维运动技术方案，即光栅刻线的长度方向与刻线间距分别由具有独立自由度的两个系统来实现，其中光栅刻线长度方向的直线性误差将直接影响光栅的衍射波前质量。为了保证光栅刻线长度方向上的直线性，不仅需要刻划系统的导向组件具有较高的导向精度，而且还需要作为定位基准的支撑结构具有较好的导向刚度。文中以保证刻划系统运动的直线性为出发点，详细介绍了正在研制的刻机刻划系统导向导轨的支撑结构和工作原理，并对其导向刚度进行了分析和测试，在此基础上对导向导轨的支撑结构进行了重新优化和设计，最后通过精度检测试验对改进后的支撑结构进行了综合性能测试。

1 刻划系统的导向导轨支撑结构及刚度分析

1.1刻划系统导向导轨支撑结构

刻划系统导向组件支撑结构原理如图1所示。

图1 刻划系统导向结构原理

刻划系统导向组件支撑结构由两套一模一样的导向组件构成，其中只有一套是真正的刻划导向导轨，另外一套属于配平衡装置，配平衡导轨上的刀架运动速度与刻划导向导轨上的刀架运动速度大小时刻相等，方向相反。这样做的好处是可以平衡掉刀架在刻划过程中由于往复运动而引起的加速度变化产生的振动与冲击。

单套导向组件主要由两个刀桥底座、玻璃导轨、压板、垫板以及固定座组成。玻璃导轨的材料是微晶玻璃，经光学抛光手段精密加工后其导向面的面形精度可达λ/6～λ/8(λ=632.8 nm)，具有很好的导向精度。玻璃导轨两端由两个结构完全一样的支撑组件架起，支撑组件的主要作用是固定并限制玻璃导轨在分度方向上的位移，该位移将直接影响光栅刻线的直线性以及刻线间距的一致性，进而影响波前质量。

1.2刻划系统导向导轨支撑结构振型与刚度分析

鉴于支撑组件在分度方向上的变形大小对光栅波前质量影响非常直接，因此，有必要对支撑组件在分度方向上的刚度进行分析并加以测试。有限元分析技术作为一种计算机辅助设计手段，可以解决众多领域的大型科学和工程计算难题，其应用范围越来越广泛[7-11]。刀桥底座材料选用的是HT200，具有较好的力学性能与机械加工性能，铸造后通过机械加工达到图纸的各项尺寸要求。查阅相关技术资料得到HT200材料的物理、力学性能参数，见表1。

表1 HT200材料物理、力学性能参数

利用目前主流的有限元分析软件对文中提到的刀桥底座进行有限元分析，得到其一阶固有频率为690.26 Hz，其振型方向为分度方向，该振型方向恰好是影响光栅波前质量的敏感方向。同时，分别模拟计算了在图示不同标记点处施加分度方向40 N大小模拟工作载荷条件下刀桥底座的变形情况，施力点位置与变形结果分别如图2和图3所示，模态分析结果如图4所示。

图2 施力点、测试点位置示意图

图3 分体式不同施力点变形云图

图4 分体式模态分布示意图

1.3刻划系统导向导轨支撑结构变形实验测试

为了验证有限元分析的正确性，对不同施力点上加载40 N模拟工作载荷工况下的刀桥底座变形进行了实验测试。首先在刀桥底座上人为的标记出与有限元分析对应的施力点和测试点位置，利用压力计测头对刀桥底座定量施加载荷，同时，使用瑞士TESA80型电感仪测出测试点变形位移量大小，电感仪的分辨率为0.01 μm，精度为0.1 μm。整套测试系统如图5所示。

图5 测试装置示意图

测试结果与有限元分析结果对比见表2。

表2 分体式结构测试点变形测试值

2 导向支撑结构改进措施

为了提高刻划系统在分度方向上的刚度，减小导轨支撑结构分度方向上的变形对光栅波前质量的影响，对刻划系统导向导轨的支撑结构进行了相应的改进。利用有限元分析软件对整体式刀架支撑结构进行分析计算，得到其一阶固有频率为998.73 Hz，其振型方向为重力方向，恰好是不直接影响光栅波前质量的非敏感方向，模态分布如图6所示。

图6 整体式模态分布示意图

同时，分别模拟计算了与单体式结构位置相同的标记点处施加分度方向40 N大小模拟工作载荷条件下刀桥底座的变形情况，变形云图如图7所示。

图7 整体式不同施力点变形云图

通过比较一体式结构与分体式结构的有限元分析结果，发现二者的振动模态发生了显著的变化，一阶模态的振型方向从原来直接影响光栅波前的分度方向转变为不会对光栅波前有影响的垂直方向。并且表征谐振特性重要指标的一阶固有频率也从原来的690.26 Hz提高到998.73 Hz，这样可以有效抑制外界低频激励干扰环境下支撑结构的谐振响应幅度，大幅提高结构的抗振动干扰能力。通过系统对比两种支撑结构的变形云图可以发现，一体式结构刀桥底座的刚度得到了大幅度的改善，在同等条件下的变形要比分体式结构小25%左右。

3 结 语

通过对原有刀桥支撑结构的有限元分析及相关实验测试，发现原结构存在刚度不足的问题而不能很好地满足刻划机的使用要求，在此基础上对原结构进行了刚度方面的优化设计，并再次运用有限元分析手段进行了分析和验证。分析结果表明，工程设计中所关心的刀桥支撑结构模态振型达到了设计要求，固有频率得到了有效提高。并且刀桥支撑结构的刚度有了大幅度的提高，总之基本满足光栅刻划机刻划高精度光栅对刀桥支撑结构的精度要求。

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[3] 刘栋材,申远,钟俊,等.大型衍射光栅刻划机控制系统研究[J].中国科学技术大学学报，2011,41(6):560-564.

[4] 李晓天.机械刻划光栅刻线误差及其修正方法研究[D]:[硕士学位论文].北京：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)，2013.

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[6] 李燕青,郝德阜.衍射光栅制造技术的发展[J].长春理工大学学报，2003,26(1):66-68.

[7] 张媛媛，敬畏，程云涛，等.Φ510 mm SiC超轻量化反射镜的设计与有限元分析[J].光学精密工程，2012,20(8)：1718-1724.

[8] 曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社,2004.

[9] 姚英学,蔡颖.计算机辅助设计与制造[M].北京：高等教育出版社,2002.

[10] 任仲贵,张关康.CAD/CAM原理[M].北京：清华大学出版社,1991.

[11] 糜小涛，许宏光，姚雪峰，等.仿真转台机械台体固有频率与系统频带的关系[J].长春工业大学学报：自然科学版，2013，34(2)：207-210.

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

国家重大科研装备研制项目(ZBYZ2008-1)； 吉林省科技发展计划项目(20140204075GX)

姚雪峰(1985-)，男，汉族，吉林吉林人，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所助理研究员，硕士，主要从事精密机械结构设计与检测方向研究,E-mail:yaoxf@ciomp.ac.cn.

TH 122

A

1674-1374(2014)05-0495-05