光柵刻劃機虛擬樣機技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、光柵制造技術(shù)是當今最為精密的技術(shù)之一，而制作光柵的設(shè)備--光柵刻劃機則被譽為“精密機械之王”，它通常需要在毛坯上實現(xiàn)每毫米數(shù)千道刻槽的刻劃，并且要求刻劃偶然誤差小于1/10光柵常數(shù)、周期誤差小于1/100光柵常數(shù)、同時使用干涉方法檢驗波面差必須小于1/3條紋。這些性能指標決定了光柵刻劃機具有極高的精度要求，包括機械精度以及控制精度。光柵刻劃機的超精密性使得零部件加工困難、制造周期長且造價昂貴，因而要求一次制造成功。傳統(tǒng)的基于物理樣機的開

2、發(fā)流程在得到最終的物理樣機之前，中間存在著反復(fù)的試制與修改過程，需要多次制造物理樣機，因而不適用于光柵刻劃機的研發(fā)?；诖朔N情況，本文中采用基于虛擬樣機技術(shù)來進行光柵刻劃機的開發(fā)，它能夠減少物理模擬，降低了開發(fā)成本，并且這種方式縮短了開發(fā)周期，有效提高了產(chǎn)品的開發(fā)速度及設(shè)計質(zhì)量，更重要的是由此避免了基于物理樣機開發(fā)所存在的缺點，不需要重復(fù)制造物理樣機即可實現(xiàn)光柵刻劃機的開發(fā)。
　　 本文首先建立了光柵刻劃機的虛擬樣機模型，它主要

3、是由分度系統(tǒng)及刻劃系統(tǒng)兩部分組成。分度系統(tǒng)實現(xiàn)了光柵毛坯的超精密定位，刻劃系統(tǒng)則用于執(zhí)行刻劃操作，兩者協(xié)同工作，共同完成光柵的刻劃。在光柵刻劃機的工作過程中，傳動機構(gòu)對光柵的刻劃質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，因而需要對其進行分析與優(yōu)化，以獲得最優(yōu)的傳動機構(gòu)設(shè)計方案。在分度系統(tǒng)傳動裝置中，分析了機構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量對傳動效果的影響，從系統(tǒng)響應(yīng)的快速性、平穩(wěn)性等角度確定了轉(zhuǎn)動慣量的優(yōu)化目標。基于參數(shù)化的虛擬樣機模型，采用靈敏度分析的方法獲取結(jié)構(gòu)參數(shù)與轉(zhuǎn)動

4、慣量之間的關(guān)系，并以機構(gòu)的最大變形位移作為約束條件以確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值從而使得所設(shè)計的傳動機構(gòu)既實現(xiàn)了轉(zhuǎn)動慣量的優(yōu)化目標，同時又能夠滿足機構(gòu)的剛度與強度要求。在刻劃系統(tǒng)中，為了保證光柵的刻劃質(zhì)量，要求刻刀始終保持勻速運動，因此對刻劃傳動鏈中的等速傳動機構(gòu)提出了較為嚴格的要求。本文基于虛擬樣機技術(shù)進行運動學(xué)仿真，得到了傳動機構(gòu)的位移、速度及加速度曲線，分析得到初始傳動機構(gòu)設(shè)計中所存在的不足之處：加速度在往復(fù)運動的始末位置處存在跳變，因而

5、對傳動機構(gòu)的凸輪結(jié)構(gòu)采用了擺線運動規(guī)律對其進行修正，得到了較好的設(shè)計效果，保證了運動特性的連續(xù)性。
　　 光柵刻劃機作為機電一體化的重大裝備，其設(shè)計與分析需要一個綜合的開發(fā)及性能評價平臺。本文提出了機械、控制一體化聯(lián)合仿真開發(fā)技術(shù)，利用虛擬樣機技術(shù)所提供的集成開發(fā)環(huán)境，在制造物理樣機之前，聯(lián)合控制系統(tǒng)設(shè)計軟件，將復(fù)雜的控制系統(tǒng)添加到機械結(jié)構(gòu)虛擬樣機模型中，對機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真分析，模擬實際產(chǎn)品中各個模塊的工作特性，為

6、復(fù)雜機械產(chǎn)品的開發(fā)提供了一種全新的設(shè)計方法。本文利用專業(yè)的機械分析及控制設(shè)計軟件，對光柵刻劃機中實現(xiàn)超精密刻劃的最關(guān)鍵部分--分度系統(tǒng)精定位機構(gòu)進行了仿真分析，首先建立經(jīng)過適當簡化的工作臺運動學(xué)仿真模型，并構(gòu)建相應(yīng)的控制系統(tǒng)，進行聯(lián)合仿真開發(fā)研究。在聯(lián)合仿真平臺中，通過對多組控制參數(shù)及采樣時間的研究，驗證了控制算法的有效性并確定了較佳的控制參數(shù)及相應(yīng)的采樣時間。
　　 在光柵刻劃機的系統(tǒng)設(shè)計中，控制軟件是其中的重要組成部分。傳統(tǒng)

7、的軟件開發(fā)一般需要等到硬件加工完成后再進行軟件的調(diào)試，這就延長了軟件的開發(fā)周期，無法適應(yīng)于當前日益激烈的市場競爭環(huán)境。為了實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的并行開發(fā)，提出了基于虛擬硬件在環(huán)的軟件仿真開發(fā)方法。利用計算機模擬實際控制單元的硬件運行情況，與被控對象的仿真模型相連進行軟件的開發(fā)與調(diào)試，構(gòu)建了應(yīng)用軟件運行所需要的虛擬硬件環(huán)境。本文以光柵刻劃機控制軟件為研究對象，詳細介紹了基于虛擬硬件在環(huán)的軟件仿真開發(fā)流程，并將開發(fā)完成的軟件系統(tǒng)應(yīng)用到光柵刻劃機上，