高精度大口径光栅拼接装置的控制算法

　　1　引　言

　　光栅是拍瓦装置中破坏阈值最低的光学元件,为了提高驱动器的输出能量,需要宽度超过0.5 m的大尺寸高效衍射光栅。传统镀金光栅制作工艺成熟,口径可以做得较大,但破坏阈值很低。多层介质膜光栅的光学破坏阈值远高于金膜,但是制作工艺复杂,尺寸难于做大。利用拼接方法制作大口径的介质膜光栅具有两者的优点。拼接大面积衍射光栅是指把两块或几块衍射光栅放在一起,并使相互间的衍射波阵面的相位差足够小,相当于一块完整光栅的精度,可当作一块光栅使用[1-2]。

　　为了适应光栅拼接任务的多运动自由度、结构复杂和高定位精度等要求,光栅拼接机构必须是高精度机构,这种机构应该无摩擦、无滞后,而且需要具有结构紧凑、重量轻、刚性大、稳定性好的特点。串联机器人由于各杆件依次相互联接,从而导致误差的累积和放大。尽管串联机器人也具有模块化性质,但很容易导致体积庞大,因此传统的串联机器人机构不适合作为光栅拼接机构;串联机器人不能用作光栅拼接机构的另一个原因是其刚度低。增加杆件的质量是提高串联机器人刚度的一个途径,但这同时也带来了另外的麻烦,也有人尝试从控制或局部支撑等角度来提高刚度,但这些方法同时也使控制变得复杂或者减少了光栅拼接机构的柔性[3]。

        增加光栅拼接机构刚度的同时不增加质量的另一个方案是采用并联机器人机构。并联机构的动平台同时由多根杆支承,比串联的悬臂梁结构刚度大,提高了系统的承载能力,而且结构稳定;在位置求解上,串联机构正解容易,但逆解十分困难,而并联机构正解困难反解却非常容易,这就简化了机构的控制算法;由于并联机构的各个关节是并联形式,误差不容易累计和放大,利于提高系统的精度。并联机构的这种迅速、模块化、对称性、高精度、高刚度、高稳定性、运动杆件质量轻以及驱动装置安放在机架上等特性使其成为光栅拼接机构的优选方案[4]。

        为了满足动光栅的大行程、高精度、高稳定性的要求,光栅拼接装置可设计成新颖的宏/微结合双驱动并联进给机构。该机构分为宏动和微动两个部分,宏动部分设计成5PTS-1PPS型并联机构,微动部分设计成5TSP-1PPS型并联机构,二者串联构成光栅拼接机构。就机构的每个传动链而言又属于宏/微结合驱动机构。本文就该光栅拼接装置的宏动与微动并联机构进行结构分析、运动学逆解分析和运动学仿真,计算了宏动部分和微动部分并联机构的自由度,并对该装置的控制算法、误差分析和误差修正算法做了详细阐述,通过拼接装置的实验研究,证明了该控制方法以及误差修正方法的可行性和实用性。本文还提出了静平台上的固定坐标系与动平台上的动坐标系在初始位置重合的坐标系建立方法,这种方法为解决该装置并联机构的运动学问题带来了方便。