大型光机组件的装配精度分析及工艺改进

摘要

神光III作为新一代的大型高能固体激光装置，包含了48条光束，在每一条光束中都分布了大量的大型光机组件，而光机组件的装配精度对打靶精度有着直接的影响，因此对其提出了很高的精度要求，但是光机组件的超精密装配技术是个难以攻克的问题。本文采用大口径传输反射镜组件为主要分析对象，研究了反射镜组件的装配误差形成机理，从装配应力下的光学元件结构变形和装配几何误差的传递累计两方面进行了深入研究，提出了以反射镜组件为代表的大型光机组件装配精度的分析方法。
　　首先，针对光学元件的面形精度，通过有限元分析研究了装配预紧力下的光学元件的结构变形，通过Schmidt正交化得到了适用于矩形口径的Zernike多项式的变形，将有限元分析得到的原始面形结合 Zernike波面拟合方法进行了面形精度分析。考虑装配预紧力的随机性，提出了基于蒙特卡罗法的不确定预紧力下的面形精度分析，研究了预紧力控制精度对面形精度的影响。在上述基础上得出了恰当的螺钉紧固方案，为优化反射镜的装配工艺提供了理论基础。
　　然后，建立了光机组件装配系统的几何误差传递模型，考虑到误差在反射镜组件多工序上的传递，采用反射镜组件的全尺寸三维实体模型，应用3DCS软件对反射镜的法线准直误差进行了仿真分析，发现法线偏转误差远超过性能要求。为此，建立了离线装校系统，补偿法线的偏转误差。此外针对光机组件的稳定性，进行了模态分析、随机振动分析和精度校核，结果显示现有的装配条件可以满足反射镜组件的稳定性要求。
　　最后，基于上面的分析提出了装配工艺改进的思路，从垫片材料、螺钉控制精度和反射镜安装结构三个方面提出了改进方向。

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1. 绪论

1.1课题概述

1.2国内外研究现状与分析

1.3本文的主要工作与结构

2.反射镜组件的结构和性能要求

2.1反射镜组件的结构

2.2运动学定位调节支承结构

2.3反射镜组件的性能要求

2.4本章小结

3.光学元件的面形精度分析

3.1面形精度分析流程

3.2基于Zernike多项式的波前重构

3.3基于蒙特卡罗法的螺钉紧固力不确定性分析

3.4面形精度的测量和工艺分析

3.5本章小结

4.反射镜组件的装配几何精度分析

4.1三维装配公差及相关分析软件

4.2法线准直误差分析

4.3复位误差分析

4.4结构稳定性分析

4.5本章小结

5.反射镜组件装配工艺方案的改进方法

5.1垫片材料的改进

5.2螺钉紧固方法的改进

5.3反射镜支撑方法的改进

5.4本章小结

6.总结和展望

6.1全文总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录