双光栅光谱仪光栅转轴是用于固定和驱动两块共轴凹面光栅的重要零件, 其工作过程中出现的变形与振动现象均可能对双光栅光谱仪最终的波长测量结果带来影响。依据双光栅光谱仪的工作原理和实际工况, 确定其光栅转轴结构优化的主要目标为质心调整, 轻量化, 避免共振和减小凹面光栅的随机响应变形。为实现光栅转轴的多目标优化, 首先在UG中建立凹面光栅、光栅转轴及其固定结构的三维模型, 然后导入ANSYS Workbench进行模态分析与随机响应分析, 并针对其计算结果展开多目标优化。优化后, 光栅转轴回转部分的质心调整到回转轴上, 总质量由0.606 30 kg减轻到0.539 43 kg, 二阶固有频率从184.83 Hz增大到187.77 Hz, 凹面光栅Z轴方向最大随机响应变形从33.394 μm减小到27.147 μm。目前市面上常见的有限元分析软件均无法直接实现结构的质心调整, 作者将该目标的实现提前到三维建模过程当中, 并保证在后续优化过程中, 回转部分的质心只在其回转轴上移动, 从而使质心调整和轻量化等其他优化目标同时实现, 该处理方法具有广泛的借鉴意义。

光栅光谱仪作为研究太阳辐射的重要设备之一, 其波长扫描机构的精度很大程度上决定了最终测量结果的准确性。从光机系统的光栅参量误差和机械结构误差两方面入手, 对丝杠摆杆波长扫描机构展开综合精度分析, 依据凹面光栅色散原理, 推导出波长λ与摆杆末端沿丝杠方向位移x, 摆杆长度l, 光栅常数g和入射光线与出射光线夹角半值δ之间的关系。再对等式求导, 依据误差叠加原理, 计算出在红外工作波段650 nm~2 400 nm范围内, 其波长定标误差应不超过±1.227 nm。在实验样机上进行验证, 以汞灯为光源拟合出误差与波长的关系曲线, 并以氦氖激光器为光源加以验证。实验结果证明了理论计算的正确性, 该分析方法为双光栅光谱仪零部件精度指标的确定提供了依据。