万向柔性铰链连接快速反射镜的设计与仿真

在高能激光武器系统中,快速反射镜作为光束指向控制的核心器件,对提高毁伤效能起到关键作用。针对扩展高能激光武器系统光束指向范围的战术需求,设计了一种万向柔性铰链连接快速反射镜系统。研究了各组成单元对快速反射镜系统性能的影响因素,分析了单自由度单音圈电机驱动反射镜设计方案的可行性。在此基础上给出了音圈电机和光栅测微仪的设计依据,进行参数设计,推导了万向柔性铰链的柔度表达方程,并验证了万向柔性铰链的弯曲强度。仿真结果表明,快速反射镜系统具有3.3的运动行程,一阶谐振频率达到了231.04 Hz,满足了大行程、高带宽的设计要求。     

空间相机快速反射镜的两轴柔性支撑结构设计

快速反射镜是空间相机中常用的像移补偿装置,而支撑结构的机械特性将直接影响快速反射镜系统的响应速度及闭环带宽。以某近地轨道空间相机中的音圈电机驱动型快速反射镜为研究对象,设计了基于十字型柔性铰链的两轴柔性支撑结构,该结构具有空间利用率高、中心漂移小等优点。根据悬臂梁的挠曲线近似微分方程,建立了柔性支撑结构两轴转动刚度的数学模型,针对快速反射镜机构的谐振频率要求,选择了柔性铰链的主要结构参数,并利用有限元软件MSC.Patran对机构进行了模态分析,分析结果表明,快速反射镜机构在两个工作方向上的谐振频率分别为18.6 Hz和18.7 Hz,而其他非工作方向上的谐振频率均在292.2 Hz以上,证明了柔性铰链结构参数的选择具有合理性。为了检验理论模型的准确性,加工了快速反射镜的样机并搭建实验平台,对机构的转动刚度和谐振频率进行了检测,检测结果与理论分析得到的结果在允许的误差范围内具有一致性。     

舰载激光武器稳定平台粗精复合控制

为了实现舰载激光武器在复杂作战环境中对目标的精确毁伤,提出一种基于快速反射镜的粗精复合稳定平台,用以控制激光光束的稳定精度。首先,介绍了系统组成及工作原理,设计了压电陶瓷驱动的全柔性精级快速反射镜,并且分析了该快速反射镜的性能特点。然后,设计了粗精复合控制系统,在此基础上探讨了粗精复合稳定平台各组成单元之间的相互影响因素。最后,通过理论计算推导了粗精复合控制系统的误差传递函数,并搭建了实验平台,进行了稳定精度测试实验。实验结果表明:在四级海况摇摆扰动条件下,相较于传统粗级稳定平台,方位复合平台的稳定精度从191.6 μrad提高到6.7 μrad,提高了约27.6倍,俯仰复合平台的稳定精度从121.3 μrad提高到4.9 μrad,提高了约23.8倍;在各种外界摇摆扰动下,粗精复合平台对激光光束的稳定控制精度均≤10 μrad。满足了舰载激光武器平台对激光光束高精度稳定控制的作战需求。     

两轴柔性支承快速反射镜结构控制一体化设计

为了预测并确认结构设计阶段快速反射镜系统的频率特性和时域性能,对一种两轴柔性支承快速反射镜进行了结构控制一体化研究和测试。提出了一种新型柔性支承结构,根据激光系统光束传输要求的快速反射镜指标,设计了快速反射镜系统的主要结构参数;研究了系统的动态数学模型,确定了闭环系统的控制方式和控制参数;建立了系统摆动部分的刚柔耦合模型,获得了结构非线性模型,基于非线性模型对控制系统和运动系统进行了联合仿真测试。联合仿真结果显示,系统在运动方向的谐振频率为54 Hz,与有限元和理论计算结果的误差均为3.8%,系统位置闭环带宽为203 Hz,符合设计要求。时域输出结果显示,系统的超调量为3.5%,调节时间为10 ms,与理论计算结果的偏差分别为3%和5 ms。     

倒圆角三角型两轴柔性支撑设计

为提高压电陶瓷驱动的快速反射镜的回转精度,对倒圆角三角型柔性支撑进行研究。首先利用卡氏第二定理推导出倒圆角三角型柔性铰链柔度和回转精度理论计算公式;然后建立倒圆角三角型柔性铰链和两轴柔性支撑的有限元模型,并进行仿真分析得出柔度和回转精度的仿真值。将仿真值与理论值进行比较,其结果表明,最大误差在8%以内,验证了所推导公式的准确性。对比直圆型柔性支撑,在保证柔度的前提下,倒圆角三角型柔性支撑的回转精度提高了40%,具有重要的工程实用价值。     

大口径光束引导装置设计

在惯性约束核聚变装置中,为了实现高精度光束焦点位置调整的目的,采用了基于高精度自动调整反射镜进行光束准直引导的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了不同驱动方式下电动反射镜的调整精度数据.结果表明:柔性铰链连接直线微位移驱动机构和旋转轴框,能够有效地消除摩擦和间隙等对精度的影响,该电动反射镜能够在±15 mrad的运动范围内实现1μrad激光光束指向调整分辨率,满足了神光-Ⅲ装置的技术要求。这一结果对大型激光器中高精度光束调整系统的设计是有帮助的。     

巨磁致伸缩快速转向反射镜及其谐振频率

快速转向反射镜(FSM)广泛应用于激光束稳定系统、空间光通信系统等领域。采用巨磁致伸缩驱动器(GMA)作为FSM的驱动元件,并对其预压和传动机构进行了一体化优化,设计了一种新型的膜片式柔性上端盖作为预压力施加装置,使其结构更加紧凑的同时增强了位移径向约束;FSM采用四驱动器双驱动轴结构,应用柔性轴方案,对其整体结构进行了优化设计以提高系统谐振频率。建立了FSM有限元模型,对其进行模态分析得到了系统一阶谐振频率及模态振型。对所研制的FSM进行了性能测试,结果表明:系统镜面转角达到±3′,一阶机械谐振频率达到450 Hz,模态分析数值与实验值的误差小于10%。     

压电陶瓷驱动FSM三自由度柔性支撑设计

为了有效吸收反射镜偏转造成驱动点的横向位置偏差,保护压电陶瓷驱动器,抑制反射镜在非工作方向上的自由度,提高系统谐振频率,设计了基于压电陶瓷驱动的快速反射镜三自由度柔性支撑。首先根据压电陶瓷驱动的快速反射镜对柔性支撑的设计要求确定了由支撑杆与支撑片组成的三自由度四周式柔性支撑方案,再利用压杆稳定性理论与变形能法对支撑杆与支撑片进行参数设计,最后利用workbench对设计结果进行分析。有限元分析结果表明,直径1 mm、长度8 mm的柔性支撑杆的应用可以使压电陶瓷的剪切位移减少86.7%,柔性支撑片的应用使反射镜一阶模态为轴向平移振动,谐振频率为360 Hz,二三阶模态为反射镜两轴偏摆振动,谐振频率为420 Hz,而高阶模态在1 000 Hz以上。三自由度柔性支撑可以有效防止压电陶瓷受到剪切破坏,提高快速反射镜结构谐振频率,有利于提高系统闭环带宽。     

新型混合柔性铰链柔度研究

提出了一种新型双曲线直圆混合柔性铰链。利用卡氏第二定理推导出双曲线直圆混合柔性铰链的柔度计算公式,并根据所推导的公式,分析了直圆半径、最小厚度和切割深度对其柔度的影响。同时采用实体单元建立双曲线直圆混合柔性铰链的有限元模型,对不同几何参数的铰链进行仿真分析,并对仿真解与解析解进行对比。结果表明:仿真解与解析解的最大误差在8%以内,证明了所推导公式的正确性;与不同形状的柔性铰链对比得出,双曲线直圆混合柔性铰链具有更好的转动能力和对载荷较高的敏感性。所设计的新型双曲线直圆混合柔性铰链更适用于快速反射镜支撑结构中,同时也为混合型柔性铰链的设计和优化提供了理论依据。     

适用于FSM系统的菱形微位移放大机构设计

为了增加压电陶瓷驱动快速反射镜的偏摆范围,对菱形微位移放大机构进行了研究设计。首先介绍了菱形结构的放大原理并利用变形能法分析了影响菱形结构性能的关键参数,然后建立了快速反射镜系统要求与菱形结构设计要求之间的联系,并根据自行设计的快速反射镜系统选择了菱形结构的关键参数,最后通过有限元仿真对菱形结构和快速反射镜系统进行了模态分析并对快速反射镜的偏摆范围进行了实验测试。仿真与实验结果表明,快速反射镜的偏摆范围大于6',低阶谐振频率约为400 Hz,满足了快速反射镜的系统要求。文中研究得出,菱形结构的位移放大倍率与最大驱动力是此消彼长的两个性能,可以通过合理调整菱形长轴与菱形边夹角以及菱形边宽度使两个性能同时满足系统设计要求。     

二自由度快速控制反射镜系统固有频率优化设计

在二自由度快速控制反射镜系统设计中,为提高系统的控制带宽,应尽量降低工作方向上的低阶固有频率,提高非工作方向上的高阶固有频率。该课题以某深切口柔性铰链快反镜系统作为研究对象,首先对系统前四阶固有频率的振型运动方向进行了分析,并针对传统刚度计算方法不适用于第三阶振型方向的问题,重新推导了第三阶振型方向上的刚度计算公式;其次,利用能量法和卡式第二定理对深切口柔性铰链上的工作刚度进行了推导,并进行了非线性拟合化简,得出的简化计算公式计算结果与有限元仿真结果误差不超过8.9%,证明了推导的铰链工作刚度理论公式的准确性;然后,将第三阶振型方向刚度计算公式和柔性铰链刚度计算公式代入固有频率计算公式,并进行有限元验证,结果表明理论公式计算结果与有限元仿真结果误差不超过1.7%,证明了新的三阶振型方向上的刚度计算公式的准确性。最后利用遗传算法,对系统前四阶固有频率进行了多目标优化设计,到达设计要求,所求出的优化结构较初始结构有明显优化,工作方向刚度减小19.04%,非工作方向刚度提高297.83%和77.09%。此外还对其进行了有限元仿真验证,结果证明一、二阶固有频率减小8.08%、5.40%,三、四阶固有频率提高了112.59%、16.80%。证明优化结构较初始结构有较大提高,能有效提高系统控制带宽。     

新型二维压电驱动微动工作台的设计分析

研究开发了一种新型压电驱动二自由度纳米级微定位工作台。文章采用静力学理论对微动工作台的运动副进行了建模分析，推导出直角平行板柔性铰链的刚度计算表达式。采用有限元分析方法，对柔性铰链和微动工作台的静、动态力学特性数值分析，并对微动工作台的模态频率进行了实验测试。理论分析、有限元计算和实验结果的一致性说明理论分析的正确性和数值分析的可靠性。     

两轴正交圆切口单轴柔性铰反射镜支撑结构

在实际工程应用背景下,基于实际材料参数测试结果,借助有限元分析手段系统分析了切口半径r和最薄切口部位厚度t对圆切口单轴柔性铰柔度系数和等效转动半径dc的影响趋势,并归纳总结出简化的圆切口单轴柔性弯曲变形计算模型。为验证该模型的可靠性,搭建了相应的实验装置。与实测值相比,简化模型的计算误差优于10%,可满足工程应用要求。在此基础上,提出了基于圆切口单轴柔性铰链的两轴反射镜柔性支撑结构简化计算模型,该模型可大大减少经典理论模型的计算工作量,为此类反射镜柔性支撑结构的参数化设计和尺寸优化提供了参考依据。     

单边抛物线形柔性铰链的计算与性能分析

提出了一种单边抛物线形柔性铰链,以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础,推导了单边抛物线形柔性铰链柔度和转动精度的闭环解析公式,利用有限元的方法对柔性铰链的解析公式进行校验,结果表明:有限元方法与闭环解析式的结果基本一致.并对单边抛物线形柔性铰链的性能进行分析,得出了结构参数对其柔度性能的影响关系,并通过对双边抛物线形柔性铰链比较,分析了单边抛物线形柔性铰链的转动能力、转动精度和对轴向载荷的影响等性能,为柔性铰链在结构紧凑、大位移场合的工程应用提供了有价值的参考.     

大口径快速反射镜的模糊自适应PID控制

快速反射镜能否精确稳定跟踪目标取决于良好的伺服控制性能。快速反射镜的通光口径越大,柔性支撑铰链和驱动器设计难度就越大,同时也会对伺服控制提出更高的要求。针对此问题,本文提出模糊自适应整定PID（proportional integral derivative）控制算法,该算法既能运用模糊推理进行自适应整定控制参数,又能继承传统PID控制器便于工程实现。本文对音圈电机（voice coil motor）驱动的?500 mm大口径快速反射镜进行控制器设计且进行仿真实验,并将其结果与基于传统PID控制下的相比较。结果表明,基于模糊自适应整定PID控制的?500 mm大口径快速反射镜的超调量为5.40%,调节时间51.0 ms,且抗干扰能力强于传统PID控制。此外,与传统PID控制相比,本文提出的控制方法提高了?500 mm大口径快速反射镜的响应速度,减小了跟踪误差,提升了?500 mm大口径快速反射镜系统的跟踪性能和鲁棒性。     

倾斜镜系统动态耦合数学模型的建立方法

主要探究了在传感器采样频率较高(如高速相机、位置传感器)、倾斜镜动态特性不可忽略的情况下,如何基于实验数据建立开环倾斜镜系统的动态耦合数学模型的问题。分析了系统的动态特性以及输入与输出之间的耦合,提出了基于倾斜镜系统的输入输出数据、采用子空间辨识算法建立倾斜镜系统动态耦合数学模型的方法,并通过实验评估了模型的准确性和建模方法的可行性。实验结果显示,通过该方法所建立的倾斜镜动态耦合模型的VAF值达到95%,模型准确性相比传统的静态模型有了很大提高,验证了建模方法的可行性。研究成果可用于闭环倾斜镜系统优化反馈控制器的设计,提高系统对于光束偏移矫正的性能。     

基于模型预测控制的大口径快摆镜随动系统

为了满足地基大口径望远镜精密稳像系统的需求,对大口径快摆镜(FSM)的控制方法进行了研究。为了解决三促动器FSM的运动解耦为系统辨识带来的困难,通过解析法和系统辨识法相结合建立了FSM的传递函数模型。依据该模型,设计了PID控制器与模型预测控制器(MPC),采用仿真和实验两种方式比较了两种控制器的效果。仿真结果表明,在受到阶跃扰动后,MPC控制器的恢复速度是PID控制器的45倍。在50 Hz正弦信号下,由于FSM的大惯量特点,PID控制器有严重的时滞,而MPC控制器能以1.224×10^-6″的误差稳定跟随。在噪声抑制方面,对实时加入10%幅值噪声的随机信号,MPC控制器的噪声抑制效果是PID控制器的13.3倍。实验结果表明,MPC控制器能以0.430″的误差稳定跟随50 Hz正弦信号,其跟踪精度是PID控制器的3.212倍,采用MPC控制器的快摆镜能满足快摆镜高带宽和高精度的需求。     

杠杆放大式双足压电直线电机的建模及优化设计

杠杆放大机构设计对于杠杆放大式双足压电直线电机的性能起决定性作用。该文分析了杠杆放大式双足压电电机的作动机理,建立了基于柔性铰链的杠杆放大机构的动力学模型,对机构放大率进行了理论计算,纵向、横向理论放大率分别为3.12和1.98。利用有限元软件进行仿真分析,理论计算与有限元仿真误差分别为3.1%、14.6%。在此基础上,利用遗传算法对杠杆放大机构柔性铰链结构参数进行优化设计,优化后驱动足纵向、横向位移分别提高了17.6%、8.1%。     

空间引力波望远镜主反射镜系统的结构设计优化

针对空间引力波望远镜主反射镜系统的结构及支撑组件进行了设计与优化。主反射镜运用了侧面3点支撑对镜体进行约束,并对支撑点的选取与布局进行了研究。反射镜采用能够实现较大弯曲刚度的背部钻孔式半封闭构型,通过有限元计算结合多目标遗传算法对反射镜轻量化结构进行了参数优化,在不降低面形精度的条件下使镜体结构轻量化率达到74%。设计了一种由两个无阻隔串联式柔度单元组合而成的可调节双轴连杆型Bipod柔性铰链结构,其可对反射镜面形误差进行补偿。建立了柔性铰链并联机构作用于反射镜的数学模型,对其进行了基于MATLAB的参数取值分析,并通过有限元方法完成了对参数取值的修正。最后进行了空间热载荷条件下的反射镜面形分析,结果表明反射镜面形误差优于λ/60,满足设计要求。