机载刚性支撑式快速控制反射镜设计

设计了一款紧凑型刚性支撑式快速控制反射镜(FSM),以适应机载运动平台的高振动、大冲击和高低温等恶劣工作环境。考虑机载FSM的工作需求,分别对FSM的支撑轴系、驱动元件和测角元件等进行设计与选择。针对刚性支撑轴系设计了轴系间隙调整机构,提高了FSM系统的轴系精度,进一步增大了FSM的承载能力;针对机载FSM研制了专用小尺寸微位移测量传感器,通过将4个传感器非轴线对称布置,并利用二次差分的方式实现反射镜位置的实时监测,进一步减小了FSM系统的体积,提高了它的测量精度。最后,对机载FSM的控制带宽和指向精度进行了实验检测。结果显示:所设计的FSM系统控制带宽约为110Hz,方位指向误差不超过3.4″,俯仰指向误差不超过3.8″,表明所设计的FSM控制系统稳定、响应速度快、指向精度高,满足机载运动平台的应用要求。     

具有两个双轴柔性铰链的快速反射镜设计

为了改善快速反射镜(FSM)对车载运动平台振动、冲击环境的适应性,设计了一款具有中心和四周两个双轴柔性铰链支撑结构的FSM。在明确车载跟瞄发射系统应用需求的基础上,分别对FSM的平面反射镜、驱动元件、测角元件和柔性铰链进行了详细设计和选择。采用两两差分的方法对四通道电涡流传感器的测量噪声进行抑制,有效保证了FSM的测量精度。采用有限元分析的方法对中心和四周柔性铰链的模态和刚度进行分析与优化设计,有利保证了FSM控制带宽的提高。完成FSM的精密加工、装调后,对系统的指向精度、控制带宽和阶跃响应时间进行了实验测试分析。结果表明,所设计FSM的指向精度优于1″,闭环控制带宽大于200 Hz,阶跃响应时间约为10 ms,满足车载平台系统的应用需求。     

提高万向轴系式快速反射镜指向精度的装置

为了减小万向轴系式快速反射镜(FSM)的轴向间隙,改善FSM系统的指向精度,设计了一种轴系间隙消除装置。在明确万向轴系式FSM结构原理的基础上,分析了FSM系统指向误差的来源。然后,设计了轴系间隙消除装置,计算了压缩弹簧预紧力并对它的结构参数进行了设定。最后,针对是否装有轴系间隙消除装置的FSM系统的指向精度进行了对比测试。结果表明:该轴系间隙消除装置能够有效改善FSM系统的指向精度,使其在方位方向提高约4.4倍,俯仰方向提高约3.3倍。此外,在刚性支撑轴系基础上设计的弹性轴向间隙消除装置,不仅改善了万向轴系式FSM的指向精度,还为系统的运动部分提供了二次刚性支撑,从而进一步提高了FSM的承载能力。     

车载大口径刚性支撑式快速反射镜

为了适应车载平台恶劣的工作环境,设计了一种大口径刚性支撑式快速反射镜。针对车载跟瞄转台对快速反射镜的应用需求选择音圈电机为驱动器,并分别设计了快速反射镜系统的平面反射镜、驱动器、支撑基座、测量元件和机械结构。然后,应用有限元分析方法,有效地实现了平面反射镜的轻量化及支撑基座的模态分析。快速反射镜通过球型铰链实现其运动部分与不动部分的连接,主要载荷通过铰链由支撑基座间接承载,从而有效地保障了大口径快速反射镜的承载能力和环境适应性。最后,组建了伺服控制系统,并对控制带宽和指向精度进行了测试。结果显示:所设计的车载大口径快速反射镜带宽达67Hz,方位指向精度为1.0″、俯仰指向精度为1.1″,表明控制系统稳定实用,满足车载平台的应用要求。     

车载激光系统光束控制反射镜角位移测量装置

为了使快速控制反射镜(FSM)能在车载、舰载等运动环境下稳定工作,并具有很高的控制精度,研制了一套高精度角位移测量装置,该装置通过精确地提供反射镜摆角信息作为系统的反馈信号来实现伺服闭环控制.针对传统快速控制反射镜位置信息反馈传感器的精度低以及不适于动载环境等缺点,采用田字裂相信号提取方法设计了基于莫尔条纹计数测量原理的精密光栅,并通过计算机进行仿真分析设计了具有抗干扰能力和耐高低温变化的绝对零位信号,其对比度达0.25.对信号处理电路进行高度集成,实现了小型化.实验结果表明,反射镜角位移测量装置测量的反射镜角分辨率为0.15″,测角精度优于0.4″,完全能满足机动式条件下,高能激光发射系统对FSM控制精度的要求.     

月基对地观测极紫外相机光机结构设计

为了实现从月球表面对地球周围等离子体层进行长期观测,给出了一种有效可行的实现方案:采用单球面反射镜与球面探测器组成光学系统,视场角14°,空间角分辨率小于0.1°;采用地平式二维转动机构以实现对成像镜筒组件俯仰、方位的调整,保证对地球的瞄准和跟踪。重点对主反射镜支撑结构和转动机构给出了较为详细的设计。有限元分析和试验表明,光机系统选材合理,焦平面稳定性好,反射镜支撑结构合理,镜面面形在ΔT=50℃温降载荷下≤14nm;二维转动机构动态刚度较高,结构紧凑,整机重量≤16kg,在要求的温度变化范围内运转正常。     

柱塞泵组件球面缝隙流动特性分析

球面缝隙流动常见于多种机械结构,如柱塞泵中的球面配流副、球铰副等,然而针对球面副半径不等及存在偏心的缝隙流动特性研究较少。针对2个半径不相等的球面元件形成球面缝隙且其球心存在一定偏心时,根据球坐标系下的N-S方程对其缝隙中流体的速度分布、压力分布、泄漏流量及流体的承载量进行了分析,得到了相应的解析表达式,依此可知,半径相等且球心存在一定偏心时球面缝隙中流体的相关解析表达式;同时,得到了仅与球面缝隙流动自身结构有关的球面支撑泄漏系数和球面支撑承载系数,进一步为形成球面缝隙的机械结构(如柱塞泵中的球面配流副、球铰副等)相关设计提供理论参考;最后以柱塞泵中球铰副形成的球面缝隙为例,对其缝隙中流体的压力分布、速度分布等参数进行了分析。     

柔性轴FSM控制技术综述

在复合轴光电跟踪系统中,通过对快速反射镜（FSM）的控制实现了光束的更精确控制。本文分析了国内外几种柔性轴FSM的机械结构及性能,具体介绍了应用较成熟的柔性轴FSM控制系统以及柔性轴系统设计的几项关键技术。     

基于动力学模型的快速反射镜设计

为了实现快速反射镜系统(FSM)的性能预测和快速设计,建立了两轴FSM的动力学模型,并提出了基于该动力学模型的FSM设计方法。介绍了FSM的结构与工作原理,推导了FSM的理想动力学模型,分析了FSM的高阶谐振和轴间耦合,建立了二自由度FSM整体模型。基于该模型,设计了某型FSM的主要参数,并进行了性能仿真。根据所设计的参数制作了FSM试验样机,测试了样机性能。试验结果表明：模型性能仿真结果与试验样机测试结果基本一致,系统带宽达到250 Hz以上,调节时间小于15 ms,超调量小于8%,定位精度优于20 μrad。结果表明,设计的FSM样机性能满足指标要求,验证了该设计方法的有效性和正确性。     

音圈致动快速反射镜的降阶自抗扰控制

为改善航空光电载荷用音圈致动快速反射镜的控制性能,提出一种降阶自抗扰控制方法。首先,对快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)模型进行了分析并获取了模型参数。根据自抗扰控制理论,设计了FSM的三阶通用自抗扰控制器。将电涡流传感器的测量结果视为已知,提出降阶扩张状态观测器及其对应的自抗扰控制器设计方法。根据控制器带宽设计思想,推导了对于FSM这类二阶欠阻尼对象的控制律,并给出了加入扰动补偿量的控制律的具体实现形式。实验结果表明,降阶自抗扰控制能明显改善FSM的位置阶跃响应动态性能,能实现无超调与振荡的阶跃响应,稳态时间由11.7 ms提升至9.2 ms,同时能够降低FSM对位置斜坡输入跟踪的稳态误差,并改善其速度响应动态过程,像移补偿稳速时间由10.2 ms提升至7.8 ms,提升约24%。降阶自抗扰控制具有实现简单、运算量小的特点,能够明显提升FSM的动态性能。