双读数系统的天基绝对式光电编码器设计

为了有效地减小航天相机的体积、减轻其重量并满足冷备份要求，设计了双读数系统的天基绝对式光电编码器。首先，根据航天相机的要求，对绝对式光学码盘进行了小型化设计；然后，根据码盘的特点设计了双读数狭缝盘及读数系统；最后，对设计的双读数系统的天基绝对式光电编码器进行了精度检测。实验结果表明：双读数系统的天基绝对式光电编码器外形尺寸为f50 mm×32 mm、重量为150g、分辨力为20″、精度为σ≤30″。本编码器具有读数系统冷备份功能，且体积小、重量轻、抗干扰能力强、满足航天相机的要求。     

航天级光电编码器的信号处理系统设计

为了实现航天级光电编码器的小型化,减小航天设备的体积、重量并满足其冷备份要求,设计了具有双读数系统的航天级光电编码器信号处理系统。首先,介绍了双读数系统航天级光电编码器的精码和粗码信号处理方法以及信号处理系统的小型化和可靠性设计;然后,从光电编码器误差产生的原因及空间分布特征出发,对双读数系统航天级光电编码器进行了精度分析;最后,采用比较法,以23位高精度光电编码器作为角度基准,对该光电编码器进行了精度检测。实验结果表明:应用该信号处理系统的双读数系统光电编码器的分辨力为20″,精度σ≤30″。该系统已在工程项目中得到应用,实践表明系统的设计满足航天设备的技术要求。     

用于星载激光通信终端的绝对式光电角度编码器

针对星上激光通信终端二维转台的精确控制,设计了实时测量转台旋转角度的专用型光电角度编码器。根据星载激光通信终端所需测角系统的设计指标,分别对光电角度编码器的码盘、指示光栅及光电信号的提取方法进行了设计和选择。其中,格林二进制绝对式编码结合高质量的电子学细分,实现了编码器24位的绝对角度测量;四象限矩阵编码方式有效地减小了码盘的径向尺寸;分体读数头式指示光栅较整周玻璃盘大幅度压缩了体积和重量。在室温条件下对安装在星载激光通信终端上的光电角度编码器进行了测角精度检测。结果表明:该测角系统的角度测量精度约为0.7″(优于1.0″)。激光通信终端设备的在轨稳定运行及捕获、跟踪和通信功能的正常发挥,进一步验证了所设计的光电角度编码器测角精度高、抗辐射能力强、工作可靠性高,满足星载激光通信终端设备的应用要求。     

小型绝对式金属光电编码盘

为了提高光电编码器的抗强冲击振动性能,设计了一种新型的小型绝对式金属光电编码盘.首先介绍了小型金属光电编码器的工作原理;然后采用单圈循环格雷码的编码方式,在1圈码道上实现0°～360°的全量程绝对编码,设计出绝对式金属码盘;最后依据金属码盘码道的排列方式及精码、粗码信息的采集要求设计出金属狭缝盘.码盘及狭缝盘基底材料采用不锈钢,通过采用电子学细分技术、精粗校正可使编码器分辨力达到5.27″.小型绝对式金属光电编码器具有成本低、抗冲击性强、分辨力高等特点,在强冲击、强振动工作环境及对体积质量有严苛要求的场合具有很高的应用价值.     

伪随机码在绝对式光电轴角编码器中的应用

介绍了中国光电轴角编码器制造业中新出现的一种绝对式编码器,伪随机码绝对式光电轴角编码器.阐述了伪随机码绝对式光电轴角编码器的编码方法、技术要点及特点.伪随机码绝对式编码器采用M序列伪随机码作为编码方法,采用双狭缝技术进行分时位置读取,并采用ROM元件进行译码输出.伪随机码可以在一条码道上存储多位信息,多位码盘只需要一条码道,极大限度缩小了码盘直径,为国内生产小型化的多位绝对式编码器开辟了新途径.     

多矩阵光电编码器编码方法研究及细分处理

针对当今对编码器小型化、高分辨力、高精度化的要求提出了一种新型多矩阵编码器,研究并设计了多矩阵光电编码器的新型码道图案、光电读数头布置方式和A/D细分电路,在不增加编码器体积与半径的情况下,增加分辨力,提高读数精度,减少读数误差。并且根据实际工作要求分别研究并设计了大小两型多矩阵编码器,分辨力分别为20位与12位,体积分别为φ420×16mm与φ25×16mm,经A/D细分,精度可达10000细分,对于编码器的在国防、航空、航天等高精尖领域具有重要实际意义。     

小型绝对式矩阵编码器

绝对式编码器具有固定起始点、读数可靠等优点。但传统的绝对式编码器码道圈数多,结构尺寸大,给某些方面的应用带来不便,希望结构尺寸小。本文介绍一种小型绝对式编码器的设计方法,其中包括:绝对式矩阵编码盘的设计;工作原理;矩阵译码方法。传统的14位绝对式编码器最小径向尺寸为φ130mm,而采用矩阵式编码盘,同样位数的编码器径向尺寸可缩小到φ65mm。     

高分辨力面阵图像式光电编码器的测角技术

为实现面阵图像式光电编码器的小型化及高分辨力,研究了面阵图像式光电编码器的码盘编码和基于图像处理技术的精码细分算法.首先根据光电编码器的性能指标要求设计相应的码盘尺寸;然后通过图像传感器采集随轴系转动的码盘图样;微处理器接收图像数据,通过图形识别算法得到粗码角度,并采用改进的基准线质心算法,计算亚像素级的精码角度信息.最后由粗码和精码组成光电编码器测角数据.实验结果表明,设计码盘直径为φ45 mm的面阵图像式光电编码器,在不配备光学镜头的前提下,采用研究的精码细分技术,可实现4 096份细分,测角分辨力达到5″,角度误差峰峰值为61″.该面阵图像式光电编码器和精码细分技术可以提高编码器的分辨力,缩小编码器体积,减轻重量.适用于航空航天领域对小型化光电编码器的需求.     

八矩阵超小型绝对式光电编码器

为了实现高精度、高可靠性、绝对式光电编码器的小型化,研究了编码器的编码方式和读数头的结构。介绍了编码器码盘所采用的八象限矩阵编码(即八矩阵码)原理,对比传统四象限矩阵码,八矩阵编码的优点在于它仅需两圈就可以实现10位自然二进制编码:码盘第一圈四路信号实现格雷编码的高三位,第二圈八路信号实现格雷编码的低七位;再经格雷编码与自然二进制的译码关系,得到10位自然二进制码。运用错位移相的方法设计了狭缝的精码窗口,获得了圆光栅莫尔条纹;同时,采用单头读数,减少了发光元器件(光源)的数量。最后,介绍了信号提取方法。实验结果表明,设计的八矩阵编码器实现了超小体积为Φ25mm×16mm,重量28g,分辨率经过电子细分达到了16位,精度(1σ)优于30″。极高的可靠性可保证该编码器在极其苛刻条件下长期正常工作,适于在航空航天和军事领域应用。     

离轴三反消像散多光谱相机调焦系统设计

空间环境的恶劣经常导致航天相机的成像平面偏离焦平面产生离焦,从而影响遥感成像质量.本文针对某航天离轴三反消像散多光谱相机设计了一种调焦系统对成像平面的离焦进行有效补偿.首先,分析了相机的离轴三反消像散光学系统和CCD焦平面的特点,确定调焦方式并阐述调焦系统工作原理.然后,介绍了调焦系统构成以及调焦控制器环境适应性、步进电机力矩选择、调焦传动机构的设计参数和位置编码器,推导出了调焦精度与调焦机构参数及编码器分辨率的关系,分析了调焦系统所能达到的调焦精度.最后,通过调焦系统测试了调焦行程内CCD焦平面直线位置与编码器码值的对应曲线.对闭环控制方式测试数据的计算分析显示,闭环调焦精度在3σ情况下为±3.11 μm,满足相机调焦控制精度±10μm的要求.     

可见与红外双波段航空侦察相机光机设计

为满足高分辨率昼夜凌空侦察和中低空战术昼夜侦察需要设计灵巧型双波段航空侦察相机,该相机的研制为发展新型机载光电侦察设备提供技术储备。根据目标在不同光谱波段下的光学特征设计可见、红外双波段光学成像系统,全视场传递函数达0.5以上。基于SiC材料反射镜设计一种叶片式柔性支撑结构,该结构能够较好的保证反射镜的面形精度,仿真结果显示反射镜在重力载荷和热载荷叠加的情况下面形精度优于12 nm。针对目前航空相机主支撑结构难于同时保证质量小且刚度高的问题,采用NX/Narsrtan软件对相机主支撑结构进行优化设计,优化结果使相机框架结构一阶固有频率提高15 Hz,质量减小10%。通过环境试验、动态成像试验及分辨率检测试验验证设计结果的正确性。相机切实可行的光机设计有效地保证整个系统的性能指标都能满足设计要求。     

一种多总线式多圈绝对值光电编码器

介绍了一种只需单个高精度多码道码盘的多圈绝对值编码器结构原理。通过在各个减速齿轮上设置两个格雷码码道,进而省去了另一个多码道码盘,各个减速齿轮采用相同的码道和减速比,简化了机械设计难度。同时为扩展其应用,通过嵌入多总线协议转换装置,使其适应不同现场总线的工业应用领域。设计了基于数字信号处理器（digital signal processor,DSP）的数据转换与接口装置,给出了软硬件设计方法。     

空间相机主支撑结构拓扑优化设计

针对目前空间相机主支撑结构设计中难于同时保证重量轻且刚度高的问题,提出了采用拓扑优化方法对空间相机光学系统主支撑结构进行优化设计的方案,并采用有限元分析法对两种空间相机主支撑结构优化设计的结果进行了检验。对卡塞格林光学系统和TMA光学系统主支撑结构进行拓扑优化后做了比较,卡塞格林光学系统主支撑结构一阶固有频率从41 Hz提高到72 Hz,重量降低了15%;TMA光学系统主支撑结构在一阶固有频率不降低的情况下,重量降低了35% 。结果表明,采用拓扑优化设计方法缩短了设计周期,提高了空间相机主支撑结构的性能,有效降低了支撑结构重量,满足了系统设计要求。     

一种新型大中心孔绝对式磁编码器

为测量机器人关节端角度和电机端位置,研制一种基于霍尔原理的新型绝对式磁编码器,采用大中心孔结构,具有大的中心孔、体积小、结构紧凑、分辨率高、绝对式位置测量等特点。传感器由转子和定子组成,转子的磁码盘包括主码道和游标码道,定子由霍尔敏感芯片和信号调理电路板组成;根据游标计算原理,得到了传感器绝对角度的计算方法。通过仿真软件分析了转子的磁场分布和模态;为进一步提高磁编码器的输出精度,提出一种基于遗传优化算法的误差补偿模型,搭建了传感器的标定平台,实验结果表明传感器绝对定位精度可以达到0.2°,经过模型补偿后可以达到0.036°,满足机器人关节及伺服系统设计要求。     

用于蓝宝石长时光盘的光学信息读取系统

蓝宝石材料具有高度力学和化学稳定性,因此以蓝宝石作为衬底的光盘是实现长时数据存储的有效解决方案。但是,由于单晶蓝宝石材料具有明显的各向异性,当扫描光束入射到单晶蓝宝石基底表面时会发生双折射,从而使标准的CD读取系统对蓝宝石光盘失效。针对蓝宝石材料这一特性,建立了光束在单晶蓝宝石衬底中传输的物理模型,提出采用石英补偿板来补偿蓝宝石衬底像差的补偿机制。进行了数据读取实验,结果表明,采用所述像差补偿方法能够显著提高蓝宝石光盘光学信息读取系统的读取性能。     

Disc cutters’ layout design of the full-face rock tunnel boring machine (TBM) using a cooperative coevolutionary algorithm

In rock TBM design the disc cutters’ layout design of the full-face rock tunnel boring machine (TBM) is one of the key technologies. However, there are few published papers in literatures for various reasons. In this paper, based on the engineering technical requirements and the corresponding cutter head’s structure design requirements, a nonlinear multi-objective disc cutters’ layout mathematical model with complex constraints and the corresponding multi-stage solution strategy are presented, in which the whole disc cutters’ layout design process is decomposed into the disc cutters’ spacing design and the disc cutters’ plane layout design. A numerical simulation method based on the FEM theory is adopted to simulate the rock chipping process induced by three TBM disc cutters to determine the optimal cutter spacing. And a cooperative coevolutionary genetic algorithm (CCGA) is adopted to solve the disc cutters’ plane layout design problem. Finally, a disc cutters’ layout design instance of the TBM is presented to demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed method. The computational results show that the proposed method can be used to solve the disc cutters’ layout design problem of the TBM and provide various layout schemes within short running times for the engineers to choose from.     

面向光学装调微小距离测量的系统设计

光学仪器能否精准装调对其最终呈现的成像质量及性能有着重要影响。针对光学相机装校的修切量检测,提出了一种用于微小距离测量的光路方案并设计了一款物像等距的有限远共轭光学系统,其放大倍率为1×,数值孔径为0.09,视场为0.5°。根据实际应用需要,制定合理的光学指标,利用光学设计软件Zemax进行系统的设计与优化。结果表明,有限远共轭光学系统各视场在160 lp/mm处的调制传递函数均接近衍射极限,且都大于0.3,各视场的均方根半径小于艾里斑半径,满足光学指标设计要求。搭建实验平台,对装配星敏感镜头和CCD相机的修切圈进行测量,实验结果符合设计要求。