快速控制反射镜两轴柔性支撑平台刚度优化设计

基于椭圆弧柔性铰链兼顾了直梁型柔性铰链运动范围大和圆弧型柔性铰链运动精度高的特点,设计了基于椭圆弧柔性铰链的二维快速控制反射镜系统两轴柔性支撑平台。为使柔性支撑平台快速响应性好,即使其低阶固有频率最大化,对该柔性支撑平台进行了结构优化设计。理论推导了单个柔性铰链最大刚度与许用应力、转角和铰链参数的理论计算公式。然后,采用集总参数的分析方法,得出了两轴柔性支撑平台低阶最大固有频率的理论计算公式。由公式可知:在转动惯量一定的情况下,低阶固有频率最大化即为工作方向刚度最大化。最后,通过有限元仿真和实验检测验证了理论计算的准确性,得到的结果显示:柔性支撑平台的最大固有频率和最大应力的理论值与仿真值的相对误差小于5%,平台工作刚度的理论值与仿真值、实测值的相对误差分别为3.86%和5.75%。仿真和实验结果表明:利用本文推导的理论公式进行柔性支撑平台刚度优化设计,既可以满足工程设计要求,又能省去繁杂的有限元计算。     

采用柔性铰链的快速反射镜设计

根据激光发射系统对快速反射镜发射方向精度的需求,提出了一种新型快速反射镜设计方案。该方案以柔性铰链为运动传递元件,采用直线音圈电机驱动,并用高精度光栅测微仪实现位置闭环控制。首先,介绍了反射镜工作原理及驱动方式,选择了系统的驱动元件和测角元件,并对柔性铰链结构进行设计。在研究其刚度特性的基础上,采用序列二次规划法优化了铰链关键尺寸。然后,建立了驱动组件的简化模型,并利用理论公式和有限元分析软件分别计算驱动组件的转角精度。最后,使用测角元件及自准直平行光管测量了快速反射镜的转角精度。实验结果表明：所设计的快速反射镜装置工作稳定、结构可靠,对发射光束的控制精度能达到0.95",满足激光发射系统实时控制光束发射方向的精度要求。     

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。     

大口径反射镜支承设计

对用于某大型激光装置的大口径反射镜的定位、安装、调整等问题进行分析，在满足稳定性要求的前提下，运用精确约束理论，模块化设计反射镜组件，以达到快速维修更换的要求。本文将对大口径反射镜支承的结构特点和力学分析及试验进行介绍。     

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。     

基于柔性浮动支承的对接装配装置的设计

提出了一种基于柔性浮动支承设计对接装配装置的新方法，该对接装配装置可方便灵活地对工件的空间位姿进行调节，并实现对接装配的自适应。     

提高中心球铰式快速反射镜指向精度的机构设计

为了提高快速反射镜的承载能力及其对振动、冲击等恶劣工作环境的适应性,一种中心采用球形铰链进行刚性连接、音圈电机驱动的快反系统应运而生.但该型快速反射镜运动部分绕中心轴回转的自由度无约束,直接限制了系统指向精度和动态稳定性的提高.为了克服此技术缺陷,设计了一种柔性防转机构.在明确中心球铰式快反系统结构特点和误差来源的基础上,对柔性防转机构中弹片的结构形式及尺寸进行了设计,对柔性弹片各方向的刚度进行了有限元分析、对比,最后,针对是否装有柔性防转机构的快反系统的指向精度进行了对比测试.结果表明:该柔性防转机构结构简单、易于实现,并能有效改善快反系统的指向精度(约提高3倍).在确保中心球铰式快反大的承载能力的前提下,使其具备了传统柔性无轴式快反的优点.     

同步辐射仪器中柔性铰链压弯机的研究

阐述了一种应用柔性铰链产生精密光学反射镜的弹性压弯机构的工作原理.应用经典力学方法对这种压弯机构进行了详细的力学分析,并将这种弹性压弯机构简化成平面钢架结构,用力法正则方程和梁的弯曲方程推导得出镜子的曲率与压弯机构参数及压弯驱动力之间的关系,即压弯机构驱动方程或镜子曲率方程.对影响镜子面形精度的弹性压弯机构参数进行分析,重点讨论了弹性压弯机构转动中心轴和镜子中性面不重合时对镜子面形精度的影响.分析了柔性铰链在这种弹性压弯机构中的作用及其对镜子面形精度的影响.并应用有限元数值计算方法对经典力学分析得出的压弯机构驱动方程进行验证,证实了经典力学分析的正确性.此压弯机构驱动方程可以作为这种弹性压弯机构设计的理论基础.     

底支承对小口径反射镜镜面变形的影响

论述了运用有限元技术研究镜面变形的方法及分析底支承在不同口径，焦比、厚径比和相对支承半径时镜面变形的技术；在取得的相互关联的最大镜面变形数据基础上，研究了影响小口径反射镜底支承镜面变形的因素。     

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。     

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。     

压电式快速控制反射镜的迟滞特性及线性化

针对压电式快速控制反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)的迟滞问题,分析了压电式FSM的工作原理和迟滞特性,建立了基于Bouc-Wen算子的压电式FSM的数学模型及其参数辨识方法。通过Bouc-Wen算子模拟压电式FSM输出镜面偏转角度中的迟滞分量,并根据在两个相位相同的输入驱动电压信号下压电式FSM的输出镜面偏转角度曲线辨识Bouc-Wen算子的全部参数。在此基础上,提出了压电式FSM的前馈线性化方法。为了验证提出的数学模型和线性化方法的原理,建立了压电式FSM及其线性化控制器的快速原型系统和Bouc-Wen算子参数辨识实验装置。实验结果表明:本文提出的参数辨识方法能够准确辨识压电式FSM的Bouc-Wen算子参数,提出的前馈线性化方法能够将压电式FSM的输出镜面偏转角度与输入控制电压的线性度提高到2.3%,迟滞误差减小到±0.5%,满足实际应用对精确控制压电式FSM的要求。     

大角度压电式快速控制反射镜

针对现有的基于压电陶瓷叠堆执行器的快速控制反射镜偏转角度较小的问题,提出了一种大角度定轴偏转压电式快速控制反射镜。采用基于柔性铰链的桥式位移放大机构将压电陶瓷叠堆执行器的输出位移放大,并将其作用到反射镜面上实现大角度定轴偏转。在此基础上,建立了压电式快速控制反射镜的结构和偏转角度输出方程,并通过理论推导和仿真对其工作时的最大偏转角度、最大应力和自然频率特性进行了分析。最后,通过实验测试对建立的压电式快速控制反射镜的工作原理和特性分析结果进行了验证。结果表明,建立的偏转角度输出方程能够根据压电陶瓷叠堆执行器的输出位移准确估计压电式快速控制反射镜的机械偏转角度,从而大大提高设计的效率;建立的压电式快速控制反射镜可以实现大于3°的镜面机械偏转,其固有频率为180Hz,能够满足高速稳像系统的偏转角度大、响应速度快的要求。     

PZT驱动快速控制反射镜的设计与试验

针对望远镜光束对准精确度损失以及光束稳定性难以保持等问题.将快速控制反射镜技术应用到望远镜光路系统中,开展了影响压电陶瓷(PZT)驱动快速控制反射镜性能指标的分析;建立了结构谐振频率、分辨力、通光口径和惯性力等与系统性能之间的关系,根据Rayleigh能量法建立了其基频理论模型,在此基础上建立了有限元模型并对理论模型进行了评价,进行了结构一阶谐振、量程、一致性以及校正能力试验.研究结果表明:与实测结果相比,理论和仿真分析结果误差均小于3％,证明了理论模型简化的合理性与正确性,可以作为后续设计参考;结构双向一致性较好;校正量程大于±4′;校正能力优于0.06″,对于较差视宁(相干长度50 mm,等晕角2”)亦可以满足精度高、响应快的应用要求.     

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.     

Design and evaluation of a PEA-driven fast steering mirror with a permanent magnet preload force mechanism

This paper presents the design and evaluation of a high-bandwidth fast steering mirror (FSM) driven by a piezoelectric actuator (PEA) for applications in the scanning systems. To avoid additional dynamics induced by flexure hinges and to simplify the structure of the FSM, a preload force mechanism based on permanent magnets (PMs) is proposed. Actuators and sensors that can satisfy the required flatness and bandwidth are chosen, and the designs of the mirror and the preload force mechanism are completed with the aid of finite element analysis. A simple system model and controller design are achieved by analyzing the voltage transformation and the relationships between different displacements. To verify the feasibility of the design and evaluate the performance of the FSM, a series of experiments was carried out with voltage control, charge control, and charge plus notch filter control. The final experimental results show that the FSM reaches a high bandwidth of 8 kHz with charge plus notch filter control, demonstrating that design of an FSM with a PM preload force mechanism is feasible.