基于在轨更换的光学载荷定位机构研究

为了实现空间望远镜大型光学载荷的在轨更换,设计了一种能够实现在轨快速拆装的定位机构,并针对其核心问题即在轨重复定位精度进行了研究。首先,选定了一种能够避免热应力的运动学定位方式。在此基础上设计了定位机构,并根据刚体的微小角位移是矢量并符合矢量合成法则的原则,利用角位移矢量合成的方法推导出了光学载荷的转角数学模型;然后,设计杆系结构模拟了光学载荷及其框架,同时为了模拟光学载荷在轨拆装的微重力环境,利用微重力模拟的常用方法悬吊法设计了悬吊装置,以实现光学载荷模块的重力卸载;最后,搭建了试验检测环境,对光学载荷模块进行重复拆装试验,利用经纬仪及数显千分表进行检测,并处理试验结果得到了重复定位误差值。结果表明,光学载荷模块的重复安装转角误差最大为±28.8″,平移误差最大为±0.057mm。本文研究能够为在轨可更换载荷定位机构的设计提供参考,具有理论意义和应用价值。     

空间相机均力输出式调焦机构

为了补偿空间相机因所处复杂运载环境和空间运行环境导致的焦平面偏移,研制了一套利用均力输出组件驱动,正反双曲柄滑块机构传动,直动组件导向的新型高精度调焦机构。介绍了其结构组成和运动原理,并对其误差来源及影响因素进行了深入分析。该调焦机构采用两点支撑方式,两支撑点均力输出且无同步性误差,机构内应力小,运行平稳,调焦精度高;运动副采用预压消间隙措施,有效消除配合间隙,无空回,重复精度高。在模拟空间环境条件下,对其各项参数进行了测试。试验结果表明,该调焦机构可在±1.77mm间调焦,直线定位精度大于±8μm,重复性优于±2μm;同步性误差小于±4μm,重复性优于±3μm;调焦行程范围内调焦反射镜转角精度优于±5″,重复性优于±1.5″。得到的结果能够满足空间相机在复杂空间环境下的成像需求。     

大型空间望远镜次镜调整机构精度分析与测试

为满足大口径离轴三反空间望远镜在轨成像质量需求,设计了一种基于6-PSS并联机构的次镜调整机构,并针对其精度进行了分析与实测。首先,分析了次镜调整机构的组成和光学系统对它的精度需求。随后,以逆运动学分析为基础建立了次镜调整机构的误差模型,并对结构参数、动平台位置、动平台姿态对整机精度的影响进行了理论分析,根据分析结果结合实际空间包络及重量等约束确定结构参数,并采用Monte Carlo模型分析了该结构参数下的次镜调整机构的随机误差和系统误差。最后,搭建了精度测试系统,对次镜六维调整机构的主要技术指标进行了实测。测试结果显示,次镜六维调整机构的位移分辨率优于0.1μm,角度分辨率优于0.5″,双向重复定位精度达到亚微米/亚角秒量级(±0.4μm/±0.3″),其绝对定位精度可以达到微米/角秒量级,满足大型空间望远镜在轨成像要求。     

空间高光谱相机调焦机构精度分析与试验

针对空间高光谱相机的使用特性及要求,设计一套调焦范围±3 mm的像面移动式调焦机构,对偏离的焦面进行校正,以满足高光谱相机成像质量要求。介绍调焦机构的工作原理,对调焦机构的传动关系、定位精度进行理论分析;建立调焦机构的动力学模型,进行有限元分析;详细论述编码器码值与CMOS靶面位移关系测试方法,得到真实可靠的调焦公式;动力学试验表明,调焦机构一阶自然频率为182.7 Hz,可以有效地避免共振现象,加速度响应合理,具有较好的强度、刚度;同时在动力学试验前后,对调焦机构分别进行闭环精度测试,定位精度均优于±6μm,试验结果表明调焦机构具有较好的稳定性,满足±10μm的设计指标要求,验证调焦公式以及闭环控制程序设计的有效性。目前,此套调焦机构已经成功在轨运行,各项指标状态良好,满足高光谱相机的成像质量要求。     

基于柔性铰链和磁致伸缩效应的二维微定位机构的研究

设计了一种新型的基于柔性铰链和磁致伸缩效应的纳米级二维微定位机构 ,并对该机构进行了实验研究 ,其重复定位精度在 4μm× 4μm范围内为± 2 nm。     

晶圆测量系统的设计与有限元分析

本文设计了一种晶圆测量系统,主要由大理石基座、测量平台、大理石横梁、上测头机构、下测头机构和一对共焦位移传感器等部件组成;对测量平台、上、下测头支架等结构进行了有限元分析和校核,满足设计要求;并进行了样机重复精度测试,测得THK的重复精度±0.3μm、Warp的重复精度±0.2μm、Bow的重复精度±0.2μm、TTV的重复精度±0.5μm,重复精度完全达到实际测量要求。     

空间激光干涉仪光程倾斜耦合噪声抑制

在"太极计划"中由卫星抖动引起的光程倾斜(tilt-to-length,TTL)耦合噪声是影响激光干涉测量精度的第二大噪声源,为保证测量精度,该噪声要≤±25μm/rad@±300μrad。基于费马原理设计了由双凸透镜组成的成像系统,仿真分析了该成像系统对于TTL耦合噪声的抑制效果,搭建物理实验平台验证了该成像系统抑制TTL耦合噪声的有效性。仿真结果表明:加入双凸透镜成像系统后,TTL耦合噪声≤±10μm/rad@±300μrad;实验结果表明:加入双凸透镜成像系统后,TTL耦合噪声≤±15μm/rad@±300μrad,均满足"太极计划"对光程倾斜耦合噪声抑制水平的要求,且整个干涉光路易于调控、测量精度高。通过搭建物理实验平台验证了TTL耦合噪声的抑制效果,为"太极计划"激光干涉测量奠定了物理实验基础。     

一种大工作空间密度的压电微动二维工作台设计

针对目前微纳定位工作台工作空间密度小的问题,设计了一种新型二自由度对称式并联微纳定位工作台。分析了影响平行四边形位移放大机构变形的主要因素;对直圆柔性铰链、平行板柔性铰链和倒圆角直梁型柔性铰链进行刚度计算;采用能量法和位移矩阵得出平行四边形位移放大机构输出力和载物台运动位移的计算公式;优化平台尺寸,并对优化后的结果进行有限元仿真和实验分析。实验后得到设计平台的工作空间尺寸为143.7μm×142.1μm,工作空间密度可达2.521μm~2/mm~2,与同类型平台相比,能够实现较大的工作空间密度。     

考虑耦合件的耦合模块化设计方法及应用研究

针对制造业中功能相似、尺寸规格多样、单批量生产的机械产品模块化设计问题,分析了模块化设计时产品从设计域到需求域的映射过程中,功能模块和结构模块的对应关系,提出了一种耦合模块化设计方法。在功能模块划分的基础上,分析了功能模块的结构组合关系、各零部件的组成与接口关系;确定了设计目标中是否存在耦合件的判定原则,并给出了耦合件的详细设计方法;最后以舱门开关机构为例,进行了实际设计验证。研究结果表明:经过耦合设计,功能模块之间尺寸可调,一套舱门开关机构可以在不同直径舱门上装配,满足了测试时两个转动模块的不同中心距要求,避免了重复装配模块接口的精度影响,减轻了整个机构的重量。     

高功率激光装置中靶的定位调试

为了提高高功率激光装置中靶定位调试的效率和精度,提出了一种仿真初调和实验误差分析相结合的靶定位调试方法。该方法采用3-CCD传感器进行定位监测,利用OpenGL成像技术实现CCD仿真图像的采集,并对目标靶、送靶机构等进行虚拟构建。基于仿真实验分析了实际系统中靶定位的误差来源,包括图像检测误差、3-CCD传感器的装校误差及送靶机构的定位误差等。靶定位算法的调试和初步验证在仿真系统中独立进行,实现了理想条件下的零误差定位调整;调试后的算法在实际系统中的靶定位精度小于±5μm,角度误差为±0.015°。由于仿真初调可脱离实验平台进行,故有效地提高了工程效率。提出的调试方法在实际系统中的定位精度满足高功率激光打靶的要求。     

QFN引线框架全自动贴膜装置的设计

设计了一种方形扁平无引脚封装(QFN)引线框架全自动贴膜装置,可以满足半导体QFN引线框架生产企业和半导体后道封装测试企业的生产工艺需求。介绍了这一贴膜装置的设计要求、结构、工艺流程、人机界面,分析了上料存料机构模组、贴膜机构模组、上下料搬运机械手模组,并给出了贴膜塑封效果。应用这一贴膜装置,能够解决QFN产品在塑封工艺阶段的溢料问题。     

在轨可更换模块对接接口技术综述

针对航天工程上对航天器进行模块更换的在轨服务与维护技术需求，梳理了国内外在轨可更换模块对接接口技术的研究进展和成果。从对接接口与机械臂动作特点出发，重点对其技术需求、功能原理、性能指标等进行了综述，对国内外在轨可更换模块对接接口技术的差距进行了对比分析，并提出了我国在轨可更换模块对接接口关键技术的发展方向。     

X-Y精密定位平台的敏感函数逆前馈补偿控制

针对音圈电机驱动的X-Y定位平台中稳态误差导致的系统定位精度较低的问题,提出了基于敏感函数逆的前馈补偿控制方法。首先,采用频域辨识方法建立了系统模型,基于终值定理推导出系统扰动和稳态误差的关系,并由此设计了敏感函数的逆模型来补偿扰动对稳态误差的影响,从而提高系统精密定位性能。最后,在搭建的音圈电机驱动X-Y定位平台上进行了不同运动行程的实验研究。实验结果表明:在行程为10μm,最大加速度为6mm/s2的微定位运动条件下,补偿后的定位误差可由2μm降低到0.2μm;在行程为10mm,最大加速度为6m/s2的宏定位运动条件下,定位误差可由2μm降低到0.4μm。实验结果验证了本方法的有效性,为后续高精密伺服系统的研制提供了重要参考和设计依据。     

固态组件和冷板间的接触热阻实验研究

为了维护的方便,电子设备固态组件与冷板之间的连接一般不采用焊接的方式,而是采用螺钉连接、锁紧机构压紧等形式。文中对采用4个M2.5螺钉进行连接以及采用锲形块锁紧机构进行连接两种情况的接触热阻进行了对比实验研究,并研究了相同锁紧形式下,在连接界面添加不同界面材料(导热硅脂、铟箔和导热衬垫)时的接触热阻,以及不同热流密度情况下的接触热阻。结果表明:锁紧机构连接的接触热阻小于螺钉连接的情况;添加界面材料后接触热阻变小;界面材料中,添加导热硅脂时的接触热阻最小,而铟箔最大。     

Study on compound ultra-precision alignment technique

A nano-displacement measurement system with duo-gratings is analyzed by using optics theory,a mathematic model for the system is established,and the characteristic of laser Moirésignals is studied through CAD simulation.To improve signal sensitivity and positioning accuracy,two methods of precision positioning are brought forward：differential Moirépositioning method and modified Moirépositioning method.A compound control system for precision positioning is set up by combining these 2 Moiréalignment methods,in which the modified Moiréalignment technique is used for coarse alignment and the differential Moiréalignment technique is used for fine alignment,and the system obtains positioning accuracy of±10 nm in±500μm positioning range with shot response time.     

基于多传感器信息融合的车辆高精度定位技术

为解决多轴应急救援车辆在复杂环境行驶时的定位误差问题,设计了一种基于多信息融合的组合定位系统,该定位系统主要由前端里程计和后端优化模型组成。首先完成三轴车运动学建模,推导出基于惯性测量单元的运动学预测方程和基于全球定位系统的运动学观测方程,通过Kalman滤波器进行状态更新,完成前端里程计的构建;然后设计了基于迭代最近点匹配算法的外参标定工具,并构建了特征点云匹配模型,完成后端模型优化;最后进行了仿真与实验,研究结果表明,该系统定位误差为±3.45 cm,角度误差为±0.10°,准确性、稳定性均得到了很大的提高。     

空间索杆铰接式伸展臂参数设计与精度测量

结合空间索杆铰接式伸展臂在航天工程中的应用,基于伸展臂从航天器伸出且前端支撑负载的在轨工作状态,运用欧拉梁理论建立了悬臂式伸展臂理论分析模型。分析了工作状态下伸展臂与负载系统的固有频率和根部弯曲强度,提出了基于伸展臂固有频率限制和根部弯矩限制的伸展臂参数设计方法。通过算例分析了伸展臂线密度、半径、纵杆截面面积等主要设计参数与伸展臂固有频率和根部弯矩之间的关系。研制了伸展臂原理样机,其弯曲刚度和抗弯强度分别为0.388 MN.m2和562.12 N.m,验证了伸展臂具有较高的刚度和强度。对伸展臂物理样机的地面重复展开定位精度进行了测量实验,其轴向、水平、竖直方向上的重复展开精度分别为0.127 mm、0.645 mm和0.588 mm,证明了伸展臂具有较高的重复展开定位精度。     

基于红外定位的微小型自重构移动机器人

为了提高微小型移动机器人的作业能力,提出了一种模块化的微小型自重构移动机器人系统。系统中每个单元机器人既可以作为动力单元,拖动其他机器人进行探测,也可以独立成为通信节点,扩大系统的通信范围。单元机器人由中央处理模块、通信模块、驱动模块、对接模块和定位模块组成。多个单元机器人可以彼此对接构成组合机器人。为了实现微小型化,设计了基于红外信号强度的定位方法。并针对现有对接技术的不足,结合电磁式重构机构与机械式重构机构的优势,提出一种新型的自动对接方法。最后进行了机器人之间的对接实验,实验结果证明了机器人设计的合理性。     

可重构式机械臂运动构型与关节控制系统研究

为了服务于我国空间战略实施计划，从解决空间站复杂多样的在轨任务出发，分析任务特点， 利用已经建立的机械臂模块库中的各类运动模块搭建机械臂构型。针对机械臂构型分析关节运动特点，设 计关节控制器，并采用Ｚ- Ｎ 法结合遗传算法优化关节控制器控制参数，并对该方法进行了仿真验证，说明 该方法的可行性。     

硅基集成式微型平面纳米级定位平台控制

为了解决纳米级定位平台小型化、低能耗、定位精度高的问题,基于结构、驱动和检测一体化的设计理念,研制出了一种硅基片上集成式微型平面纳米级XY定位平台,在建立定位平台数学模型基础上,利用Matlab分析软件对定位平台开环和闭环控制特性进行了比较和仿真分析.在实际控制中,针对硅微机械加工的MEMS器件难以获取精确数学模型的不足,将单神经元算法和传统PID控制算法相结合,设计了具有自动识别被控过程参数并对控制参数进行实时自校正的单神经元自适应PID控制器,依靠平台自身集成的位移传感器实现了定位平台的位置闭环控制,实验结果表明:单神经元自适应PID控制器不仅具有结构简单、鲁棒性好等特点而且能够有效地弥补硅基定位平台由于微机械加工限制造成的机构方面不足,定位平台的动态和稳态性能良好,最大工作行程±10 μm,稳定时间小于2.5 ms,重复定位精度优于24.9 nm.