基于柔性铰链的大口径望远镜并联调整机构

为减小地基大口径望远镜在光学追踪过程中重力变形对成像质量的影响,设计了一种基于柔性铰链的高侧向刚度、亚微米精度并联调整机构。首先,介绍了系统组成并针对技术指标的要求,开展了两自由度柔性铰链设计。建立了柔性铰链并联机构的等效运动学模型和刚度模型,搭建了并联机构刚柔耦合运动学仿真系统,分析了柔性铰链对机构精度的影响。最后,搭建实验测试系统,来验证柔性铰链的设计合理性和并联调整平台刚柔耦合运动学分析的准确性。仿真和测试结果表明,柔性铰链转动刚度误差控制在3.54%之内,小位移（微米/角秒量级）运动精度达亚微米量级,大位移（毫米/度）运动精度与仿真结果对比误差控制在微米量级,机构侧向刚度优于60 N/μm,能够满足地基望远镜光学成像的要求。     

大型光学载荷次镜调整机构优化设计及误差分配

设计了一种用于大型光学载荷次镜在轨位姿精密调整的Hexapod型平台机构,并对其进行构型参数优化以及各支撑杆和上下铰点误差限的最优分配。建立了Hexapod平台机构运动学模型和静柔度模型,分析了主要结构参数对机构性能的影响。按照次镜精调机构性能要求,提出了定位精度指标和抗变形指标,建立了以构型参数为变量的优化目标函数,并利用遗传算法对两个单目标函数进行优化。利用加权分配法构造统一约束目标函数,利用遗传算法对其进行多目标优化。然后,建立非线性最优误差分配模型,对各支撑杆和上下铰点进行误差分配。最后,通过对原理样机性能指标的测试验证了上述研究方法的效果。研究结果表明:优化前后动平台定位精度提高了8.3%,抗变形能力提高了62.5%,铰点误差限由2.7μm提高到6.3μm,支撑杆误差限由1.3μm提高到3.2μm。另外,实验测得Z轴相对定位精度为0.6%,静刚度达到41.14N/μm。本研究提高了次镜精调机构的定位精度和静载抗变形能力,有助于缩短设计、加工周期,节约设计、加工成本。     

宽幅相机一体化焦面调整机构设计与精度分析

针对空间宽幅相机对调焦和调偏流的要求,设计了一种一体化焦面二维调整机构,能够同时实现调焦和调偏流功能,并基于蒙特卡罗法对机构进行了精度分析。机构总重12kg,调焦范围为(-4^+4)mm,调焦单元定位精度优于0.0045mm,调焦分辨力优于2.1μm;调偏流单元调偏流范围为(-5^+5)°,定位精度为1.48",调偏流分辨力优于0.18",各项指标均满足设计要求。一体化焦面二维调整机构结构紧凑,占用空间小,结构强度好,承载能力强,适用于大尺寸焦面空间相机。     

空间太阳望远镜调焦机构的设计与分析

根据某型号空间太阳望远镜的光学系统特性与整机的结构方式,为了达到节约安装空间、保证成像质量的目的,设计了一种焦平面式调焦机构。该调焦机构由蜗轮蜗杆和凸轮滑槽作为传动件,将步进电机的圆周运动转化为焦平面法线方向的直线运动。调焦范围为1.5 mm,外形尺寸为167 mm×64 mm×94 mm,质量为2 kg,在底座背板和凸轮滑槽之间设有两个相邻的自润滑氮化硅压圈,可增加预紧力而不影响凸轮滑槽的转动,一定程度上提高了定位精度,减少了空回误差。详细介绍了调焦机构的设计方案、分辨率和自锁能力,对误差来源和理论定位精度以及有限元模型仿真进行了分析。最后对调焦机构进行了定位精度试验和振动试验,结果表明定位精度优于±4.5μm,一阶模态为349 Hz,与有限元仿真结果基本一致,具有良好的动态刚度,可以有效地避免共振现象的发生。振动试验前后对调焦机构的编码器码值进行记录,经对比可知其自锁性良好。该调焦机构具有体积小,刚度大,精度高的特点,可以很好的满足空间太阳望远镜的工作条件。     

太赫兹近场光学亚表面检测技术研究

研究了太赫兹散射式扫描近场光学显微镜（Terahertz scattering-type scanning near-field optical microscopy,THz s-SNOM）对亚表面金属微纳结构的显微成像检测。首次采用自主搭建的THz s-SNOM系统对表面覆盖了六方氮化硼薄膜的金微米线进行太赫兹近场显微测量,获得了具有纳米量级空间分辨率和较高对比度的近场显微图。结合全波数值模拟,分析了THz s-SNOM探测亚表面金属微纳结构的空间分辨率、近场散射信号强度和成像对比度。研究表明,THz s-SNOM具有优良的亚表面显微成像检测能力,可应用于微纳电子器件的亚表面结构表征和缺陷检测。     

拼接镜主动光学共相实验

考虑拼接望远镜子镜之间保持共相位可使拼接镜达到衍射极限,本文建立了一套主动光学实验系统来测量和调整拼接镜子镜之间的相位差和精度以实现子镜之间的共相位。拼接镜由3块正六边形球面子镜组成,子镜对边长为300mm,曲率半径为2000mm。首先,使用Shack-Hartmann传感器和高精度微位移平移台使子镜之间精确共焦,使用球径仪调整子镜之间的高度差到微米量级;然后,运用白光斐索干涉原理对子镜高度差进行调整;最后,运用子孔径衍射原理测量子镜之间的高度差,并调整使其共相位。为了验证标定效果,对光纤光束进行了成像实验,受光纤直径的限制,拼接镜上用于成像的口径为100mm。实验结果显示,白光斐索干涉的测量精度优于100nm,子孔径衍射的测量精度优于16nm,共相位标定后,系统能够实现衍射极限成像,表明提出的方法适用于拼接望远镜的共相位标定。     

用于三维测量的双路点衍射干涉系统

针对在仅有一个光纤对的单路点衍射三维测量系统中,存在平行于条纹的横向方向上测量精度低的问题,提出了用于三维测量的双路点衍射干涉系统。分析了点衍射波前误差、测量探头结构布局以及三维迭代重构算法对于三维测量精度的影响,在此基础上确定点衍射源结构以及探头结构布局等最优系统参数。实验结果显示,单路点衍射干涉三维测量系统在xy方向的精度分别为亚微米量级和微米量级,而双路点衍射干涉仪系统可在三维方向上同时达到亚微米量级,验证了所提出的双路点衍射干涉系统方案的可行性和准确性。所提出的双路点衍射干涉系统有效的实现高精度三维测量,为无导轨三维位移和尺寸等测量提供了一种可行方法。     

精密定位技术研究

精密定位技术广泛应用于精密仪器、机械和机床、IC工艺制造、计算机外围设备.其特点是精度和分辨率高,台面尺寸从小到大,品种繁多,大多有自动化操作要求,需要集成许多高性能高品质机械零部件,高分辨力检测元器件,因此制作难度大,投资大.过去精密定位的精度和分辨率已从毫米量级过渡到了微米、从亚微米进入到了纳米量级.本文概述了获取高精度定位精度的支撑关键技术.介绍了基于宏微二级叠加方式的控制系统,研制的宏动工作台用精密滚珠丝杠螺母传动,由交流伺服驱动器驱动,配备反射式光栅检测元件,构成伺服反馈系统, 并对其实际误差曲线进行线性补偿之后,可将定位误差从76 μm降低到3 μm;再在宏动工作台面上安装高精度的微动载物台,由计算机进行宏微切换,从宏运动过渡到微运动方式,可实现大行程纳米量级精密定位.     

在轨组装机器人抓取机构设计与控制系统研究

根据在轨组装空间望远镜关键技术的研究需求,为有效实施在轨组装服务,设计了在轨组装机器人及子镜组装分系统的地面验证方案,并对组装机器人的末端抓取机构进行设计分析。该抓取机构采用插入式抓取、胀紧式锁紧方案。同时,对组装机器人的控制系统方案进行详细阐述;经过分析计算,该设计能够满足在轨组装空间望远镜地面验证阶段的应用需求。     

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。     

基于全部弹性变形原理的超精密微动工作台的实验研究

提出了一种无摩擦工作台。采用弹性导轨和弹性传动机构，所以不受间隙和摩擦的影响，可以达到较高的分辨率，同时微动台中也不需要任何精密制造的零件。试验证明，此微动台具有亚微米的定位精度，分辨率可达０．０１μｍ。探讨了微动台的结构和性能。     

扫描式氙灯太阳模拟器十维扫描系统

为了模拟卫星在轨全年的太阳辐照情况,检验、优化整星的杂散光抑制能力,分析了光学载荷的在轨成像条件,设计了一种基于7维扫描镜+2维折反镜+1维被测样件共计10维运动机构的扫描式氙灯太阳模拟器,并建立了它们关于照明姿态和位置的控制方程,完成了被测样件的空间环境模拟照明。实验表明,对1 700mm×2 700mm的被测样件可实现方位角为-90°~+90°、俯仰角为-29°~+42.5°的模拟照明,角精度分别可达0.2°和0.1°,位置精度优于10mm。该扫描式太阳模拟器可较精确地为部分卫星提供全年太阳照明空间环境模拟实验。     

高集成度新型摆镜驱动模块的研制

研制了一种高集成度的摆镜驱动模块,可用作空间光学遥感器摆镜机构的动力单元。基于光、机、电一体化的设计理念,选择了合适的步进电机、研制了大速比的谐波减速器和16位光电编码器来构成紧凑型的驱动模块。随后对该模块的轴系精度、位置精度和速度精度分别进行了分析和测试,测试结果为轴系径向跳动小于3μm,端面跳动小于1μm,定位精度小于40",0.1°/s时相对速度精度为19%,5°/s时相对速度精度为6.8%。试验结果表明该驱动模块重量轻、输出力矩大、精度高,满足摆镜机构对驱动系统的指标要求。     

空间光学遥感器精密调焦机构设计与试验

外界环境变化会引起空间光学遥感器产生离焦现象,导致遥感器成像质量下降,需要设计调焦机构来解决离焦问题。从保证遥感器成像质量和轻小型化的角度出发,详细介绍调焦机构的调焦方案、工作原理和系统组成,提出由双滑块机构实现调焦功能的新型调焦机构;对调焦机构的精度进行理论计算,得到该机构的定位精度和调焦镜的倾斜角度误差均满足设计指标要求。对环境试验前后的机构进行精度测试,试验结果表明,机构定位精度0.006 mm,调焦镜的最大倾斜角为16.5″,满足光学设计指标要求。理论分析和环境试验结果充分表明,该调焦机构具有结构稳定,定位精度高,环境适应性广泛等特性,在复杂多变的环境条件下能够满足空间光学遥感器精确调焦的目的。     

空间太阳望远镜成像镜调焦机构模型设计与控制

根据空间太阳望远镜光学系统的要求,设计成像镜的调焦机构,由步进电机驱动丝杠带动内筒进行直线运动,从直线精度和定位精度两方面进行控制设计.同时设计了调焦机构的控制系统,包括操作系统、指令转换系统和驱动系统.由操作系统的PC电脑根据工作要求发出操作指令,经过指令转换系统,最后由驱动系统的步进电机完成指令的执行,同时经串口通信程序进行误差修正,从而保证了调焦机构的精确定位.     

空间太阳望远镜成像镜调焦机构模型设计与控制

根据空间太阳望远镜光学系统的要求,设计成像镜的调焦机构,由步进电机驱动丝杠带动内筒进行直线运动,从直线精度和定位精度两方面进行控制设计。同时设计了调焦机构的控制系统,包括操作系统、指令转换系统和驱动系统。由操作系统的PC电脑根据工作要求发出操作指令,经过指令转换系统,最后由驱动系统的步进电机完成指令的执行,同时经串口通信程序进行误差修正,从而保证了调焦机构的精确定位。     

高精度高刚度六自由度调整机构的设计及分析

设计一种基于Stewart构型的具有高精度和高刚度的六自由度精密调整机构。首先,对调整机构进行构型设计并作了运动学分析;接着,建立了误差模型并对构型进行了精度分析,包括精度分配及模特卡洛模拟法验证;之后,根据理论分析结果,对调整机构进行结构设计,主要包括单足位移促动器的设计和偏置铰链的设计;最后,对调整机构进行了刚度分析。本文的分析结果为此六自由度调整机构的重复定位精度为X、Y向±2μm,Z向±0.54μm,R_x,R_y,R_z方向±6.13μrad,横向振动基频为104.3 Hz,轴向刚度为61.3 N/μm。分析结果显示此六自由度精密调整机构满足设计要求,验证了调整机构结构设计的合理性。     

重力对星载傅里叶光谱仪动镜系统的影响

分析了太空失重对星载傅里叶光谱仪动镜系统的影响。针对动镜系统受重力影响的两个关键因素,提出了解决措施,并设计了实验室验证方法。考虑空间和地面重力环境的不同,分析了动镜未被驱动时重力对初始定位的影响和动镜被驱动后重力对运动机构回复力矩的影响。设计了精密初始机械限位使动镜从固定起始点开始运动控制,并且采用闭环PID控制与在轨可调整期望运动规律相结合的控制方法来校正动镜机构等效扭转刚度的变化。最后,提出了将整个动镜机构倒置的方式进行地面验证,并设计了动镜正、负位移不对称性偏差以及匀速区速度波动的性能测量方法。实验结果表明,正置和倒置时动镜正、负位移的不对称性偏差可以控制在6μm以内,其匀速区的速度波动均方根值分别为1.4%和1.1%。实验显示提出的解决方法简单可靠,性能指标满足傅里叶光谱仪的要求,为动镜系统的空间应用提供了技术途径。     

压电陶瓷精密转动平台的转角精度测量

提出了一种亚角秒精度的转角测量方法。利用ZYGO数字干涉仪测量压电陶瓷转动平台驱动待测标准平面镜偏转前后镜子面形精度的PV(Peak Valley)值,二者的差值除以待测标准平面镜的直径,其结果近似等于压电陶瓷转动平台转动的角度。通过测量与误差分析,验证了压电陶瓷转动平台的转角精度小于1 μrad(0.2″),而测量的总误差和压电陶瓷转动平台移动的角度大小有关,移动距离越大,产生的误差越大,但其相对误差小于1％。本测量方法证明压电陶瓷精密转动平台转角精度达到了极紫外太阳望远镜(EUT)0.8″的角分辨率的要求。     

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.