空间稳像系统摆镜的柔性支撑设计与分析

为了让空间稳像系统在保证镜面精度的同时增加支撑强度,根据柔性支撑的设计理念,用消应力槽法对镜体支撑架进行柔性设计,用胶体粘结的方式在镜体与支架之间建立柔性连接。首次利用等效刚度法对平面型胶层进行精细有限元建模,推导了相应的等效刚度矩阵,并对装配后的镜面组件整体进行有限元建模和模态分析。模态分析的一阶谐振频率仿真结果为704.24Hz,与实物的检测结果 693.5Hz相比只差了1.5%。由此可见,消应力槽法和等效刚度胶层建模法有效地完成了摆镜组件的柔性设计分析,能为类似光学设计工程中的柔性支撑设计分析提供参考。     

线性压缩机用柔性弹簧组件支撑性能研究

在直线压缩机的应用中,柔性弹簧在活塞轴向周期运动中维持其径向无偏移,它能控制压缩活塞与汽缸之间的微小间隙,从而实现了活塞与汽缸之间无油润滑的气体间隙密封技术.本文基于对柔性弹簧及其叠装组件的有限元分析,分析不同柔性弹簧厚度、叠装片数、叠装间距等布置方式对柔性弹簧轴向和径向刚度的影响,特别对叠装组件的抗弯性能进行了建模分析.分析得出的结论可以用于指导柔性弹簧叠装组件的设计,可以有效提高叠装组件在直线压缩机上的径向支撑性能.     

基于自适应遗传算法的摆镜动态优化设计

为了满足正弦摆动过程中较高面型精度,实现相关跟踪系统摆镜的高度轻量化设计,在直径110 mm圆平面反射镜的设计过程中引入了基于自适应遗传算法的摆镜结构优化。对背部粘结支撑点的大小进行了计算,同时对摆镜的有限元模型进行了轴对称的简化,提高了优化过程中的效率。介绍了自适应遗传算法结构优化的原理及优越性,并提出了两种正弦振动过程中的面型求解方案。最后将自适应遗传算法的结果与传统算法进行了比较。结果证明,基于自适应遗传算法的摆镜动态参数优化方案正确可靠,具有较高的寻优能力,对类似工程结构参数优化具有一定的指导性与借鉴性。     

基于CPLD和单片机的摆镜控制器电路设计

基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)和单片机技术,设计了一种高精度快速灵活的摆镜控制器,详细介绍了硬件电路各部分的设计及器件选型,以及有关软件设计中的理论计算。该摆镜控制器的设计,实现了摆镜控制精度高、平滑、稳定等设计要求,并具有很好的灵活性和扩展性。     

激光通信一体化SiC/Al摆镜支撑参数优化

在组网“一对多”激光通信系统中,为了减小安装面平面度误差对反射镜面形的影响,保证组网“一对多”激光通信用伺服摆镜安装后的面形精度,对一体化SiC/Al摆镜支撑参数开展了理论分析,分析了各支撑参数对摆镜面形精度的影响规律。然后采用有限元分析优化设计了支撑参数,确定了支撑点位置和安装面平面度精度的要求。对采用优化设计参数后的摆镜面形精度测试表明,在加工面形为PV值优于53 nm(λ/12),RMS值优于10 nm(λ/60)的前提下,并在(20±5) ℃温度载荷作用下,摆镜安装后的面形精度PV值优于210 nm(λ/3),RMS值优于60 nm(λ/10)。同时,摆镜与安装基座由相同材料制作,这有效减小温度变化负载对面形精度的影响,完全满足组网“一对多”激光通信伺服摆镜面形的精度指标要求。     

新型全柔性动镜机构的设计与分析

在傅里叶变换光谱仪研制中,基于迈克尔逊干涉仪的动镜机构研制是技术难点之一,而柔性铰链机构则是动镜机构的核心部分。利用简单的平行两杆机构为基体进行复杂化设计,得出一种新型柔性铰链机构并对其进行原理分析,利用有限元分析软件Patran和Nastran对其进行模拟计算,并和传统的平行两杆机构理论计算结果进行分析比较。结果表明,新型柔性铰链机构不仅使动镜的垂直耦合位移量缩小到原来的1.4%,而且将动镜的运动自由度有效地降至一维,为后续研究者提供参考。     

基于新型重复控制器的高精度摆镜伺服系统研究

为了解决摆镜伺服系统周期速度振荡的问题,采用直流电机作为扫描驱动电机,建立伺服系统的数学模型,根据摆镜扫描的周期性特点,提出了一种改进的重复控制器对伺服系统的转速进行控制,实现结果表明该方法很好的改善了系统的跟踪性能,有效的提高了摆镜扫描的速度稳定性,抑制了电机的振荡现象.     

摆镜扫描的重复控制系统

为解决摆镜扫描速度振荡的问题,采用永磁同步电机作为扫描驱动电机,建立了控制系统的传递函数模型.同时,根据摆镜扫描运动具有周期性的特点,提出了一种改进结构的重复控制器对扫描电机的转速进行控制.该控制器引入两个放大环节对系统增益进行调节,从而改善了系统的跟踪性能.实验结果显示,该控制系统能够有效地提高摆镜扫描的速度稳定性,抑制扫描电机在换向时的振荡现象.     

基于摆镜技术提高测距成功概率的方法研究

深空激光测距受距离遥远、大气损耗等因素影响,地面站接收到的回波光子数非常稀少,因此,研究增加回波光子数的方法对提高系统测距成功概率具有重要的意义。文中在云南天文台1.2 m望远镜激光测距系统发射光路中增加摆镜,通过快速高精度控制激光光束传播方向的方法搜索回波光子数较多的指向位置。首先设计了摆镜扫描系统,然后对系统进行仿真分析,模拟系统出射光束偏转角度和能量分布随摆镜偏转角度的变化情况以及利用摆镜进行搜索的效果,最后对测距卫星进行实际观测试验。测量得到系统使用的二维摆镜的最小分辨率为0.2″,经激光发射系统扩束后,可以实现最小0.005″的搜索步长,控制频率在100 Hz以上。实际观测结果表明,使用摆镜提高回波率的方法是有效的,并且目标轨道高度越高效果越明显,因此可应用于深空目标激光测距系统。     

振镜冲击谱分析

高精度光束扫描、对准和跟踪是精密测控领域中的关键技术。基于SiC材料设计了出轻量化振镜。介绍了有限元分析中基于大质量法的冲击响应谱分析的理论与分析方法。在指定的冲击环境下,采用PATRAN作为前处理器对摆镜进行建模,用NASTRAN为求解器进行冲击谱分析求解。指出了模态的参与因子,得出了冲击响应谱分析的位移、加速度和应力的峰值响应。计算表明系统满足所在冲击环境条件下的动力学环境要求,为摆镜的设计提供了重要的参考依据。     

基于接触方法与集成仿真技术的摆镜面形仿真

为考察所设计摆镜在外载作用下面形变化是否满足设计要求,研究了摆镜在螺钉预紧力和不同方向重力作用下的摆镜面形变化规律,使用接触非线性有限元方法对摆镜进行了仿真,采用基于Zernike多项式的数据处理算法对面形数据进行了处理,得到消除刚体位移后表征实际面形变化的参数和表示刚体位移系数的分布曲线。结果表明:螺钉预紧力和不同方向重力作用下摆镜刚体位移明显,镜面平移占据了刚体位移的主要方面,基于集成仿真技术的面形处理算法可以有效消除刚体位移;预紧力存在、不同方向重力作用下摆镜面形影响略有不同,与预紧力相比重力作用对面形影响较小。预紧力作用下摆镜面形仿真数据对于摆镜设计、装调具有一定指导意义,也说明了基于接触方法面形仿真的工程适用性。     

空间稳像系统摆镜的一种新型拓扑优化方法

针对于空间稳像系统摆镜的面型精度保持问题,实现摆镜的轻量化设计,在直径110 mm圆平面反射镜的设计过程中将机械结构拓扑优化引入到光学器件设计领域。对背部减重部分进行了拓扑优化设计。对拓扑优化设计的原理和方法做了较为详细的介绍。吸收了变密度法中的SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)插值算法和RAMP(Rational Approximation of Material Properties)插值算法的思想,提出了一种新型惩罚中心可调节的ASMP(Adjusted Solid Material with Penalization)插值算法,并对各种插值算法进行了仿真。仿真结果证明,基于本文提出的新型ASMP插值算法的拓扑优化结果正确可靠,有一定的优越性。同时使用新型方法对摆镜进行了优化,并与其他设计结果进行了比对,结果显示新型拓扑优化结果能够较大程度地提高面型精度,使用起来更加灵活方便。新型差值算法的提出是对现有拓扑优化的插值算法进行了补充完善,也为后续参数优化设计奠定了基础。     

空间稳像系统摆镜设计与仿真

摆镜作为稳像系统核心部件,摆镜单元的性能参数和外载荷对摆镜面形的影响为摆镜设计和装配的主要约束条件。在设计约束基础上,对摆镜及其装卡结构材料进行了选择,对结构进行了轻量化设计。为考察外载作用对摆镜面形影响规律,使用接触非线性有限元方法对摆镜组件进行了仿真,使用基于Zernike多项式的光机集成仿真方法消除刚体位移,得到了消除刚体位移后摆镜面形参数。仿真结果表明:外载作用下摆镜刚体位移明显;预紧力作用下刚体平移占据了刚体位移的主要方面;动力载荷作用下,当重力存在于光轴方向时,静力载荷对摆镜面形起主要作用,否则动力载荷对摆镜面形起主导作用。在仿真数据基础上,对摆镜零件进行了加工和装配,对装配后摆镜进行了面形测试,测试结果表明:摆镜面形能够满足设计要求,也说明了摆镜结构设计的合理性和仿真方法的有效性。     

大口径空间反射镜组件结构设计与分析

设计了某1.2 m口径的空间光学反射镜结构及其支撑结构系统。首先,合理选取了反射镜及其支撑结构的材料。从反射镜镜坯制作工艺、力学特性、热特性以及反射镜重量等因素考虑,最终选取基于反应烧结SiC材料的背部半开放式扇形轻量化孔的反射镜结构形式,反射镜设计重量为87.6 kg,轻量化率达到79%。其次,确定了在光轴水平状态下进行检测装调的方案,并进行其支撑结构的设计,采用3个双轴柔性铰链从背部对反射镜支撑,使大口径反射镜同时满足静态刚度、动态刚度、强度和热尺寸稳定性的要求。最后,对反射镜进行了组件级有限元分析。结果表明,反射镜在X向重力和4℃均匀温升作用下面形RMS分别为7.8 nm和9.4 nm,反射镜组件一阶固有频率为153 Hz,满足设计指标要求。     

大口径空间反射镜轻量化设计及其柔性支撑

设计了空间相机1.5 m口径反射镜组件的结构系统。首先,根据反射镜材料选取原则,选用SiC作为反射镜镜坯材料。初步确定了反射镜支撑方式、镜体结构参数,并对反射镜进行轻量化设计。通过对反射镜结构参数进行优化,得到重为152.4 kg的反射镜结构,轻量化率达到83%。然后,设计了一种双轴柔性铰链结构,并找出了在装调方向柔性铰链安装位置对面形精度的影响规律,利用有限元法对反射镜组件进行了动、静态特性及热特性分析,结果表明,反射镜组件一阶固有频率为100.6 Hz,在1 g重力及4 ℃均匀温升工况下反射镜面形精度RMS值分别为7.7 nm和8.4 nm。最后,对反射镜组件进行动力学试验及面形精度检测,结果表明反射镜组件完全满足设计指标要求。     

单反式光端机反射镜柔性支撑参数化设计与试验

为保证单反式光端机指向捕获跟踪(Pointing, acquisition and tracking, PAT)时反射镜在恶劣空间环境下的面形精度,设计了一种底面开槽的柔性支撑结构。由于柔性支撑结构参数较多,为避免各参数之间严重耦合,采用正交优化方法对柔性支撑结构进行参数优化设计,再利用有限元方法对反射镜组件进行热力学特性分析。仿真分析结果表明,反射镜组件一阶频率为352.61 Hz,在1g重力和10℃温升(温降)共同作用下的最大面形误差RMS为λ/54.79(λ=623.8 nm),能够满足动、静态刚度和热尺寸稳定性要求。使用ZYGO干涉仪在(20±10)℃温度范围内对反射镜面形进行检测,结果表明,反射镜面形PV值优于λ/6,RMS优于λ/43,满足RMS≤λ/40的指标要求。实验结果表明,柔性支撑参数设计可靠,满足使用要求。     

波纹梁夹持型双平行四边形柔性机构性能分析

为解决传统双平行四边形柔性机构中二级运动平台欠约束问题,设计了一种波纹梁夹持型对称双平行四边形柔性机构.首先,提出了一种基于正弦曲线的波纹梁结构,并将其安装在对称双平行四边形机构的2个二级平台之间;其次,建立了机构静力学解析模型,并利用拉格朗日方程建立了动力学模型;最后,利用有限元和实验方法对其静、动力学性能进行了仿真...