万向柔性铰链连接快速反射镜的设计与仿真

在高能激光武器系统中,快速反射镜作为光束指向控制的核心器件,对提高毁伤效能起到关键作用。针对扩展高能激光武器系统光束指向范围的战术需求,设计了一种万向柔性铰链连接快速反射镜系统。研究了各组成单元对快速反射镜系统性能的影响因素,分析了单自由度单音圈电机驱动反射镜设计方案的可行性。在此基础上给出了音圈电机和光栅测微仪的设计依据,进行参数设计,推导了万向柔性铰链的柔度表达方程,并验证了万向柔性铰链的弯曲强度。仿真结果表明,快速反射镜系统具有3.3的运动行程,一阶谐振频率达到了231.04 Hz,满足了大行程、高带宽的设计要求。     

单轴半蝶形柔性铰链在快速反射镜中的设计与应用

针对提高激光武器系统光束指向控制稳定精度的战术需求,设计了一款适用于光束指向快速反射镜的单轴半蝶形柔性铰链。首先,根据快速反射镜系统运动形式及功能需求,推演单轴半蝶形柔性铰链的物理模型;然后,采用基于卡氏第二定理的卡氏法简化并求解数学模型,并优化模型参数;最后进行有限元仿真与实验测试,并对单轴半蝶形柔性铰链机械谐振频率的理论计算、仿真分析以及实验测试结果进行分析比较。实验结果表明:单轴半蝶形柔性铰链工作方向机械谐振频率为165.29 Hz,满足设计指标要求。理论计算与实验测试结果相差1.3%,有限元仿真与实验测试结果相差3.2%。从而证明了单轴半蝶形柔性铰链结构形式合理,数学建模准确,为提高激光武器系统光束指向控制稳定精度提供了有力的支撑。     

快速反射镜关键技术研究

快速反射镜(FSM)凭借其高精度、高分辨力、快响应等优点,被广泛应用于天文望远镜、自适应光学、复合轴精密跟踪等领域.尽管国内外关于FSM的研究较多,但少有对其关键技术的系统总结.首先,介绍了国内外FSM的发展现状和研究热点,分析了FSM的主要性能指标与各组成部分之间的关系.在延用FSM传统按支撑结构不同分类方式的同时,首次提出了按功能用途不同的分类方式,并针对各类FSM的结构特点和功能用途等进行了深入探讨;然后,在明确FSM结构组成的基础上,系统阐述了FSM系统中支撑铰链、工作镜体、驱动元件、测量元件和控制系统等关键技术,首次提出将柔性铰链分为四周分散式、中心集中式及四周分散与中心集中相结合式的分类方式,并分别对驱动元件、测量元件的排布方式进行了对比分析.最后,通过对FSM系统各关键技术的归纳总结,提出了FSM向大口径、大角度、高精度、高响应和高承载等方向发展的趋势.     

两轴正交圆切口单轴柔性铰反射镜支撑结构

在实际工程应用背景下,基于实际材料参数测试结果,借助有限元分析手段系统分析了切口半径r和最薄切口部位厚度t对圆切口单轴柔性铰柔度系数和等效转动半径dc的影响趋势,并归纳总结出简化的圆切口单轴柔性弯曲变形计算模型。为验证该模型的可靠性,搭建了相应的实验装置。与实测值相比,简化模型的计算误差优于10%,可满足工程应用要求。在此基础上,提出了基于圆切口单轴柔性铰链的两轴反射镜柔性支撑结构简化计算模型,该模型可大大减少经典理论模型的计算工作量,为此类反射镜柔性支撑结构的参数化设计和尺寸优化提供了参考依据。     

二自由度快速控制反射镜系统固有频率优化设计

在二自由度快速控制反射镜系统设计中,为提高系统的控制带宽,应尽量降低工作方向上的低阶固有频率,提高非工作方向上的高阶固有频率。该课题以某深切口柔性铰链快反镜系统作为研究对象,首先对系统前四阶固有频率的振型运动方向进行了分析,并针对传统刚度计算方法不适用于第三阶振型方向的问题,重新推导了第三阶振型方向上的刚度计算公式;其次,利用能量法和卡式第二定理对深切口柔性铰链上的工作刚度进行了推导,并进行了非线性拟合化简,得出的简化计算公式计算结果与有限元仿真结果误差不超过8.9%,证明了推导的铰链工作刚度理论公式的准确性;然后,将第三阶振型方向刚度计算公式和柔性铰链刚度计算公式代入固有频率计算公式,并进行有限元验证,结果表明理论公式计算结果与有限元仿真结果误差不超过1.7%,证明了新的三阶振型方向上的刚度计算公式的准确性。最后利用遗传算法,对系统前四阶固有频率进行了多目标优化设计,到达设计要求,所求出的优化结构较初始结构有明显优化,工作方向刚度减小19.04%,非工作方向刚度提高297.83%和77.09%。此外还对其进行了有限元仿真验证,结果证明一、二阶固有频率减小8.08%、5.40%,三、四阶固有频率提高了112.59%、16.80%。证明优化结构较初始结构有较大提高,能有效提高系统控制带宽。     

柔性轴承有轴系快速反射镜结构设计

快速反射镜是自适应光学中重要的光学元件,比较了有轴系和无轴系快速反射镜两种结构形式的性能,分析了不同的工作特点和应用特征,在此基础上设计了一种新的有轴系快速控制反射镜结构。轴系利用柔性轴承无摩擦、转角大的特点,通过分析计算提出了适用的参数,选择了相应的柔性轴承.该设计结合了有轴系和无轴系快速反射镜的优点,提出了一种具有发展前景的快速反射镜结构。     

微柔性铰链转动能力和精度特性研究

对柔性铰链的转动能力和精度特性等方面进行了理论分析和研究,给出了柔性铰链的柔度矩阵和精度特性矩阵的计算公式,得到表示柔性铰链转动能力的变形量方程和表示精度特性的位移方程。用VC++实现了相应的参数化程序。提出了铰链内各柔度间的比值概念,为定量地比较柔性铰链的性能提供了依据。并给出了两种MEMS柔性铰链的分析实例。     

?620 mm口径地基反射镜组件优化设计

为了获得620 mm口径地基反射镜组件的最优设计方案,建立了反射镜及其支撑系统的参数化模型,并基于该模型对镜体厚度、支撑点位置和柔性支撑结构的设计参数进行多目标优化设计。首先,阐述了620 mm口径地基主反射镜支撑系统的运动学约束设计原理。然后,从理论角度推导出柔性支撑的柔度矩阵和结构热变形的等效力,建立了便于优化迭代的反射镜组件参数化模型,对比了参数化模型与体单元组成的详尽有限元模型在多种静力学工况下的RMS值和系统的前6阶模态值,计算结果误差在10%以内,验证了参数化模型的有效性。最后,基于径向基函数的近似模型理论,在Isight环境下对参数化模型进行多目标优化处理。得到了多目标优化的Pareto front前沿,目标值权衡处理后得到系统的最优的设计方案。提出的优化设计方法具有较好的工程适用性,可为同类型的反射镜组件优化设计提供参考。     

两轴柔性支承快速反射镜结构控制一体化设计

为了预测并确认结构设计阶段快速反射镜系统的频率特性和时域性能,对一种两轴柔性支承快速反射镜进行了结构控制一体化研究和测试。提出了一种新型柔性支承结构,根据激光系统光束传输要求的快速反射镜指标,设计了快速反射镜系统的主要结构参数;研究了系统的动态数学模型,确定了闭环系统的控制方式和控制参数;建立了系统摆动部分的刚柔耦合模型,获得了结构非线性模型,基于非线性模型对控制系统和运动系统进行了联合仿真测试。联合仿真结果显示,系统在运动方向的谐振频率为54 Hz,与有限元和理论计算结果的误差均为3.8%,系统位置闭环带宽为203 Hz,符合设计要求。时域输出结果显示,系统的超调量为3.5%,调节时间为10 ms,与理论计算结果的偏差分别为3%和5 ms。     

新型混合柔性铰链柔度研究

提出了一种新型双曲线直圆混合柔性铰链。利用卡氏第二定理推导出双曲线直圆混合柔性铰链的柔度计算公式,并根据所推导的公式,分析了直圆半径、最小厚度和切割深度对其柔度的影响。同时采用实体单元建立双曲线直圆混合柔性铰链的有限元模型,对不同几何参数的铰链进行仿真分析,并对仿真解与解析解进行对比。结果表明:仿真解与解析解的最大误差在8%以内,证明了所推导公式的正确性;与不同形状的柔性铰链对比得出,双曲线直圆混合柔性铰链具有更好的转动能力和对载荷较高的敏感性。所设计的新型双曲线直圆混合柔性铰链更适用于快速反射镜支撑结构中,同时也为混合型柔性铰链的设计和优化提供了理论依据。     

空间相机快速反射镜的结构轻量化设计

针对空间相机快速反射镜的工作条件和工作要求,提出了快速反射镜的结构轻量化设计方案。以100 mm口径圆形反射镜为研究对象,设计了利用加强筋减重的反射镜轻量化结构,并提出了基于镜面抗弯刚度等效的等效标准圆镜厚度的计算方法;分别设计了基于镶嵌体结构的背部三点支撑方案和背部中心支撑方案,有限元对比分析的结果表明,采用背部中心支撑方案可以避免镜座与反射镜之间因温度变形不协调引起的多个支撑点相互干涉,镜面面形精度较高,并且由于结构简单,其摆动组件的总质量更轻;为了进一步提高快速反射镜结构的综合性能,同时以摆动组件的总质量及镜面面形的均方根值为优化目标,对背部中心支撑方案下快速反射镜的主要结构参数进行了多目标优化,优化结果显示,加强筋的高度和镶嵌体的壁厚对结构综合性能的贡献最大;最终优化方案下快速反射镜的摆动组件总质量仅为95.75 g,结构的一阶谐振频率为217 Hz,在-8℃温度载荷的作用下,镜面面形的RMS为7.26 nm,满足设计要求的同时,反射镜实现了40.4%的轻量化率。     

快速反射镜控制回路设计与仿真

简要介绍了快速反射镜的工作原理,针对存在的问题提出采用优化结构布局的解决方法,理论推导了优化布局后的伺服机构传递函数,并据此传递函数设计了控制回路,提出了宽带宽校正网络的设计原则,为抑制伺服机构的低频振荡模式在回路中串接陷波器加以抑制;通过在控制回路中串接解算网络的方法降低多输入多输出控制系统设计的难度。建立了快速反射镜的系统仿真模型,通过系统仿真验证上述方法的可行性;在理论分析的基础上搭建实验平台,通过对实验平台施加不同的激励信号,对快速反射镜的性能参数进行测试,验证了理论模型的准确性。     

柔性支撑快速反射镜伺服机构的参数辨识

首先提出了基于柔性支撑的双轴快速反射镜存在的问题;简要介绍了一种基于柔性支撑的双轴快速反射镜系统伺服机构的结构形式,给出了伺服机构的脉冲传递函数;讨论了基于相关-辅助变量递推最小二乘法的多输入多输出系统参数辨识原理与辨识方法,在此基础上提出了基于柔性支撑的双轴快速反射镜系统伺服机构的参数辨识算法,并对该方法进行了数值仿真;设计伺服机构参数辨识实验验证算法的可行性,并将实验结果与仿真结果进行对比。结果表明基于相关-辅助变量递推最小二乘法的多输入多输出系统参数辨识算法有效,辨识精度在预期的范围内,可以为快速反射镜系统的自适应控制提供数据支撑。     

空间相机快速反射镜的两轴柔性支撑结构设计

快速反射镜是空间相机中常用的像移补偿装置,而支撑结构的机械特性将直接影响快速反射镜系统的响应速度及闭环带宽。以某近地轨道空间相机中的音圈电机驱动型快速反射镜为研究对象,设计了基于十字型柔性铰链的两轴柔性支撑结构,该结构具有空间利用率高、中心漂移小等优点。根据悬臂梁的挠曲线近似微分方程,建立了柔性支撑结构两轴转动刚度的数学模型,针对快速反射镜机构的谐振频率要求,选择了柔性铰链的主要结构参数,并利用有限元软件MSC.Patran对机构进行了模态分析,分析结果表明,快速反射镜机构在两个工作方向上的谐振频率分别为18.6 Hz和18.7 Hz,而其他非工作方向上的谐振频率均在292.2 Hz以上,证明了柔性铰链结构参数的选择具有合理性。为了检验理论模型的准确性,加工了快速反射镜的样机并搭建实验平台,对机构的转动刚度和谐振频率进行了检测,检测结果与理论分析得到的结果在允许的误差范围内具有一致性。     

Optimization design of the angle detecting system used in the fast steering mirror

In this paper, in order to design a fast steering mirror (FSM) with large deflection angle and high linearity, a deflection angle detecting system (DADS) using quadrant detector (QD) is developed. And the mathematical model describing DADS is established by analyzing the principle of position detecting and error characteristics of QD. Based on this mathematical model, the variation tendencies of deflection angle and linearity of FSM are simulated. Then, by changing the parameters of the DADS, the optimization of deflection angle and linearity of FSM is demonstrated. Finally, a QD-based FSM is designed based on this method, which achieves ±2° deflection angle and 0.72% and 0.68% linearity along x and y axis, respectively. Moreover, this method will be beneficial to the design of large deflection angle and high linearity FSM.     

应用于快速倾斜镜的压电陶瓷驱动电源

压电陶瓷致动器具有体积小、推力大、高频响和分辨率高等特点,广泛应用于精密制造、光学仪器、振动控制等领域。为提高压电陶瓷型快速倾斜镜的控制精度和稳定性,根据压电陶瓷致动器对其驱动电源的要求,设计了一种基于高压运算放大器PA96的驱动电源。介绍了该电源电路的基本原理,并对放大器的外围电路进行了稳定性设计。最后通过实验测试表明,该电源线性度大于99%、静态纹波小于10mV、动态性能稳定,能够达到自适应光学系统中快速倾斜镜的控制要求。     

快速反射镜扰动信号的模糊补偿控制

为了抑制扰动信号对快速反射镜系统输出性能的影响,保证快速反射镜结构特性改变后控制系统抑制扰动信号的能力,提出了一种对扰动信号进行模糊补偿的复合控制系统。系统中,模糊控制环节的输出参数同时用于整定PID控制参数和前馈环节控制参数,补偿系统因扰动造成的偏差,控制系统不需要增加额外的传感器,不会增加硬件系统的复杂性。利用频域分析方法,设计PID控制器的控制参数,进而设计模糊控制的规则。最后,对这种控制系统进行了仿真实验分析,结果表明:快速反射镜的结构参数变化前后,扰动模糊补偿控制系统对系统中的扰动信号均具有较高的抑制能力。     

倾斜镜系统动态耦合数学模型的建立方法

主要探究了在传感器采样频率较高(如高速相机、位置传感器)、倾斜镜动态特性不可忽略的情况下,如何基于实验数据建立开环倾斜镜系统的动态耦合数学模型的问题。分析了系统的动态特性以及输入与输出之间的耦合,提出了基于倾斜镜系统的输入输出数据、采用子空间辨识算法建立倾斜镜系统动态耦合数学模型的方法,并通过实验评估了模型的准确性和建模方法的可行性。实验结果显示,通过该方法所建立的倾斜镜动态耦合模型的VAF值达到95%,模型准确性相比传统的静态模型有了很大提高,验证了建模方法的可行性。研究成果可用于闭环倾斜镜系统优化反馈控制器的设计,提高系统对于光束偏移矫正的性能。