高精度轨道调节锁紧机构设计

针对拖曳水池高精度轨道的调节锁紧问题,对轨道调节范围、轨道直线度和水平度调节机构以及调节支座的固定3个方面进行了研究。运用三维设计软件CREO2.0,建立了斜块式调节锁紧机构及分离式调节锁紧机构的三维模型。基于建立的三维实体模型,对以上两种调节锁紧机构的工作原理进行了说明。通过对横向和垂向调节范围、横向调节锁紧力、垂向调节锁紧力及锚固进行理论分析,提出了在高精度、高速度和动载荷轨道设计施工中宜采用分离式调节锁紧机构,而不宜采用斜块式调节锁紧机构。实际应用结果表明,分离式调节锁紧机构在轨道精度、轨道稳定性、后期维护等方面均优于传统的斜块式调节锁紧机构。     

超声电机微纳驱动参数调节机构设计

为解决超声电机驱动轨迹及微行程纳米定位的可控问题,设计了一种基于双压电陶瓷驱动的调节机构,将双压电陶瓷驱动与超声电机驱动轨迹及微行程纳米定位控制关联起来,并利用ANSYSWorkbench有限元分析软件对调节机构进行了分析。通过对双压电陶瓷施加0～54V调节电压的实验,证实了调节机构能够使超声电机驱动头在x和y两个方向上获得所需的微纳米调节功能,调节范围为,x方向±1.2～±2.36μm,y方向±4.0μm,调节分辨率1～2nm,满足超声电机对驱动轨迹及微行程纳米定位的参数控制要求。     

极大望远镜光谱仪准直镜调节机构误差分析

针对极大望远镜宽视场光谱仪准直镜位姿调整机构的位姿机构调节误差问题,采用多体运动学理论分析机构运动学关系,利用矩阵微分法建立该调节机构误差模型,分析加工和装配误差对准直镜调节位姿误差的影响,并通过统计学软件SPASS对调节机构误差进行仿真研究。分析计算结果表明,根据现有设计和导轨滑台的选型及装配工艺,机构的装配和定位精度可以满足准直镜调节精度的需求。利用运动学原理对光学系统姿态调节系统误差分析方法可对镜面调节机构误差进行预判,提前获取调节机构调节精度,对光学仪器后期动态调节等工作具有指导意义。     

航天立体测绘相机调焦机构的设计与实验研究

介绍了一种光学结构为准像方远心光路形式的相机调焦机构的设计,其主要指标为:调焦范围±2mm,调焦精度±8μm.通过几种调焦方案的对比,选择了调焦凸轮和导轨配合使用的方案,将凸轮的旋转运动转化成CCD靶面沿光轴方向的直线运动,实现了通过调整像面移动来解决离焦的问题.介绍了调焦量的确定、调焦机构的工作原理及可靠性设计,精度分析结果表明,该调焦机构的传动误差为±1.71μm,CCD靶面的直线移动精度为:X方向11.2",Y方向11.8",绕光轴方向的旋转量为:4.7".满足立体测绘相机对主点主距的要求.通过实验检测,结果表明设计合理,满足使用要求.     

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。     

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。     

大负载高精度光栅拼接柔顺并联机构的设计方法

由于加工工艺的限制,通常采用多块小口径光栅机械式拼接的方法来制备大尺寸光栅。为保证打靶成功,要求光栅拼接机构可以实现纳米级的运动精度。基于压电陶瓷驱动的柔顺并联机构可以达到纳米级的运动精度,但是柔性关节的引入降低了机构的承载能力。为解决柔顺并联机构中存在的"大负载"与"高精度"之间的矛盾,引入驱动与承载单元解耦的思想,基于约束设计法提出一种满足大口径光栅拼接机构大行程、大负载、高精度要求的新型光栅拼接柔顺并联机构,该机构具有刚柔混合、串并混联、三面正交、单点支撑、存在一条恰约束被动支链的特点。为实现光栅拼接机构的高精度运动,对设计的新型光栅拼接机构进行运动学分析,并搭建试验系统测试拼接机构的运动精度。试验结果表明利用所提设计方法设计的光栅拼接柔顺并联机构能满足拼接机构的任务要求。     

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。     

基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节设计与分析

为满足足式机器人跑跳等动态运动对关节柔性及其变刚度特性的迫切要求,借鉴生物关节柔性特征与主被动刚度调节机理,创新地提出了一种基于凸轮机构的新型变刚度仿生柔性关节。基于关节刚度特性分析,构建了关节整体刚度模型,并针对影响关节刚度特性的各结构参数开展了系统优化设计,研制出了一款紧凑型高集成度关节样机。关节样机性能实验结果表明,基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节具备理想的关节输出力矩与刚度调节范围,可通过关节固有刚度特性与动态刚度特性的主被动融合控制,实现关节瞬时刚度的动态非线性精确调节,能够满足机器人动态运动对关节柔性与刚度的需求。     

静叶调节机构尺度全局优化设计方法研究

为避免航空发动机喘振,高压压气机的可调静叶需要按照拟定的调节规律转动。静叶调节机构是驱动可调静叶转动的执行机构,一般采用多级联动调节的方式。由于拟定的静叶调节规律十分复杂,且多级静叶调节机构之间运动学耦合,静叶调节机构的尺度设计问题非常困难。目前一般采取逐级分解、单级优化的局部优化策略设计机构参数,无法获得全局最优的机构设计参数。为提高静叶调节精度,通过分析静叶调节机构运动学特点,提出正-逆运动学结合的机构尺度全局优化设计方法:先进行基于逆运动学解析解的全局、高效参数优化设计,再进行基于正运动学数值解的机构参数高精度优化求解,有效解决了静叶调节机构的全局尺度优化设计难题。通过案例分析,验证了所提设计方法的有效性和实用性。     

推扫型TDI CCD光学遥感器动态成像研究

针对基于推扫技术的TDI CCD空间光学遥感器动态成像试验,研制了一套检测系统。在系统中,设计了模拟卫星推扫的双支承U型结构精密转台。搭载遥感器,以角速度0.555°/s在±5°的范围内转动时,转台稳速控制精度达到0.3%。设计了一种奈奎斯特频率靶标,在每组矩形垂直靶条间加入公差为a/n的等差级数间隔靶条,解决了遥感器推扫时CCD像元与垂直靶条像匹配不确定性问题,使配准简化,提高了测量结果的准确性。试验结果表明:遥感器获得了垂 直、水平及45°方向的0视场,±0.86视场奈奎斯特频率靶条像,验证了采用推扫技术的TDI CCD遥感器所具有的高品质。     

一种康普顿光源柔性激光反射镜架的结构设计

设计了一种应用于康普顿光源激光光路精密调节系统的柔性激光反射镜架。该柔性激光反射镜架采用压电陶瓷电机驱动,通过机构中单自由度柔性铰链的弹性变形实现反射镜沿经度和纬度方向的两个转动自由度,实现对激光束入射角的精确调节。首先基于机构伪刚体模型,分别构建了机构运动学模型和输出刚度模型;然后利用有限元分析工具对机构理论位移和应力分布进行了仿真分析;最后利用视觉检测对镜架的可调节范围进行了实验验证。实验结果表明其经纬方向调节范围均在1.2°以上,柔性镜架各项参数设计合理,满足康普顿光源调节系统要求。     

基于空间距离约束的姿态角现场精度评定方法

针对大型精密工程现场姿态测量精度评定的需求,提出了一种利用长度计量基准溯源姿态测量结果的姿态角现场精度 评定方法。 首先,介绍了激光跟踪姿态测量系统的基本组成及测量原理;其次,基于六自由度并联机构的正向运动学研究,建立 了空间距离与靶标姿态之间的数学模型,并通过蒙特卡洛法仿真分析距离约束测量精度、控制场布局以及系统工作距离等因素 对评定模型精度的影响;最后,搭建实验平台,利用精密转台的相对转动量作为角度基准,对本文研究方法的可行性进行了验 证。 结果表明:当距离约束测量精度为 0. 038 mm,控制场大小为 1 400 mm×1 400 mm 时,在-20° ~ 20°的姿态角变化范围内,评 定模型方位角精度为 0. 055°,俯仰角精度为 0. 058°。 本文研究方法避免了基于角度基准评定方法中较为严格的坐标系配准要 求,能综合反映测量系统现场使用状态,可为六自由度激光跟踪测量系统中姿态角现场精度评定方法提供参考。     

星载太阳辐射监测仪的太阳程控跟踪精度

为了避免太阳敏感器(DSS)指向故障导致星载太阳辐射监测仪(SIM)功能失效,为风云三号(FY-3(03))卫星的太阳辐射监测仪(SIM)设计了备份跟踪方式程控太阳跟踪并分析了其跟踪精度。利用星上儒略日时间和卫星轨道瞬根,基于类基准地表辐射网(BSRN)算法推导了轨道坐标系太阳矢量、俯仰角和偏航角。将计算结果与卫星给定指向数据进行了比较。结果表明:太阳矢量三轴偏差均小于0.1°,俯仰角平均偏差为0.024 6°,偏航角平均偏差为-0.080 4°。对利用程序计算的多轨道指向数据进行了太阳模拟跟踪控制实验,结果表明:SIM俯仰跟踪控制精度优于0.1°,偏航跟踪控制精度优于0.05°。为保证在轨跟踪精度,试验了俯仰零点角和偏航零点角,其分别为80.46°和-36.96°。最终分析结果表明,俯仰程控跟踪不确定度为±0.318°,偏航程控跟踪不确定度为±0.316°,满足SIM太阳跟踪精度±0.5°的要求。设计的太阳程控跟踪降低了SIM对光学指向器件的依赖,提高了在轨太阳跟踪的可靠性。     

遥感图像双角度偏振大气校正仪

研制了一种双角度偏振大气校正仪航空样机用于卫星遥感图像数据的定量化。该仪器通过时间同步和空间覆盖的探测方式获取被校正图像对应的角度、光谱、偏振三个维度的大气信息,实现气溶胶和水汽的高精度参数的反演;将反演获取的大气参数作为输入条件,利用辐射传输模型进行遥感图像的高精度大气校正。仪器采用天底(0°)和前向(55°)两个方向观测,具有8个探测波段,覆盖可见到短波红外(0.49~2.25μm)波段,其中5个波段具备偏振探测能力;采用高精度一体化结构设计保证各偏振探测通道的视场重合精度,降低偏振探测目标不一致引起的偏振测量误差。实验室定标和测试结果表明,偏振波段的视场重合度优于95%,偏振测量精度优于1%(偏振度DoLP=0.3),满足仪器设计指标要求。     

楔铁式调平机构的设计

为满足仪器在大的垂直负载和方位扭矩下的精密调平和精度保持,设计了楔铁式调平机构.利用静摩擦平衡方位扭矩,通过增大楔铁工作面来满足大的垂直负载,应用斜面机构和螺旋机构的速比大和自锁的特点实现精密调平和精度的保持.根据该机构的使用要求,提出了设计的4项准则.以此,设计计算了在垂直负载15 t,方位扭矩10 000 N·m,调平角度不小于1°,调平精度1"条件的楔铁式调平机构.     

基于视觉正交迭代法改进的激光跟踪姿态测量

针对航空航天、汽车船舶以及机器人应用等领域对姿态精准测量的需求,研究了一种基于视觉加权加速正交迭代(WAOI)的激光跟踪姿态角测量方法。首先阐述了测量系统组成、建立了数学测量模型,并分析了系统的主要误差源;其次在正交迭代(OI)的基础上,通过物方重投影误差设置参考点权重系数,引入常系数矩阵整合迭代过程中的冗余计算,提出了一种WAOI算法,并通过实验验证了算法的性能;最后搭建实验平台,利用精密二维转台对基于WAOI的姿态角测量进行精度评定。结果表明,在-20°～20°角度范围内,3～15 m测量范围内,方位角精度可达0.11°,俯仰角精度可达0.26°。相较比例正交投影迭代变化(POSIT),方位角和俯仰角测角精度均提升75%以上。本文提出的WAOI算法有效提升了激光跟踪姿态测量系统的精度。     

主动光学系统力促动器的设计和测试

设计了一套用于控制薄镜面主镜面形的力促动器,并进行了实验测试。分析了常用的可以实现高精度、高稳定性的力促动器结构形式;结合实际情况和目前薄镜面主动光学实验系统的要求,设计了由步进电机驱动谐波减速器、精密丝杠传动,S型Loadcell反馈输出力变化的力促动器结构。最后,通过开环和闭环实验对结构进行了测试。实验结果表明,该力促动器行程为0~10 mm,输出力为—100 ~100 N,精度优于0.05 N,满足大行程、高精度微量输出和高稳定性要求,可以应用于主动光学支撑系统,同时也适用于其他精密调整结构。     

智能型太阳自动跟踪系统的PLC设计

介绍了一种新型的极轴式智能型太阳自动跟踪系统。该系统是基于三菱Q型PLC构建平台,选取极轴式跟踪方式,同时采用以时钟跟踪为主调、传感器跟踪为辅调的混合调节策略,使用视日轨迹跟踪的方法自动计算出不同地点和时间太阳的高度角和方位角,通过PLC控制步进电机作为执行机构,同时采用聚光技术,从而提高了跟踪精度,实现了全天候、全自动跟踪。