采用柔性铰链的快速反射镜设计

根据激光发射系统对快速反射镜发射方向精度的需求,提出了一种新型快速反射镜设计方案。该方案以柔性铰链为运动传递元件,采用直线音圈电机驱动,并用高精度光栅测微仪实现位置闭环控制。首先,介绍了反射镜工作原理及驱动方式,选择了系统的驱动元件和测角元件,并对柔性铰链结构进行设计。在研究其刚度特性的基础上,采用序列二次规划法优化了铰链关键尺寸。然后,建立了驱动组件的简化模型,并利用理论公式和有限元分析软件分别计算驱动组件的转角精度。最后,使用测角元件及自准直平行光管测量了快速反射镜的转角精度。实验结果表明：所设计的快速反射镜装置工作稳定、结构可靠,对发射光束的控制精度能达到0.95",满足激光发射系统实时控制光束发射方向的精度要求。     

提高中心球铰式快速反射镜指向精度的机构设计

为了提高快速反射镜的承载能力及其对振动、冲击等恶劣工作环境的适应性,一种中心采用球形铰链进行刚性连接、音圈电机驱动的快反系统应运而生.但该型快速反射镜运动部分绕中心轴回转的自由度无约束,直接限制了系统指向精度和动态稳定性的提高.为了克服此技术缺陷,设计了一种柔性防转机构.在明确中心球铰式快反系统结构特点和误差来源的基础上,对柔性防转机构中弹片的结构形式及尺寸进行了设计,对柔性弹片各方向的刚度进行了有限元分析、对比,最后,针对是否装有柔性防转机构的快反系统的指向精度进行了对比测试.结果表明:该柔性防转机构结构简单、易于实现,并能有效改善快反系统的指向精度(约提高3倍).在确保中心球铰式快反大的承载能力的前提下,使其具备了传统柔性无轴式快反的优点.     

快速反射镜两轴柔性支承设计

提出了基于集中柔度的柔性铰链单元的柔性支承结构,研究了这种柔性支承静动态特性的设计过程和设计方法。首先,从快速反射镜的工作机理出发,分析了系统对柔性支承的特性要求;然后,结合现有两种柔性支承结构的特点,提出基于集中柔度的柔性铰链单元的柔性支承设计;在分析单个柔性铰链刚度特性的基础上,研究了两轴柔性支承的设计方法;最后,以通光口径为Φ90 mm、行程为±2 mrad、工作带宽为300 Hz的两轴快速反射镜为例,进行了两轴柔性支承的设计和特性计算。基于dSPACE半实物仿真系统建立了两轴柔性支承特性实验,对柔性支承的转动刚度进行测试,并对由设计的柔性支承组成的快速反射镜系统的控制性能进行分析。实验结果显示:设计的快速反射镜系统的一阶机械响应频率为78 Hz,闭环控制带宽为340 Hz,满足设计要求,表明基于集中柔度的柔性铰链单元的柔性支承可以满足行程若干mrad,工作带宽数百Hz的两轴快速反射镜的应用需求,且具有加工工艺性好,转动中心稳定等优点。     

采用三点定位原理的反射镜支撑结构设计

在选择空间反射镜的支撑形式时,大口径反射镜一般采用柔性支撑结构加背板的支撑结构;小尺寸反射镜采用周边支撑的结构,但支撑结构质量都较大。为了降低反射镜支撑结构质量,通过对三点定位原理的自由度分析,设计了3个柔性铰链结构,通过柔性铰链的结构参数分析及有限元分析计算,设计出参数为R=1mm,t=2.5mm的三点柔性铰链,实现400mm口径反射镜的周边支撑,并使支撑反射镜的三个铰链直接与相机机身连接,省略了常规反射镜支撑的背板及边框,大大降低支撑结构质量;且该支撑结构具有较好的动态刚度和力、热环境适应能力。     

二自由度柔性铰链六杆机构的设计与分析

柔性机构应用越来越广泛,且在很多机械系统中能有效替代某些刚性机构,从而使整个机械系统达到刚柔并济的目的.在研究混合驱动机构和柔性四杆、五杆机构的基础上,对混合驱动六杆机构进行变型设计.首先利用虚功原理建立二自由度柔性铰链六杆机构的伪刚体模型,得出该机构的伪刚体模型的普遍公式.同时,建立了该机构的拟柔性模型,并得出了拟柔性模型的普遍公式.然后对二自由度柔性铰链六杆机构进行了仿真,得出相关数据,建立了相关转角之间的函数关系.并在普遍公式的基础上解出在施加不同载荷下的二自由度柔性铰链六杆机构驱动杆转角的理论值.最后对仿真值与理论值进行了对比分析,证明了理论推导过程的正确性.     

新型六自由度微动并联机构的工作空间分析

在实现天文光学镜面毫米级行程位姿调整和微纳米级精密定位中,基于全柔性铰链的新型3SPS+3(SP-U)六自由度并联机构的工作空间主要由柔性铰链相对较小的回转空间所定义。分析了3SPS+3(SP-U)并联机构运动自由度及其部分自由度解耦特性,并根据实物样机的几何参数建立了其运动学逆解模型。在此基础上,基于柔性铰链回转空间及支链行程范围,采用搜索法分析了其工作空间,并采用激光跟踪仪对样机的工作空间进行了实测。理论计算和实测结果验证了该机构动平台中心点的平动位移空间可达±3 mm,转角空间可达±1°,确保了其在应用中具有足够的工作范围,达到了设计目标。     

一种性能良好的反射镜架

反射镜架很多仪器设备中常用的部件.实际工作中要求反射镜架具有良好的调节性能,以利于仪器光路的安装调试,根据这一要求,本文提出了一种反射镜架结构并采用位移分解法分析了该结构调节机构的性能.理论分析和实际应用表明该镜架在小范围内调节光斑位置时确实具有优良的调节性能,保证了光斑位置两维自由度调节的正交独立性.该镜架对通光孔的遮挡最小,结构简单,成本低廉.可方便地用于很多相应的仪器设备中.     

六自由度并联柔性机构设计分析与优化

从自由度和约束角度进行机构设计与分析的螺旋理论,是柔性机构设计的重要方法之一。基于螺旋理论设计了一种六自由度的全柔性微动平台,并利用有限元分析软件对其进行相应的位移、应力和模态分析。通过平台的有限元分析,获取影响平台的主要结构参数,并将其作为柔性铰链的优化设计参数,为新型多自由度柔性机构的设计提供借鉴。     

新型3-RPC柔性精密平台的刚度与动力学分析

提出了一种新型空间柔性并联精密平台,该平台采用压电陶瓷驱动方式,通过单自由度柔性铰链的弹性变形实现末端执行件3个方向的运动;采用柔度矩阵变换法,建立了该柔性精密平台的刚度模型,并用有限元方法对刚度模型进行了验证。在此基础上,讨论了柔性铰链结构参数对平台刚度的影响规律;采用拉格朗日法建立该平台的动力学方程,利用有限元对其进行了模态分析,讨论了3组不同柔性转动副结构参数对微动机构自然频率的影响。     

除鳞机传动机构设计及动态减振性能研究

设计了一种除鳞机柔性机械传动机构,该机构主要由齿轮传动、链传动、柔性连接3部分组成,通过各组件的相互传动最终实现单输入多输出的柔性自由度运动。详细叙述了传动系统的设计与功能实现过程,对所设计的样机进行了动态减振性能研究,结果显示:除鳞机柔性传动机构克服了传统纯机械系统所存在的刚性缺陷,使机构设计变的更加富有弹性与可塑性,为机械传动系统的设计提供了一个新方向。     

哈特曼探测器的高精度调节机构

设计了基于高精度直线驱动器和曲柄滑块机构的高精度二维角度调节机构,以实现2m口径望远镜中哈特曼探测器与自适应光学系统间的高精度对准与自动化调节。依据光学设计分析得出调节机构分别需满足±1°的调节范围和6"的调节精度。根据哈特曼探测器的外形结构和调节机构的整体布局,选择了调节机构中的主要参数,对整体调节机构进行了初始设计并分析了它的精度和动态特性。利用自准直仪设计了调节机构的检测系统,对设计的调节机构的调节范围、精度和动态性能进行了实际测量。结果表明:哈特曼探测器调节机构在俯仰和扭摆方向上的角度调节量均约为±1.2°,调节精度分别为0.43″和2.1″,均满足设计要求,为哈特曼探测器的高精度探测奠定了基础。     

光电跟踪系统Φ1000mm主镜的装调

1 000mm口径主镜的光机装调质量直接影响望远镜光学系统的成像效果。为了改善大口径光电跟踪系统的成像质量,本文对主镜的装调技术进行了研究。首先,对影响主镜面形精度的误差进行分配;其次,结合具体的主镜支撑结构的形式,采用典型装调方法对800mm口径主镜进行详细的装调研究,实时测得主镜的面形精度;最后,综合分析产生装调误差的来源,提出了一种加工、检测、装调一体化的高精度装调方法。该方法使得1 000mm主镜在装调后的面形精度波像差RMS值达到了λ/40,在提高装调质量的情况下显著提高了装调效率。     

激光共振电离质谱计用光入射系统的研制

针对NINT3000质谱计的结构特点,利用高斯光学理论,推导出双透镜系统光学参数传递方程,并以此为依据设计出一套光学系统和光路调整装置,实现了激光束在离子源腔内的精确定位和聚集,焦斑半径为160μm,调节精度为10μm。目前,该系统已经安装在激光共振电离质谱计上,并实现了镥的单色双光子共振电离。     

Synthesis of adjustable four bar function generators through five bar loop closure equations

Although adjustable linkage mechanisms are multidegree freedom systems, the application of theories of multidegree freedom systems to adjustable mechanisms is sparse. A technique to synthesize a four bar adjustable function generator operating in two phases to produce two specified functions is presented here and is based on five bar linkage theory. A maximum of three precision points for each function have been selected in the illustrative example. The adjustment is attained by rotating one link of the five bar about its ground pivot and holding it fixed.The technique results in a set of equations which are more convenient to manipulate and solve than those obtained through other procedures.     

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。     

一种滚转角和直线度同步干涉测量方法的研究

提出一种用于精密线性位移台滚转角和运动直线度同步测量的激光外差干涉系统。该干涉系统由一个Koster棱镜、角隅棱镜、分光镜、1/2波片、直角棱镜、1/4波片以及楔面棱镜和楔面反射镜组成。楔面棱镜作为测量运动直线度和滚转角的传感器固定在线性导轨上,当双频激光器的光射入干涉系统中后,形成空间对称的六光束测量信号。空间结构对称、系统共光路的特点使光学分辨率比普通的迈克尔逊干涉仪高一倍,光程死区达到最小。系统稳定性好,抗环境干扰能力强。光路对称使得增加或减小的光程变化相同,其他自由度引起的光程变化相互抵消,仅有运动直线度和滚转角的变化可以进入光程差,有效地排除其他自由度及阿贝误差的串扰,实现高精密测量。试验证明相互平行且不同频率的两束光在同一反射系统中发生运动直线度偏移和滚转角变化时,通过两束光携带的不同相位信息能直接得到运动直线度和滚转角的变化值。它不需要一条与行程同样长度的大反射镜作参考便能够实现高分辨率测量,简单实用,可直接溯源米定义。     

一种基于高斯光束的平凹激光腔对准方法

给出了一种基于高斯光束的平凹激光腔对准方法。在高斯准直光束后加一透镜系统,恰当地调整准直高斯光束到某一种汇聚发散的状态。在这种状态下,可使由平凹腔凹面镜和平面镜反射回来的光斑直径大小相仿,解决了不加透镜系统时,两反射回来光斑直径相差很大,难于对准的问题,提高两光斑的对准精度。实验使用束腰为0.6 mm的氦氖光,其后加一优化好的透镜系统,在889 mm的距离下,对凹面镜曲率半径为50 mm的平凹腔进行对准。得到由凹面镜和平面镜反射回来的光斑直径分别为4.8 mm和5.1 mm,平凹腔的角度对准精度达到了3.18'。对准好的腔体在点亮LD后,均能出基模光斑。实验结果与理论分析相符,证明了该对准方法结构简单,执行方便。     

激光测距仪器维修训练系统的激励电压源设计

激光测距仪器维修训练系统可满足多种型号测距仪器的测试需求,而激励电源是该系统的关键部件。对基于USB总线的程控激励电压源进行了设计,可调电压源主要由ATmega16单片机与4通道数字电位器AD8403等器件构成,USB通信电路由ATmega16与PDIUSBD12构成,并且在Windows XP系统下开发了相应的WDM驱动程序。测试结果表明该激励电压源能够满足激光测距维修训练系统要求。     

非接触式扫描反射镜转角测量系统

为了提高扫描反射镜转角检测系统的测角范围,建立了基于一字线激光器和线阵CCD的高精度非接触式扫描镜角度检测系统。介绍了检测系统的结构和工作原理,该系统根据激光光斑在CCD上的位置计算扫描反射镜的转角,并利用特殊设计的阵列反射镜增大测角范围。为了降低对加工及装调精度的要求,对系统进行了误差分析,给出了采用多项式拟合法进行角度测量的理论依据。讨论了影响系统检测精度的一系列误差源,计算了系统测量的总误差。最后进行了相关的测量实验。实验结果表明：系统的检测系统分辨率为2.5",测角范围为11°,测角精度可达3",可以满足扫描反射镜对角度测量系统提出的高精度、非接触、大测角范围的要求。