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。     

一种低耦合位移动镜支撑机构静动态性能分析

为控制FTIR光谱仪中迈克尔逊干涉仪的动镜做一维的精密直线运动,研究了一种低耦合位移的动镜支撑机构。利用单平行和双平行四杆机构的优点,基于柔性铰链设计了一种动镜支撑机构。根据材料力学及机构动力学理论,对基于压电陶瓷（PZT）驱动器驱动的动镜支撑机构系统的静、动态性能进行了分析。仿真结果表明,低耦合位移动镜支撑机构在外力对称作用时无垂直耦合位移,在外力偏移1 mm非对称作用时其耦合转角的数量级（以度为单位）为10-6;在输出相同位移时,动镜机构的最大应力约为双平行四杆机构的0.5倍;动镜机构的基频f为211.3 Hz,PZT驱动器和动镜机构构成的机电系统的固有频率fn为823.7 Hz,fn约为f的4倍,满足动镜支撑机构系统的动态性能要求。该研究为后续的进一步研究打下了基础,具有一定的工程价值及理论指导意义。     

基于响应面法的交叉簧片铰链微位移机构优化设计

为提升一种新型交叉簧片柔性微位移机构的动力学性能,采用响应曲面优化分析对微位移结构参数进行多目标优化设计。首先建立机构的FEA参数化模型,分析机构的工作原理,利用ANSYS对微位移机构进行动力学分析;确定微位移机构的性能指标参数;采用内切中心复合设计法建立响应曲面模型,确定优化设计参数;以交叉铰链簧片厚度作为优化设计变量,前三阶频率作为目标函数,微位移刚度作为约束函数,采用非线性二次规划算法建立多目标参数优化模型,在优化推荐的三个最优解中进行修正,得到最终的设计方案。比较优化前后微位移机构的性能指标,在机构刚度不变的情况下,一阶频率提升80%,二、三阶频率提升4%。研究得出以下结论,簧片厚度对微位移机构动力学性能影响呈正相关,且不同节点处簧片厚度影响不同,采用该优化设计方案有效提升了机构的动力学性能。     

2 m级望远镜主动调节侧向支撑机构设计与优化

基于某2 m轻量化SiC主镜,设计了一种新型主动调节侧支撑机构。先分析常用的侧向支撑机构的结构形式和特点;再设计由位移促动器、柔性铰链结构和嵌入杠杆系统等部件组成的主动调节支撑机构;最后,对机构的支撑力和移动量进行有限元分析,并且搭建实验平台,对其进行刚度和调节能力测试。试验结果表明:当支撑力为562.55 N时,杠杆结构中位移促动器承受的力为97.57 N,大大降低了位移促动器的刚度、强度要求;位移促动器行程为0.065 mm,是支撑杆中的22倍,大大降低了位移促动器分辨率要求;试验测得刚度为1 225 N/mm,达到了设计要求,表明这种柔性杠杆支撑系统具有很好的工程应用能力。     

次镜支撑小型三自由度机构动力学及控制策略

提出了利用一种可实现一个移动和两个转动的小型3自由度（3-DOF）并联机构来支撑并控制次镜,以达到激光精确聚焦目的的方案。通过对小型3-PRS机构的运动模式分析,采用欧拉角描述动平台的运动方式,对其运动学特性做了简要分析。引入该机构连接杆的质量分布因子,利用虚功原理建立了逆动力学模型。基于建立的动力学模型,提出了两种控制策略方案。利用ADAMS/Control模块和MATLAB/Simulink模块联合仿真了该机构的控制精度。最后将该机构应用于实际光路系统中,测量了两种控制方案下该机构控制的调焦次镜对聚焦光斑性能的影响。仿真结果充分证明了该机构完全满足支撑激光聚焦次镜结构的设计要求。     

基于ANSYS的超精密数字定位刀架设计与仿真

设计了一种采用无耦合位移、低应力集中的双平行四杆机构作为弹性体的超精密定位刀架。对超精密定位刀架进行了理论分析与有限元仿真。结果表明,该超精密定位刀架的设计达到要求。     

大行程无寄生位移柔性压电微夹钳结构设计

该文设计了一种两级放大的新型柔性微夹钳结构,对其位移放大比等特性进行了研究。首先,设计了微夹钳的整体结构,第一级放大机构采用杠杆机构,第二级采用半桥式放大机构。随后,利用刚度矩阵法对微夹钳柔性机构进行建模分析,并建立了平面三自由度的振动微分方程,根据所得方程计算出了微夹钳的位移放大比等特性。最后分别利用有限元和实验方法对模型分析得到的位移放大比进行了验证。结果表明,模型分析、有限元分析及实验的结果较吻合,证明了此微夹钳柔性机构以及建模方法的可行性和有效性。     

激光聚焦次镜支撑小型三自由度机构运动分析

提出了利用一种可实现一个移动和两个转动的小型3自由度(3-DOF)并联机构来控制支撑激光聚焦次镜的方案。采用传统的欧拉角描述动平台运动方式,建立了小型3-PRS机构的运动学模型,分析了机构的正、逆运动学性能,进行了包括约束雅克比矩阵的建立和伴生运动的求解。基于运动学分析,定性分析了机构的奇异位形。联合ADAMS与MATLAB,计算了机构的可达工作空间,动平台绕x轴最大运动角度为15.167 1;绕y轴最大运动角度为13.319 4;沿z轴方向的移动大约为9.954 1 mm,分析证明该小型3-PRS机构完全满足支撑激光聚焦次镜结构的设计要求。     

激光通信平背伺服摆镜支撑结构优化设计EI北大核心CSCD

为了保证平背伺服摆镜的镜面精度和支撑刚度,设计了一种周边柔性支撑的方案,通过对摆镜与镜座粘接处机械结构进行切口处理形成铰链结构,降低结构刚度,减小结构变形产生应力的影响。由于摆镜形状、粘接点位置、柔性支撑结构参数较多,并且相互耦合,首先采用正交实验法对摆镜主要参数进行分析与优化,确定摆镜形状尺寸参数和粘接点位置,随后优化设计摆镜柔性支撑结构。仿真分析和实验表明,采用该周边柔性支撑后,摆镜组件一阶频率为446.66 Hz,在±5℃温升(温降)和标准地球重力共同作用下,最大面形误差RMS为λ/42.87,能够满足动、静态刚度和热尺寸稳定性要求。随后使用ZYGO干涉仪在(23±5)℃温度范围内对加工装配后的摆镜面形进行检测,结果表明,摆镜面形PV值优于λ/5.1,RMS优于λ/43.28,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。     

石英力传感器的弹性机芯结构

提出了一种新型的双平行四连杆柔性铰链弹性导向结构，用作石英力传感器的力导向元件。这种采用柔性铰链连接双平行四连杆形成单方向位移的弹性导向机构，有着优良的机械性能：无机械摩擦，无间隙，运动灵敏度高，导向精度高，能自动消除偏载影响。文中对其在正常载荷及偏载下的响应进行了详细讨论，给出了导向位移及偏移误差和采用这种结构的石英力传感器的应用结果。     

空间引力波望远镜主反射镜系统的结构设计优化

针对空间引力波望远镜主反射镜系统的结构及支撑组件进行了设计与优化。主反射镜运用了侧面3点支撑对镜体进行约束,并对支撑点的选取与布局进行了研究。反射镜采用能够实现较大弯曲刚度的背部钻孔式半封闭构型,通过有限元计算结合多目标遗传算法对反射镜轻量化结构进行了参数优化,在不降低面形精度的条件下使镜体结构轻量化率达到74%。设计了一种由两个无阻隔串联式柔度单元组合而成的可调节双轴连杆型Bipod柔性铰链结构,其可对反射镜面形误差进行补偿。建立了柔性铰链并联机构作用于反射镜的数学模型,对其进行了基于MATLAB的参数取值分析,并通过有限元方法完成了对参数取值的修正。最后进行了空间热载荷条件下的反射镜面形分析,结果表明反射镜面形误差优于λ/60,满足设计要求。     

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。     

康普顿光源精密调节镜架机构的设计与分析

为弥补国内航天探测中用于探测器标定的源单色性差、能量覆盖范围小等缺陷，设计了一种康普顿光源精密调节镜架。该镜架由压电陶瓷电机驱动，通过柔性铰链的柔性变形传递运动，对激光入射角进行精密调节，实现激光束与高能电子束精确对撞，从而获得峰值能量连续变化的粒子。利用伪刚体模型理论对该镜架进行建模，分别得到了该机构沿纬度方向和经度方向的刚度模型和位移模型，结合有限元仿真，对位移理论模型和镜架中应力分布规律进行了分析，其结果验证了机构参数选择的合理性。最终得到了经度、纬度方向调节范围均为1.12、定位精度不小于610-4的精密调节镜架。     

角度多样性激光散斑抑制方法的比较

根据成像原理推导了运动透镜、运动45直角棱镜,以及旋转反射镜所引起的角度变化公式,并对影响角度变化的参数（透镜的焦距、物距及光源的发散角等）和引入角度多样性的这三种方法进行了分析比较。实验结果与理论分析表明,在相同条件下,将45直角棱镜运动20 m和反射镜旋转0.02就能实现两个完全独立散斑图样,而运动透镜需要更大的位移,这为设计运动方案引入角度多样性激光散斑抑制提供参考。     

Novel shear tools for viscoelastic characterization of packaging polymers

In order to calculate cure induced stresses, reliable material data is needed over a large modulus range. This paper concerns the derivation of correction equations needed for the interpretation of dynamic mechanical experiments on two different shear tools. For the first shear tool, consisting of an excitator plate sliding between two fixed parallel plates, the effect of the finite clamp stiffness on both the elastic and the viscoelastic modulus components are discussed. It turns out that this shear tool produces reliable results for modulus values in the range from 200 MPa and lower. The second shear tool consists of two parallel leaf springs between which the initially fluid sample is introduced. Clamping of the leaf spring ends and vertical displacement of the center then causes the sample to shear. Exact as well as approximate analytical solutions for the force–displacement relation are derived and are shown to compare well with finite element results. This second shear tool has a typical measuring range for modulus values of 20 MPa and higher.     

激光回馈纳米级宽度干涉条纹

一般的干涉现象为“反射镜每移动半个波长,出现一个干涉条纹”。介绍了利用激光回馈获得纳米级宽度干涉条纹的方法。系统构成:He-Ne激光器,使用近于全反射的球面介质镜作激光器的回馈镜,且该回馈镜法线和激光束夹分量级的小角度。回馈镜沿激光束位移移动时,激光器的功率发生周期类正旋波动,即产生回馈干涉条纹。回馈镜离激光器越近,条纹越窄,以至于半波长位移中出现40个条纹。对波长为632.8 nm的He-Ne激光器而言,每个条纹宽度为7.91 nm。同时,当回馈镜的运动方向发生变化时,激光的偏振态将在两个正交的方向之间发生跳变。利用此效应,可以实现纳米分辨位移测量和回馈镜运动方向的识别。