基于椭圆弧柔性铰链支撑的高性能快反镜优化设计

发布时间：2019-07-11 09:13

【摘要】：快速控制反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)是一种工作在光源或接收器与目标之间用于调整和稳定光学系统视轴或光束指向的重要部件,具有体积小,结构紧凑,精度高,带宽高和速度快等优点,已经广泛应用于空间激光通信,天文望远镜,自适应光学,航空照相像移补偿,高精度激光加工设备和运载激光系统等重要领域。发达国家在诸多领域已经有较成熟的产品,但是在技术引进方面存在对我国的相关限制。因此,我们需要对面向高端应用的快速控制反射镜进行研究,为我国提供具有市场竞争力和自主创新的快速控制反射镜系统。本文以某星间激光通信实验室测试平台为应用背景,概述并比较分析了现有的各种类型的快速控制反射镜。通过比较分析,最终对三点压电陶瓷驱动的快速控制反射镜展开研究,研究内容主要包括FSM系统的结构设计和优化,单个正椭圆弧柔性铰链近似公式的推导和验证,两自由度柔性铰链支撑块刚度模型的建立和验证,系统的运动学、动力学及疲劳寿命仿真分析,建立快速控制反射镜实验系统并进行相关的实验研究,分别叙述如下:针对星间激光通信实验室测试平台系统对快速控制反射镜系统的要求,提出了系统的设计方案,方案采用三点驱动方式,压电陶瓷为驱动元件,压电陶瓷内置的应变片为传感器,由四个几何参数完全一样的椭圆弧柔性铰链构成系统的两自由度柔性支撑块,通过柔性支撑块的弹性变形实现镜面的偏转运动。整个系统结构紧凑,传动机构无摩擦,无间隙。对柔性铰链的结构形式,性能指标和柔度矩阵进行分析。椭圆弧柔性铰链兼顾了直梁型柔性铰链运动范围大和圆弧型柔性铰链运动精度高的特点,在保证计算精度的前提下,对椭圆弧柔性铰链的柔度矩阵进行了简化。运用简化的计算公式实现了椭圆弧柔性铰链的优化设计,大大缩短了优化计算的时间。快速控制反射镜的带宽受限于系统的机械谐振频率。在负载一定的情况下,机械谐振频率的大小又主要取决于柔性支撑块的结构形式及材料。对两自由度柔性支撑进行分析,推导出了系统低阶固有频率的理论计算公式,并采用有限元仿真和实验的方法验证了理论计算公式的准确性,最终完成柔性支撑块的结构参数优化设计和整个FSM系统的模态分析和面形仿真分析。对整个FSM系统进行运动学、动力学及疲劳寿命仿真分析。首先,理论推导了FSM系统的数学模型,计算了一定工作条件下的驱动力矩,运用软件Ug,Patran和Adams建立了系统的刚柔耦合模型并进行系统的仿真分析。在刚柔耦合模型的基础上,采用名义应力-寿命法,根据线性累积损伤理论对FSM系统进行了疲劳寿命仿真分析。运动学、动力学和疲劳寿命仿真分析结果与理论计算结果的误差都在2%以内,验证了理论分析和仿真分析结果的一致性和可靠性。分别搭建实验对柔性铰链支撑静态刚度,压电陶瓷驱动器出力-位移特性和FSM系统的动静态特性进行测试。实验结果表明:柔性铰链支撑工作方向刚度的理论分析是准确的,可以满足工程设计需求;压电陶瓷驱动器在力的作用下会损失位移,尤其是当受力比较大时,损失的位移在设计之初必须予以考虑;FSM系统动静态性能指标都满足设计要求。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH74

【相似文献】