【摘要】：快速控制反射鏡(Fast Steering Mirror,FSM)是一種工作在光源或接收器與目標之間用于調(diào)整和穩(wěn)定光學系統(tǒng)視軸或光束指向的重要部件,具有體積小,結構緊湊,精度高,帶寬高和速度快等優(yōu)點,已經(jīng)廣泛應用于空間激光通信,天文望遠鏡,自適應光學,航空照相像移補償,高精度激光加工設備和運載激光系統(tǒng)等重要領域。發(fā)達國家在諸多領域已經(jīng)有較成熟的產(chǎn)品,但是在技術引進方面存在對我國的相關限制。因此,我們需要對面向高端應用的快速控制反射鏡進行研究,為我國提供具有市場競爭力和自主創(chuàng)新的快速控制反射鏡系統(tǒng)。本文以某星間激光通信實驗室測試平臺為應用背景,概述并比較分析了現(xiàn)有的各種類型的快速控制反射鏡。通過比較分析,最終對三點壓電陶瓷驅動的快速控制反射鏡展開研究,研究內(nèi)容主要包括FSM系統(tǒng)的結構設計和優(yōu)化,單個正橢圓弧柔性鉸鏈近似公式的推導和驗證,兩自由度柔性鉸鏈支撐塊剛度模型的建立和驗證,系統(tǒng)的運動學、動力學及疲勞壽命仿真分析,建立快速控制反射鏡實驗系統(tǒng)并進行相關的實驗研究,分別敘述如下:針對星間激光通信實驗室測試平臺系統(tǒng)對快速控制反射鏡系統(tǒng)的要求,提出了系統(tǒng)的設計方案,方案采用三點驅動方式,壓電陶瓷為驅動元件,壓電陶瓷內(nèi)置的應變片為傳感器,由四個幾何參數(shù)完全一樣的橢圓弧柔性鉸鏈構成系統(tǒng)的兩自由度柔性支撐塊,通過柔性支撐塊的彈性變形實現(xiàn)鏡面的偏轉運動。整個系統(tǒng)結構緊湊,傳動機構無摩擦,無間隙。對柔性鉸鏈的結構形式,性能指標和柔度矩陣進行分析。橢圓弧柔性鉸鏈兼顧了直梁型柔性鉸鏈運動范圍大和圓弧型柔性鉸鏈運動精度高的特點,在保證計算精度的前提下,對橢圓弧柔性鉸鏈的柔度矩陣進行了簡化。運用簡化的計算公式實現(xiàn)了橢圓弧柔性鉸鏈的優(yōu)化設計,大大縮短了優(yōu)化計算的時間。快速控制反射鏡的帶寬受限于系統(tǒng)的機械諧振頻率。在負載一定的情況下,機械諧振頻率的大小又主要取決于柔性支撐塊的結構形式及材料。對兩自由度柔性支撐進行分析,推導出了系統(tǒng)低階固有頻率的理論計算公式,并采用有限元仿真和實驗的方法驗證了理論計算公式的準確性,最終完成柔性支撐塊的結構參數(shù)優(yōu)化設計和整個FSM系統(tǒng)的模態(tài)分析和面形仿真分析。對整個FSM系統(tǒng)進行運動學、動力學及疲勞壽命仿真分析。首先,理論推導了FSM系統(tǒng)的數(shù)學模型,計算了一定工作條件下的驅動力矩,運用軟件Ug,Patran和Adams建立了系統(tǒng)的剛柔耦合模型并進行系統(tǒng)的仿真分析。在剛柔耦合模型的基礎上,采用名義應力-壽命法,根據(jù)線性累積損傷理論對FSM系統(tǒng)進行了疲勞壽命仿真分析。運動學、動力學和疲勞壽命仿真分析結果與理論計算結果的誤差都在2%以內(nèi),驗證了理論分析和仿真分析結果的一致性和可靠性。分別搭建實驗對柔性鉸鏈支撐靜態(tài)剛度,壓電陶瓷驅動器出力-位移特性和FSM系統(tǒng)的動靜態(tài)特性進行測試。實驗結果表明:柔性鉸鏈支撐工作方向剛度的理論分析是準確的,可以滿足工程設計需求;壓電陶瓷驅動器在力的作用下會損失位移,尤其是當受力比較大時,損失的位移在設計之初必須予以考慮;FSM系統(tǒng)動靜態(tài)性能指標都滿足設計要求。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH74

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本文編號：2513045