發(fā)布時間：2017-04-17 15:45

第 1 章 緒論

1.1 選題背景及意義
隨著科技水平的不斷發(fā)展和軍事水平的不斷進步，在空間探測、航空偵查、軍事國防等領(lǐng)域，光路的精確捕獲、穩(wěn)定、跟蹤（ATP）技術(shù)已然成為這些領(lǐng)域研究的重要部分。尤其是近些年來隨著大氣激光通信的不斷發(fā)展，必須要求光路透過上百公里的大氣空間，并且需要對準點狀的光學天線，這需要克服光源振動、大氣擾動等可能引起光束偏移、成像噪聲的問題，使得光學系統(tǒng)和光學天線可以穩(wěn)定光路，精確指向。正常情況下，通過大氣擾動造成光束抖動的頻率可以達到1000 赫茲以上，因此需要達到微弧度級甚至亞微弧度光束瞄準精度[1,2]。為了達到精確捕獲、跟蹤、指向的目的，工程上一般采用復合軸系統(tǒng)。所謂復合軸系統(tǒng)，就是采用多軸系統(tǒng)進行粗跟蹤與精跟蹤相結(jié)合而成的復合跟蹤。主跟蹤架又稱為主軸或主系統(tǒng)，用于粗跟蹤，其特點包括行程范圍大、視場大、精度低、帶寬窄，主要用來捕獲目標并且使目標穩(wěn)定在子系統(tǒng)的視場內(nèi)，方便子系統(tǒng)進行精跟蹤[3]。精跟蹤選用的 FSM 系統(tǒng)(Fast Steering Mirror system，F(xiàn)SM 系統(tǒng))是通過調(diào)整反射鏡在光源與接收端之間進行光束調(diào)整的裝置，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、速度快、精度高、帶寬高等優(yōu)點，經(jīng)常與大轉(zhuǎn)動范圍的主鏡一起組成復合軸系統(tǒng)，從而達成高精度、大轉(zhuǎn)角的穩(wěn)定和指向的功能。兩者疊加可以實現(xiàn)大范圍的快速高精度跟蹤[4]。其原理如圖 1.1。
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1.2 FSM 系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀
因為具備控制精度高和響應速度快等優(yōu)點，已然在光學系統(tǒng)中成為校正和穩(wěn)定光路的重要環(huán)節(jié)，在工業(yè)設(shè)備、激光通訊、成像系統(tǒng)等多個領(lǐng)域得到了廣泛應用[5-9]。近些年大口徑望遠鏡技術(shù)不斷革新，F(xiàn)SM 系統(tǒng)不但在精密跟蹤系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用，還在自適應光學系統(tǒng)中用于中和大氣波動造成的低頻擾動�？刂茙捲礁�，對干擾的抑制能力越強，系統(tǒng)反應速度越快，從而可以提高系統(tǒng)的跟蹤精度。因此，根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計出精度高、響應頻率快、穩(wěn)定性好的FSM 系統(tǒng)十分必要。從使用角度，F(xiàn)SM 系統(tǒng)的設(shè)計主要考慮以下幾點性能指標：反射鏡有效通光孔徑和面形精度以及抗強激光損傷能力、行程范圍、定位精度、固有頻率、控制帶寬、響應時間等[10]。FSM 系統(tǒng)的工作原理，是通過調(diào)整反射鏡在光源與接收端之間進行光束調(diào)整。兩軸 FSM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖 1.2 所示，其選用兩對驅(qū)動器驅(qū)動反射鏡實現(xiàn)圍繞兩個軸的旋轉(zhuǎn)，其中反射鏡中心由柔性支撐固定。根據(jù)支撐方式的不同，F(xiàn)SM 系統(tǒng)主要分為：柔性軸式和剛性軸式兩大類，這也是目前最為常用的分類方式[11]。其中剛性軸式又可以細分為 X-Y 軸框架式和球面副支撐式兩種。采用柔性軸支撐的 FSM 系統(tǒng)的特點是：無摩擦阻力矩、結(jié)構(gòu)比較簡單、響應速度快。缺點則是：包括反射鏡、鏡架以及柔性支撐自身負重在內(nèi)的主要載荷都是由柔性原件支撐，在惡劣的環(huán)境中（如振動、沖擊等）反射鏡在所需的工作方向旋轉(zhuǎn)的同時，可能產(chǎn)生非工作方向的微量位移，使得 FSM 系統(tǒng)的工作精度降低，甚至失效。所以，這類利用柔性原件支撐形式的 FSM 系統(tǒng)對柔性元件會有比較高的要求，更適合負載輕、口徑小的系統(tǒng)。圖 1.3 為麻省理工學院開發(fā)的高帶寬 FSM 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)爆炸視圖。該 FSM 系統(tǒng)的柔性件包括彈性片、彈性圈和彈性軸三部分，用于實現(xiàn) FSM 系統(tǒng)運動部分與不動基座之間的連接[6,12,13]。
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第 2 章 FSM 系統(tǒng)方案設(shè)計

在進行 FSM 系統(tǒng)的詳細設(shè)計之前，需要對 FSM 系統(tǒng)的整體方案進行設(shè)計。FSM 系統(tǒng)整體設(shè)計的目的有兩點，首先，它作為一個子系統(tǒng)，是整個激光通信鏈路整體系統(tǒng)的一部分，滿足整體系統(tǒng)的需求是設(shè)計的前提。其次，F(xiàn)SM 系統(tǒng)作為一個整體，各部件之間相互影響，先進行整體設(shè)計，把相互關(guān)聯(lián)的部分確定下來，可以為主要部件的詳細設(shè)計做好準備。本章首先對 FSM 系統(tǒng)的性能指標的提出依據(jù)作了詳細分析，然后根據(jù)提出的性能指標，提出對各部件要求，最后根據(jù)對各部件的要求和各部件之間的相互聯(lián)系，對各部件進行初步的設(shè)計或選取。

2.1 FSM 系統(tǒng)性能指標的提出依據(jù)
本文設(shè)計的 FSM 系統(tǒng)應用于星-地激光通信，其應用環(huán)境為：中弱湍流，晴天情況，通信速率大于 1Gbps，誤碼率優(yōu)于 1.0E-7。星-地通信鏈路擬定參數(shù)如表2.1 所示，星上發(fā)射端主要技術(shù)參數(shù)如表 2.2 所示。FSM 系統(tǒng)對光束的最大調(diào)整范圍就是 FSM 系統(tǒng)的行程范圍。復合軸式結(jié)構(gòu)是由粗跟蹤（大慣性的主鏡等）和精跟蹤（FSM 系統(tǒng)等）組成的，粗跟蹤能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍轉(zhuǎn)角的粗調(diào)整，而精跟蹤只需實現(xiàn)小角度范圍內(nèi)的精確控制，兩部分系統(tǒng)能夠相互復合作用，能夠?qū)崿F(xiàn)在大范圍內(nèi)的高精度穩(wěn)定和跟蹤。精跟蹤系統(tǒng)主要負責在靶面范圍內(nèi)進行調(diào)整，反射鏡鏡面轉(zhuǎn)動 1°，光線變動兩度，所以靶面入射光線極限偏移角度就是本次 FSM 系統(tǒng)設(shè)計需求的極限行程范圍的兩倍。
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2.2 FSM 系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計及選取

圖 2.1 中 FSM 系統(tǒng)各個主要部件與各個主要的性能指標的關(guān)系可以歸納為以下 4 點：1、反射鏡的口徑的直接影響因素是 FSM 系統(tǒng)通光口徑，同時作為主要載荷，反射鏡會影響驅(qū)動器和柔性支撐的選取，所以要優(yōu)先確定。2、柔性支撐的設(shè)計受到載荷、行程范圍和工作帶寬的影響，影響因素較多，所以反射鏡設(shè)計完成以后要對柔性支撐進行設(shè)計。3、驅(qū)動器的選取取決于推力大小，而推力的決定因素是工作帶寬、行程范圍以及負載的大小。4、傳感器的選取因素則主要取決于 FSM 系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)分辨率和行程的要求。

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第 3 章 反射鏡的輕量化設(shè)計.............37
3.1 反射鏡的總體設(shè)計.....37
3.2 反射鏡鏡胚結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.............40
3.3 反射鏡鏡架設(shè)計.........44
3.4 反射鏡仿真分析.........46
3.5 本章小結(jié)...........49
第 4 章 倒圓角三角型兩軸柔性支撐設(shè)計.............51
4.1 倒圓角三角型柔性鉸鏈設(shè)計.........51
4.1.1 鉸鏈長度 2c 對鉸鏈性能影響分析........ 52
4.1.2 其他參數(shù)對鉸鏈性能影響分析....57
4.2 倒圓角三角型兩軸柔性支撐與單個柔性鉸鏈剛度的關(guān)系...........60
4.2.1 繞 X 軸的轉(zhuǎn)動剛度.............60
4.2.2 繞 Y 軸的轉(zhuǎn)動剛度.............60
4.3 柔性支撐材料選擇與尺寸確定.....61
4.4 有限元仿真分析.........64
4.5 本章小結(jié)...........67
第 5 章 FSM 系統(tǒng)的誤差分析........... 69
5.1 FSM 系統(tǒng)柔度誤差............. 69
5.2 FSM 系統(tǒng)兩個方向上的諧振頻率誤差........... 72
5.3 FSM 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動中心偏移誤差....... 74
5.4 FSM 系統(tǒng)負載重力對柔性支撐的影響誤差............. 75
5.5 本章小結(jié)...........76

第 5 章 FSM 系統(tǒng)的誤差分析

在加工制造的過程中 FSM 系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)都有可能引入誤差，不同的誤差會對 FSM 系統(tǒng)的不同特性產(chǎn)生影響。本章針對 FSM 系統(tǒng)的幾個主要參數(shù)的誤差，分析其影響因素，最后將各誤差項進行合成，最終得到總誤差結(jié)果，并提出一些在實際加工裝配中減小誤差的方法。

5.1 FSM 系統(tǒng)柔度誤差
FSM 系統(tǒng)柔度誤差屬于隨機加工誤差。FSM 系統(tǒng)的柔度也即柔性支撐的柔度由于柔性支撐是由兩個柔性鉸鏈并聯(lián)而成，對于兩軸 FSM 系統(tǒng)而言，理想的柔性部件應該具備這樣的特性：成 90°旋轉(zhuǎn)對稱，其兩個工作方向上的諧振頻率，即系統(tǒng)的一階諧振頻率和二階諧振頻率是相等的，這樣在系統(tǒng)工作過程中，音圈電機需要的最大推力也是相等的。然而通過表 4.2 的仿真結(jié)果可以得知，柔性鉸鏈的一二階諧振頻率分別為254.3Hz、312.4Hz，說明柔性支撐并不具備這樣的性質(zhì)。根據(jù)公式（2-5）可知，，系統(tǒng)某方向上的低階諧振頻率是由剛度（柔度）和轉(zhuǎn)動慣量共同決定的�？梢酝ㄟ^精密加工近似的保證在柔性支撐兩個方向上的剛度相等，但是 X 軸負載始終比 Y 軸負載多如圖 5.2 所示的一部分，可以考慮在繞 Y 軸方向兩側(cè)也增加相應的轉(zhuǎn)動慣量補償塊，使得 X、Y 軸的轉(zhuǎn)動慣量相同。這是一個可行的辦法，需要在質(zhì)量分布方面做進一步的優(yōu)化，這也是下一步研究的方向。目前可行的方法就是通過控制系統(tǒng)，使得垂直方向的兩對電機輸出不同大小的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動兩個方向不同大小的轉(zhuǎn)動慣量�？梢灶A見到沿 Y 軸分布的一對電機長期要更大的功率輸出，對電機的壽命會有一定的影響。
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總結(jié)

本文以長春光機所重大創(chuàng)新項目——“激光載波測控與通信技術(shù)”課題為研究背景，對基于新型柔性支撐的 FSM 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計做了比較全面的研究，尤其是對 FSM 系統(tǒng)反射鏡的輕量化設(shè)計、倒圓角三角型柔性支撐的設(shè)計等方面進行了詳細的論述，其中的設(shè)計思路與方法對于同類型 FSM 系統(tǒng)的設(shè)計具有參考價值。其主要的研究內(nèi)容包括以下幾個方面：1、了解了 FSM 系統(tǒng)的應用背景，并詳細介紹了國內(nèi)外前沿性的 FSM 產(chǎn)品以及相關(guān)的研究進展�；诒菊n題組關(guān)于激光通信的實際研究內(nèi)容以及同類型相關(guān)產(chǎn)品的性能，提出本文的 FSM 系統(tǒng)的性能指標，并將研究重點定為對輕量化反射鏡和新型柔性支撐的設(shè)計。2、分析了系統(tǒng)主要技術(shù)指標（通光口徑、行程范圍、結(jié)構(gòu)分辨率、固有頻率等）的提出依據(jù)，并以其與 FSM 系統(tǒng)的各個主要部件（反射鏡、柔性支撐、驅(qū)動器、傳感器等）的聯(lián)系為指導，提出了反射鏡和柔性支撐的設(shè)計指標，并對驅(qū)動器和傳感器進行了選取。3、反射鏡的輕量化。首先對反射鏡進行了總體設(shè)計，之后對反射鏡鏡胚結(jié)構(gòu)進行了包括拓撲優(yōu)化設(shè)計和尺寸優(yōu)化設(shè)計在內(nèi)的優(yōu)化設(shè)計，并對筋寬和鏡面厚度對面形精度的影響進行了考量；然后對反射鏡鏡架進行了優(yōu)化設(shè)計，確定了反射體鏡架的模型和參數(shù)；最后對反射鏡鏡胚和鏡架進行軟件仿真分析，裝配后進行整體受力，分析其面形精度，為后續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)。4、倒圓角三角型兩自由度柔性支撐。首先利用卡氏第二定理推導出倒圓角三角型柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動柔度、回轉(zhuǎn)精度計算公式，分析了倒角半徑 r 和最小厚度t 對其轉(zhuǎn)動柔度、回轉(zhuǎn)精度和最大應力的影響；然后根據(jù)系統(tǒng)目標要求，分析并確立倒圓角三角型柔性鉸鏈和兩軸柔性支撐的基本參數(shù)，建立模型，并利用有限元分析軟件分析，得到仿真結(jié)果。
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參考文獻(略)

本文編號：313649