高性能光机系统精密装配多敏感轴匹配与精度控制方法研究

High-performance optical electromechanical systems are the core components in maneuver detection on land, air and sea as well as in the guidance equipments. The design and manufacturing capabilities of them is an important indicator of a country's military and the level of science and technology. The key issue of the precision optical electromechanical systems assembly is the accuracy matching of its sensitive axes, such as optical axis, mechanical axis, electrical axis, gyro axis, etc. Every axis must have strict direction and position accuracy to guarantee the the tracking precision and stability of optical electromechanical systems. The sensitive axes are almost virtual axes, and the matching difficulty grows in a nonlinear way as the number of sensitive axes increases. In this project, the multi-sensitive-axis accuracy matching and controlling in the assembly process is studied. Based on multi-body dynamics and node aberration theory, the accuracy analysis model of mechanical system and optical system are established respectively, and the matching characteristics are analyzed. Next, the assembly process of optical electromechanical system is modeled in the state space model, the controlling and compensating method is introduced. A combination method of modern control theory and calculation experiment is proposed to predict and control the assembly variation. As such, the key controlling parameters are quantitively adjusted to increase the assembly accuracy and the efficiency. Relevant achievements could be applied in aerospace, weaponry, civil domain, etc.

高性能精密光机系统是对地、对空、对海机动探测与制导装备中的核心部件，其设计和制造能力是衡量一个国家军事和科学技术水平的重要标志。精密光机系统装配的关键是光轴、机械运动轴、电轴、陀螺轴等敏感轴精度匹配，使各轴之间具有严格的方向和位置精度，以保证光机系统最终的跟踪和稳定精度。敏感轴多为虚拟轴，随着轴线数量的增加，匹配难度呈非线性增长。本项目针对高性能光机系统装配过程中的多敏感轴匹配问题，立足于对整个装配过程的协调控制，围绕装配过程精度建模和装配过程控制两个核心科学问题，基于多体运动学理论和节点像差理论，建立机械系统和光学系统的精度分析模型，提出基于状态空间理论和计算实验相结合的装配过程精度预测和控制方法，预测各装配环节的多敏感轴匹配精度，定量计算各装配工序的关键装配控制参数，从而有效保证多敏感轴精度匹配，提高产品性能及装配效率。相关研究成果可应用到航空航天、武器装备与民用技术领域。

精密光机系统是用于隔离载体姿态扰动，实现探测目标搜索和跟踪的精密机电设备，已经在民用和军事装备中得到了广泛的应用，其装配的难点在于光轴、机械轴，陀螺轴等多敏感轴的精密装配，且敏感轴的装配精度影响因素十分复杂，精密装配过程中存在诸多技术盲区，已成为制约高性能光机系统发展的“瓶颈”问题之一。.项目以上述问题为背景，对高性能光机系统精密装配多敏感轴匹配与精度控制方法进行了研究。先后完成了精密光机系统精度建模和敏感度分析、光学系统失调量计算与多敏感轴精度匹配特性研究、基于装配方向调整的轴线匹配方法研究、基于状态空间模型的轴线匹配精度预测和补偿、精密光机系统装配工艺与实验验证等五项研究内容，主要创新点如下：.（1）基于蒙特卡洛仿真和雅克比旋量法，建立了伺服机构精度分析模型，对伺服机构中的装配误差进行了精度计算、敏感度分析和装调实验，实验证明该模型可有效预测装配误差的传播过程。.（2）基于泰勒级数研究了微米级装配误差对光学系统波像差的影响模式，并基于矢量像差理论建立了两反式光学系统的失调量解算的解析模型，能够准确计算装调过程中存在的装配误差，为其精密装调提供指导方向。.（3）将多敏感轴的精密装配问题转换成舱体对接时角偏问题，建立了角偏误差累积模型，揭示了采用直接装配法导致装配一次性合格率较低的原因，并提出了两种基于装配方向调整的逐工序优化装配方法，可有效保证各轴线之间的匹配精度。.（4）对直接对接法进行深入分析和建模，建立了装配过程误差传播的状态空间模型，可预测装配过程中的角偏，并以此为基础提出了精度补偿方法，通过预测和补偿解决了装配过程中的多敏感轴匹配精度的控制。.项目的研究为高性能光机系统的精密装配提供了理论和实验依据，为实现智能制造奠定了坚实的基础。项目培养了博士研究生2人，硕士研究生1人；课题组成员在研究期间发表了SCI论文5篇，EI论文7篇，获得已授权发明专利2项。