大尺度索杆铰接式伸展臂激光准直测量技术研究

摘要

随着太空探索、对地观测、军事侦察和海洋勘探等空间活动的迅猛发展以及未来复杂太空任务的需求，对超大尺度、超高精度、超大刚度、超轻型结构的空间伸展臂的需求越来越迫切。由于受到航天运载工具的运载空间的限制，要求空间伸展臂在发射阶段必须折叠起来收藏于整流罩内，待航天器进入轨道后，再靠自带的动力源将其展开至工作状态，这就要求空间伸展臂展开后具有更高的重复展开精度和定位精度。如何对大尺寸、高精度伸展臂展开后的精度进行测量，已成为未来伸展臂研制、测试亟待解决的问题。
　　本文在分析索杆铰接式伸展臂展收原理及结构特点的基础上，提出了索杆铰接式伸展臂的直线度误差以及展开后横向框架的端部扭转角度，水平、竖直偏移量的激光准直测量方法。根据激光准直测量的工作原理，对索杆铰接式伸展臂激光准直测量系统进行了设计。运用所设计的激光准直测量系统对伸展臂横向框架相应节点的空间坐标位置进行了测试，通过计算得到伸展臂的直线度误差和各跨展开单元的扭转角度和偏移精度。
　　对激光准直测量系统的光源进行分析与比较，根据激光器光源的输出特性，选取外腔式氦氖激光器作为测量系统的光源并设计了激光器固定支架。选择四象限探测器接收激光束，并对四象限探测器的工作原理及性能进行了分析。对影响四象限探测器的因素进行分析，影响因素包括光束漂移、光斑大小以及背景光等因素。根据四象限探测器输出信号特点，设计了四象限探测器输出信号运算电路、放大电路以及数据采集电路并开发了索杆铰接式伸展臂激光准直测量系统的测量软件。
　　根据激光束扩束原理，提出了激光器扩束的具体方法以及光束垂直性和准直性调节的方法。设计了二维标定台对四象限探测器进行平面标定，确定标定平面内的标定点的实际位移值和相对应的电压值，通过插值计算确定了平面内非标定点的实际位移值电压值的近似关系，校正了由于四象限探测器的不均匀性带来的误差，提高了四象限探测器的测量范围。
　　在实验室条件下进行了激光光源输出稳定性、光斑能量中心的一致性、四象限探测器线性度以及平面标定等实验，对伸展臂缩比样机的直线度误差和位置误差进行测量并分析了产生误差的原因。

目录

大尺度索杆铰接式伸展臂激光准直测量技术研究

RESEARCH ON LASER COLLIMATIONMEASUREMENT TECHNOLOGY OFLARGE-SCALE CABLE-STRUT DEPLOYABLEARTICULATED MAST

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景、来源及研究的目的和意义

1.2 国内外大尺度伸展臂精度测量的发展现状

1.2.1 国内外大尺度伸展臂的发展现状

1.2.2 大尺度展开机构精度测量方法的研究发展现状

1.2.3 激光测量技术的发展现状

1.3 本课题的主要研究内容

第2章 伸展臂激光准直测量系统方案设计

2.1 引言

2.2 伸展臂展收原理及结构特点

2.3 伸展臂激光准直测量系统设计方案

2.3.1 激光位置测量技术

2.3.2 伸展臂激光准直测量系统设计

2.4 伸展臂精度测算方法

2.4.1 伸展臂横向框架位置偏差测算方法

2.4.2 伸展臂直线度误差测量方法

2.5 本章小结

第3章 伸展臂激光准直测量系统详细设计

3.1 引言

3.2 激光器的比较与选取

3.2.1 激光器的比较与选取

3.2.2 激光器的性能分析

3.2.3 激光束扩束原理

3.3 激光准直测量系统光电探测器的选取与设计

3.3.1 光电探测器的选取

3.3.2 四象限探测器工作原理

3.3.3 四象限探测器的影响因数分析

3.3.4 四象限探测器电路的设计

3.4 激光准直测量系统软件设计

3.5 本章小结

第4章 伸展臂激光准直测量系统调节与标定方法

4.1 引言

4.2 激光准直测量系统的调节

4.2.1 激光束垂直性调节

4.2.2 激光束准直性调节

4.3 四象限探测器的标定方法

4.3.1 光电材料的不均匀性

4.3.2 四象限探测器的一维标定方法

4.3.3 四象限探测器的二维标定方法

4.4 标定平面内点的插值

4.5 本章小结

第5章 伸展臂样机精度测量实验及误差分析

5.1 引言

5.2 测量系统相关实验

5.2.1 激光器输出功率稳定性实验

5.2.2 激光束光斑能量中心位置一致性实验

5.2.3 环境对四象限探测器标定的影响

5.2.4 测量距离对探测器标定的影响

5.2.5 四象限探测器平面标定验证实验

5.3 伸展臂样机精度测量实验

5.3.1 伸展臂样机横向框架位置偏差测量实验

5.3.2 伸展臂样机直线度测量实验

5.4 伸展臂精度测量误差分析

5.4.1 伸展臂零件加工和装配的误差

5.4.2 氦氖激光束受环境影响产生的误差

5.5 本章小结

结论

参考文献

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致谢