纳弧度级柔性角位移调节机构的优化设计

针对同步辐射中纳弧度级角位移调节的需求,优化设计并研制出一套冗余并联式柔性铰链转动装置。分析了柔性机构的运动学机理,利用虚位移原理推导出机构的整体静态转动刚度,研究其特性及铰链各参数对其影响。根据拉格朗日方程建立其动力学模型,推导出机构在运动方向的固有频率。建立数学优化模型,进行了机构静态和动态的双目标优化设计,采用基因遗传算法对带有非线性约束条件的目标函数优化求解。利用有限元方法对优化后的机构进行了模态分析,研究了柔性机构的前四阶固有频率和振型。制作出高精度的柔性铰链机构,设计搭建转动调节装置进行实验测试。测试结果表明:柔性角位移调节机构转角可达到0.668°,微调时双向运动重复精度实现±8.91 nrad,角分辨率为15 nrad,1~500 Hz的30 min稳定性(均方根值)为2.72 nrad,机构的一阶固有频率约295 Hz,与理论计算和有限元分析相一致。结果验证了优化设计的柔性机构实现纳弧度级高精度角位移调节的有效性和可靠性。

纳弧度分辨的X射线单色器布拉格转轴研究

为了满足同步辐射衍射极限环、X射线自由电子激光装置等新一代光源光束线中对高稳定机械运动机构在大角度范围内的纳弧度角度分辨需求,研制了一种X射线单色器晶体布拉格角调节装置。此装置将优化改良的偏置式曲柄滑块机构与柔性铰链结合。本文分析了平移-角度正弦的运动学关系,建立了运动机构的优化模型,并利用高精度非接触激光干涉测量方法进行了精确的角位移监测。结果表明:该装置传动性能、角度分辨率和角度稳定性基本符合模型的分析结果,且在线性传动关系范围内,角度分辨率优于31.2 nrad;在800 s时间内角度稳定性优于16 nrad。该机构的设计对晶体单色器的使用具有极大的便利性,并为实现十纳弧度量级角度稳定性关键技术攻关奠定了基础。