哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘要
本文针对惯性约束聚变(ICF，InertialConfinementFusion)束靶耦合仪器研
究其精度补偿方法。该仪器拥有多路视觉检测单元，用于ICF实验中靶的精密
定位及光束引导。束靶耦合仪器工作在真空环境下，且需要旋转一定角度在不
同状态下工作，同时各路视觉检测单元需要单独进行调焦运动，因此在仪器工
作时会引入很多误差，进而影响束靶耦合精度。本文尝试研究该仪器的误差补
偿方法，主要研究内容如下：
1.针对束靶耦合仪器的光学共轭原理，分析了影响仪器精度的主要误差源。
基于多体系统理论，建立了从基准坐标系到四路视觉检测单元的综合误差传递
链模型，并通过齐次坐标变换技术以矩阵形式表示综合误差传递链，为实现束
靶耦合仪器误差补偿建立了基础。
2.针对重力引起的变形，使用有限元法分别对水平状态和旋转90°状态进
行静力结构分析，得到两种典型状态下受重力变形的结果。同时对束靶耦合仪
器进行瞬态热有限元分析及热力耦合分析，得到由温度引入的变形情况。基于
仿真结果，结合基于奇异值分解(SVD，SingularValueDecomposition)的3D-3D
点对匹配求解得到综合误差传递链模型中的重力变形和温度变形矩阵，并据此
进行误差补偿，其中重力引入误差均降低到0.1μm以下，温度引入误差均降低
到0.2μm以下。
3.对四路视觉检测单元的运动误差进行测量，采用非线性拟合对四路运动
误差数据建模，得到针对每个运动误差项的数学模型，通过该误差模型对运动
误差进行补偿，补偿后误差从几十微米降低到2μm以下，达到预期效果。
4.针对误差补偿模型的有效性设计验证实验。以位于旋转轴系轴心的球靶
为基准，对两种状态下靶的位置变化进行补偿，补偿后误差降低到0.445μm，
验证了重力误差补偿模型的有效性。基于实验室条件，实测了室温条件下温度
场的分布，验证了仿真结果的准确性。以高精度六自由度机械手为基准，对运
动误差进行了实验验证，验证结果表明补偿后误差降为1.7μm。最后对光束引
导误差进行了推导和补偿，达到预期效果。
关键词：多体系统理论；误差补偿；有限元分析
-I-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Abstract
Inthispaper,theaccuracycompensationmethodoftheInertialConfinement
Fusion(ICF)beam-targetcouplinginstrumentisstudied.Theinstrumenthasa
multi-channelvisiondetectionunit,whichisusedforprecisepositioningofthe
targetandbeamguidanceintheICFexperiment.Thebeam-targetcoupling
instrumentworksinavacuumenvironmentandneedstoberotatedatacertain
angletoworkindifferentstates.Atthesametime,eachvisualdetectionunitneeds
toperformfocusingmovementindependently,somanyerrorswillbeintroduced
whentheinstrumentisworking,whichwillaffectthebeam-targetcoupling
accuracy.Thispaperattemptstostudytheerrorcompensationmethodofthe
instrument,themainresearc