快速控制反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)是一种通过控制反射镜快速、精确的偏转运动实现对光源和目标之间的光束精确调整和稳定的重要部件。FSM具有较小的系统体积、较高的偏转精度和响应速度,跟踪信号能力强,在激光加工设备、星间激光通信等多个重要领域发挥着重要的作用。FSM起源于20世纪80年代,西方发达国家经过多年的研究发展,其FSM系统已经成熟并进入商业化。我国FSM系统发展晚于西方发达国家,但是随着近年来的投入不断加大,我国的FSM系统也得到快速进步,但与西方发达国家还是存在差距。所以,我们需要对更高性能的FSM系统展开研究,为我国的相关领域提供具有完全自主知识产权的高性能FSM系统。本研究以某激光通信实验室测试平台为背景,简单介绍了各国星间激光通信技术特点和发展现状,详细描述了国内外FSM系统的发展历史和产品技术特点,并分析了柔性铰链结构在FSM中的关键作用和柔性铰链的研究进展。通过选择比较,最终对以深切口柔性铰链为偏转部件的FSM系统机械结构展开研究,研究内容包括FSM系统机械结构的总体设计,深切口柔性铰链工作刚度的推导、简化、仿真和实验验证,二自由度柔性支撑系统振型方向刚度计算公式的推导,FSM系统前三阶固有频率计算公式的推导和仿真验证,FSM系统固有频率多目标优化设计,下面分别对以上研究的具体内容进行介绍:通过分析激光通信实验室测试平台的性能要求,确定了FSM系统的反射镜直径、转角范围、转角分辨率、重复定位精度和控制带宽五个主要指标。FSM系统的机械结构由柔性支撑系统、反射镜、隔离板组成,通过柔性铰链的弹性变形实现系统的偏转。通过对常用材料的分析对比,确定了FSM系统结构的材料使用,整个系统体积小,无摩擦,结构紧凑。对不同柔性铰链的构型以及其性能特点进行了对比,分析了运动性能指标,并用柔性铰链的运动范围、运动精度和应力集中三个指标来描述一个柔性铰链的运动性能。通过对不同构型柔性铰链的性能对比,并结合本研究的FSM系统性能要求,确定了采用行程小,运动精度高的深切口柔性铰链作为本研究FSM系统的偏转部件。然后利用能量法和卡氏第二定理,推导了深切口柔性铰链的工作方向刚度理论计算公式,并利用非线性拟合的方法进行了简化。最后利用有限元仿真和实验测试的方法对简化后的理论计算公式进行了验证,证明简化后的刚度计算公式在保证准确性的前提下大大减小了公式的复杂度。快速控制反射镜的控制带宽取决于系统的固有频率。本研究采用降低系统工作方向上的低阶固有频率,提高系统非工作方向上的高阶固有频率的方法提高系统的控制带宽,而系统的固有频率与系统的刚度和负载有关。故本文首先对系统进行模态分析,得出了FSM系统前三阶固有频率的振型方向,并推导了前三阶振型方向的刚度计算公式和系统在前三阶振型方向上的转动惯量计算公式,最终将以上两者结合得到了前三阶固有频率的计算公式,通过有限元仿真对固有频率的理论计算公式进行了验证。然后,对固有频率中的四个结构参数进行了敏感性分析,证明了将反射镜厚度纳入优化计算的合理性和必要性。最后,利用NSGA-II算法,进行了求一、二阶固有频率最小,三阶固有频率最大的多目标优化计算,得出了Pareto解,并通过相对排序法从Pareto解中选择出了本研究所需要的最优解。通过有限元仿真分析对比可以得出优化后的结构相较于优化前一、二阶固有频率下降7.8%和7.11%,三阶固有频率提高了139.8%。证明了优化计算的有效性。本研究的结果可以有效提高FSM系统的控制带宽,为FSM系统的研制以及配套的FSM控制系统的研究提供理论基础和设计方案。