调焦是高能激光系统中发射聚焦装置的关键一环。调焦机构对系统的瞄准和打击精度有着重要作用。为了解调焦机构的研究现状和发展趋势，首先对国外各类研究成熟的调焦机构进行了介绍，并分析了其调焦控制的原理以及针对各类技术问题所提出的解决方案。对于国内研究情况，则着重介绍了凸轮、丝杠、蜗轮蜗杆和直接驱动四种形式的调焦机构。然后分析了其控制调焦的基本原理，并介绍了应用于不同系统的调焦机构的设计特点。通过分析各类型调焦机构的设计及控制，总结和对比了它们的优点与不足，提出了适用于高能激光系统的调焦机构设计思路及研究方向，为高能激光系统调焦机构研究打下了技术基础。

具备连续变焦功能是目前先进红外热像仪的重要特征之一，而变焦凸轮是驱动连续变焦光学系统中各镜组运动的关键部件。为了设计出良好性能的变焦凸轮结构，本文首先应用动态光学理论推导出变焦光学系统的像移补偿组公式得到像移补偿组的轨迹曲线，然后利用序列二次规划法(sequential quadratic programming, SQP)优化算法来减小动态光学曲线的压力角，结合光机设计理论运用 Creo进行凸轮曲线生成及凸轮槽切除从而获得变焦凸轮结构。再基于有限元分析理论对凸轮结构进行分析，最终通过变焦系统运动及成像结果确认本文方法可行。

针对现有人工肛门括约肌夹持机构存在生物相容性低、响应时间长的缺点，本文基于排便机制及力学特点，设计了一种新型封闭连杆式人工肛门括约肌（Novel Closed-link Artificial Anal Sphincter，NCAAS）的夹持机构。NCAAS夹持机构由基于沟槽凸轮摆杆的传动机构的三组交错叠放的夹持臂组成。为研究生物相容性与响应时间，本文根据虚功原理推导夹持臂的夹持力方程，并通过有限元分析夹持臂与肠道的力学特性。仿真所得机构控便时最大夹持力为1.6 N，肛肠角为62.2°~95.2°，满足人体日常控便需求。所制得NCAAS原型机质量55.19 g、高度42.7 mm、机构总长度不大于68.2 mm，平均响应时长为7.25 s。本文还通过猪大肠离体实验验证了NCAAS夹持肠道的生物相容性，最终控便量达700 g、肛肠角小于90°。NCAAS小型轻巧，生物相容性良好，响应时间较传统人工肛门括约肌大幅度缩短。

连续变焦镜头凸轮曲线压力升角优化设计是镜头性能的重要影响因素。结合镜头中凸轮驱动结构形式及力学理论，分析了凸轮曲线的压力升角对系统传动力矩的影响; 结合机械加工误差以及压力升角模型，提出凸轮曲线优化约束条件及优化原则; 同时借助Gauss函数的平滑特性，实现凸轮曲线沿垂直于光轴方向非均匀展宽的优化方法，抑制凸轮曲线的最大升角。结合Gauss函数寻优处理对某光学设计获得的变焦凸轮曲线进行优化，在约束条件限制下保证曲线平滑性，凸轮曲线压力升角的范围由0°~39.01°优化到15°~31.16°，最大升角降低了20.12%。结果表明,该方法能够有效地应用于凸轮变焦系统设计以提高系统的性能。

为满足机器视觉系统对可变倍双远心系统的需求,设计了一款可实现连续变倍的双远心镜头。该系统的放大倍率为-0.50×至-0.20×,物方视场可观测的直径范围为22~55 mm,可满足低畸变(各倍率段均小于 0.1%)、高分辨率(77.5 lp/mm处均大于 0.30)、高远心度(各倍率段均小于 0.1°)等设计要求,在使用过程中同时具有对物面、像面位移不敏感和可连续变倍检测的优点。重点介绍两种求解变倍凸轮曲线的方法,并进行相互验证,验证结果表明了凸轮曲线数据的准确性,这对变倍系统的后期生产加工具有重要作用。

以某三十倍连续变焦镜头为例，研究了改变曲线压力角的方法。以压力角为目标函数，将凸轮曲线转角构造为分段函数对转角重新划分，压力角过大位置分配较大转角，压缩压力角较小处的转角，从而降低曲线整体压力角，并可有效抑制曲线中较大拐点.利用Matlab进行仿真计算，对比多种转角分配取值的优化结果，得到相对优化的凸轮曲线.优化结果使得曲线最大压力角值由原始的76.9°降低为41.9°.经试验验证，利用该方法优化完的变焦镜头成像质量良好，光轴跳动不大于3个像素，光轴稳定性不大于1个像素.

在动态跟瞄系统中, 获得大小适中、清晰稳定的目标图像是对目标进行跟踪、瞄准的前提条件。为使调焦系统能够在动态跟瞄系统中平滑、灵活、快速地进行调焦, 系统采用凸轮调焦, 应用 MATLAB软件对凸轮曲线进行优化, 使系统的 MTF曲线在 50 lp时数值全部大于 0.6, 像差基本达到平衡, 成像图像清晰, 可满足实际应用要求。通过伺服电机带动调焦凸轮的结构, 使整体结构满足紧凑、轻量的要求, 调节精度为 ±1.1 μm。最终实现了对动态目标的跟踪、瞄准。

为解决当前Z-pin植入设备植入效率低、Z-pin易折断或打滑等问题, 并推动Z-pin增强技术高效地应用于民用和**事业, 开发了基于组合凸轮的高效高精度Z-pin预植入机。首先, 根据航空矩形类复合材料层合构件的预植入工艺技术要求, 分析了预植入机的功能需求。其次, 提出了先“剪切”后“植入”组合凸轮式预植入机的机构运动方案。采用解析法设计了预植入机的凸轮机构, 计算了凸轮机构的理论轮廓曲线。然后, 构建了含有间隙凸轮机构的弹性动力学模型, 优化了组合凸轮的转速, 进行了组合凸轮的虚拟样机运动仿真。最后, 设计制造了实验样机, 通过植入实验验证了组合凸轮设计的正确性和合理性, 并根据实验中出现的问题优化了植入运动方案。实验结果表明, 该方案使Z-pin植入效率得到大幅提高, 以植入间距3 mm×3 mm为例, 其效率能够达到5 080 mm2/min, 植入成功率控制在99%以上, 植入间距、植入深度和纤维长度等参数的精度均控制在±0.01 mm以内。预植入机操作方便, 人机界面友好, 长时间工作平稳, 无Z-pin折断等问题出现, 能满足当前对Z-pin植入设备植入效率、植入精度的要求。

随着制造技术的发展, 机械补偿式变焦镜头的使用也越来越广泛。光学系统变焦的精确性、平滑性和驱动力均衡性主要取决于变焦凸轮, 而变焦凸轮的压力角与凸轮外径、凸轮转角范围以及变倍组的运动规律有关。本文以某款红外连续变焦镜头为例, 不改变凸轮外径和凸轮转角范围, 对变倍组的运动规律进行优化设计, 并通过 ADAMS对优化后的模型进行运动学仿真。仿真结果表明: 该优化方法可以降低变焦凸轮在短焦段和长焦段的压力角, 消除变倍组等速运动时的刚性冲击。