大口径望远镜次镜桁架调整机构设计_卢保伟.pdf

第 31 卷 第 7 期2023 年 4 月Vol.31 No.7Apr.2023光学 精密工程 Optics and Precision Engineering大口径望远镜次镜桁架调整机构设计卢保伟1，2，张奔雷1，2，王富国1*，杨飞1，陈建波1，2（1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2.中国科学院大学，北京 100049）摘要：大口径望远镜主次镜之间的相对位姿有着非常严格的要求，由于主镜质量较大，因此常常将次镜系统设计为有多个自由度的可调整机构，其调整效果对望远镜成像有着重要的影响。为了降低望远镜的整体高度，对次镜桁架和次镜调整机构进行融合，设计了一种可用于大口径望远镜的次镜桁架调整机构。首先对所设计的调整机构进行了详细的介绍，之后对所设计的机构进行静力学和模态分析，然后对试验样机进行运动学性能测试。所设计的机构在 Z方向的移动行程可达5 mm，绝对定位精度优于 16 m，在 X/Y 方向的偏转行程可达0.574，绝对定位精度优于 6.4。满足大口径望远镜对次镜调整精度和行程的要求。关键词：大口径望远镜；次镜系统；调整机构；支撑结构中图分类号：TH703 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233107.1043Design of truss adjusting mechanism for secondary mirror of large aperture telescopeLU Baowei1，2，ZHANG Benlei1，2，WANG Fuguo1*，YANG Fei1，CHEN Jianbo1，2（1.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）*Corresponding author，E-mail：Abstract：In large-aperture telescopes，the relative positions of the primary and secondary mirrors must conform to stringent specifications.The secondary-mirror system is frequently designed as an adjustable mechanism with several degrees of freedom，owing to the high quality of the primary mirror.This significantly affects the telescope imaging.The secondary-mirror truss and adjustment mechanism are combined and designed to decrease the overall height of the telescope.Moreover，a secondary-mirror truss-adjustment mechanism that can be employed in large-diameter telescopes is designed.First，a detailed description of the designed adjustment mechanism is given，followed by static and modal analyses，and finally，a kinematic-performance test of the experimental prototype.The moving stroke of the designed mechanism in the Z direction can reach 5 mm and the absolute positioning accuracy is better than 16 m.The deflection stroke in the X/Y direction can reach 0.574 and the absolute positioning accuracy is better than 6.4.The mechanism complies with the itinerary requirements and secondary-mirror adjustment accuracy 文章编号 1004-924X（2023）07-1043-10收稿日期：2022-10-10；修订日期：2022-11-08.基金项目：吉林省科技发展计划国际科技合作项目（No.20210402065GH）；国家自然科学基金资助项目（No.11973040）第 31 卷光学 精密工程for large-diameter telescopes.Key words：large aperture telescope；secondary mirror system；adjustment mechanism；support structure1 引 言大口径望远镜的次镜系统在受到自身重量和环境温度等因素的变化影响时，要能保持良好的面形精度；然而，在制造、安装、重力、传热和材料性质变化等因素的影响下，主次镜间会产生相对的位姿偏移，导致光轴倾斜，从而影响整个系统的指向精度和成像品质。因此，需要对主次镜间的相对位姿进行校正，由于主镜质量较大，移动主镜比较困难，所以要求次镜能在多个自由度方向实现调整功能。次镜支撑和调整机构作为望远镜系统的重要组成部分1，其功能就是支撑和调整次镜的位姿，使次镜相对于主镜保持一个相对范围的位置和姿态，进而保证望远镜系统的正常成像2。次镜调整机构的功能包括轴向离焦调整、倾斜校正、消除主次镜位置偏差引起的三阶彗差、红外调制技术中次镜快速摆动的斩波。因此，次镜的调整机构要设计成 3 自由度系统，有些调整机构甚至采用 5 自由度或 6 自由度的系统。BLAST-TNG 采用三个线性驱动器对次镜的 piston/tip/tilt 三个自由度进行调整3-4。威廉赫歇尔望远镜采用 4 个焦点校正单元校正主焦点 Z 方向上的移动和 X/Y 方向上的偏转5-6。Stewart平台具有刚度大、调整自由度多、位置误差不累计等诸多优点7，被广泛应用于大口径望远 镜 的 次 镜 调 整 机 构 中，如 VST 望 远 镜8-10、LSST 望远镜11-12等。SOFIA 次镜除了具有 5个自由度的调整外，还有频率高达 20 Hz 的快速斩波13-14。本文以大型车载望远镜为研究对象，对次镜调整机构进行设计，提出一种次镜桁架调整机构，降低了望远镜的整体高度。该次镜桁架调整机构的运动学性能测试实验表明，调整机构的运动精度和行程能够满足要求，可为次镜调整机构和大口径望远镜的研究提供借鉴。2 次镜桁架调整机构设计大型地基反射式光学望远镜大多采用卡塞格林式光学设计。大型望远镜的结构设计常采用单层或者多层桁架作为主体支撑结构，配合焊接式环梁以及四翼梁结构支撑次镜室，如图 1所示15。若将次镜桁架与次镜调整机构融合设计，通过调整次镜桁架来调整次镜的位姿，减少了 次 镜 调 整 机 构，会 大 大 降 低 望 远 镜 的 整 体高度。为了降低望远镜的整体高度，本文将次镜桁架与 Hexapod平台融合，设计一种新的次镜桁架调整机构，代替传统的 Hexapod 平台，通过调整桁架来调整次镜的位姿。该调整机构为一个并联机构，由一个定平台，一个动平台和连接动平台和定平台的 4 根支链组成，每个支链包含一个移动副（P），一个万向副（U）和一个转动副（R）。该调整机构简图如图 2所示。作为调整次镜位姿的执行机构，不仅要保证光学系统所要求的位姿运动精度，还要具备任意位姿下的锁定能力，从而保证次镜的位姿精度和稳定性。次镜调整机构的主要技术指标如表 1所示。其中，Z 方向为望远镜光轴方向，X/Y 平面为垂直光轴方向的平面。次镜桁架调整机构包括 1 个环梁，1 个次镜室，8 个叶片和 4 个校正单元。其中，环梁固定在支撑次镜及其组件的桁架上，4 个校正单元分别固定在环梁的 4 个边上，每个校正单元用两个叶片连接次镜室，每个叶片上都施加预紧图 1次镜支撑结构Fig.1Secondary mirror support structure1044第 7 期卢保伟，等：大口径望远镜次镜桁架调整机构设计力，使次镜室不管处于什么位置，叶片均受到拉力。校正单元主要包括步进电机，蜗轮蜗杆减速器，偏心凸轮，刀片弹簧，可移动块和绝对角编码器。该次镜调整机构的整体结构如图 3所示。该次镜桁架调整机构是利用 4个校正单元沿光轴方向的移动来控制次镜的位姿，当 4 个校正单元同步移动时，次镜沿着光轴方向移动；当 4个校正单元所处位置不同时，次镜的两侧就会形成高度差，从而控制次镜的偏转。校正单元是一个平底直动凸轮机构，如图 4 所示。蜗轮蜗杆减速器可以减小转速增大扭矩，通过阶梯轴和平键连接将扭矩传递到偏心凸轮上，偏心凸轮作用在可移动块上，通过压缩弹簧使可移动块和偏心凸轮紧密接触，通过控制步进电机的转角来控制偏心凸轮的转角，从而控制可移动块的位置，轴的末端用联轴器接着绝对角编码器，通过绝对角编码图 3次镜调整机构整体结构Fig.3Overall structure of secondary mirror adjustment mechanism图 4校正单元机构Fig.4Correction unit mechanism图 2调整机构简图Fig.2Sketch of adjustment mechanism表 1次镜调整机构的主要技术指标Tab.1Main technical specifications of secondary mirror adjustment mechanism参 数光轴行程 Tz偏转行程 Rx，RyTz调整精度Rx，Ry调整精度次镜至桁架顶端距离承载能力力学性能指标要求5 mm0.310 m2.5 rad（0.514 3）185 mm25 kg一阶模态频率40 Hz1045第 31 卷光学 精密工程器来实时监测和反馈偏心凸轮所处的位置。分别调整 4 个可移动块的位置，从而使次镜室可以在光轴方向移动 Tz，在垂直光轴的方向实现偏转Rx，Ry，实现 3个自由度的调整。X 和 Y 两个方向的移动自由度可以通过连接叶片与校正单元的预紧螺栓来手动调整。3 有限元仿真分析有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是利用数学逼近的方法来模拟真实的几何形状和载荷条件，使用简单且可交互的元素，并使用有限未知数来逼近无限未知数的真实系统。它用较简单的问题代替复杂的问题求解，通过将结构分解为有限数量的微小单元，然后将这些单元整合进行数值分析和计算，由于其广泛的适用性和高效性，可以大大提高工作效率和产品质量，使得它在机械工程等领域有着很高的认可度。次镜组件作为望远镜系统的重要组成部分，其刚度和稳定性对望远镜系统的指向精度有着直接的影响，对望远镜的成像质量起关键作用。因此，为了确保结构设计的合理性，对该次镜调整结构进行有限元建模及分析。3.1静力学分析利用 UG 对次镜调整机构进行三维建模，为了简化网格划分，将三维模型的某些特征进行适当的简化，如倒角，圆角及一些小孔等。然后，导入商业化软件 HyperWorks 中进行网格划分，网格划分即是将模型进行离散化，以便进一步的分析。由于该结构基本由板壳型零部件和螺栓连接构成，为了减少计算量，采用壳单元和梁单元对该结构进行四边形和三角形混合单元网格划分。其中，连