大型光学红外望远镜拼接镜面的柔性位移促动器制造技术

本发明专利技术提出了一种大型光学红外望远镜拼接镜面的柔性位移促动器，包括导向销、升降输出筒、音圈电机、折叠板簧、滑动轴承、压缩弹簧、深沟球轴承、编码器读数头、刻度板、螺母旋转式滚珠丝杠、过渡套筒、内侧固定筒、啮合直齿圆柱齿轮、不锈钢消隙正齿轮、直流电机和外侧固定筒，螺母旋转式滚珠丝杠、过渡套筒、内侧固定筒、啮合直齿圆柱齿轮、不锈钢消隙正齿轮、直流电机组成粗级控制部分，导向销、升降输出筒和音圈电机组成精级控制部分。本发明专利技术采用双级设计概念，能够满足精度和定位要求。能够满足精度和定位要求。能够满足精度和定位要求。

【技术实现步骤摘要】
大型光学红外望远镜拼接镜面的柔性位移促动器


[0001]本专利技术涉及大型光学望远镜，具体涉及一种大型光学红外望远镜拼接镜面的柔性位移促动器。

技术介绍

[0002]微位移促动器是大型光学望远镜拼接镜面支撑系统的关键部件，起到支撑和调节子镜位姿的作用。每块子镜搭配三个促动器，以实现三个面外自由度(tip,tilt and piston)的调整。促动器通过高精度的伸长或缩短，控制每块子镜按照设计要求排列在指定位置，从而实现各子镜的共焦和共相。
[0003]拼接主镜在实现更大口径时，也同样面临着巨大的挑战。为使拼接主镜达到光学设计要求，需要各子镜位姿保持极高的精度。由于受重力、风载和热变形等干扰，子镜位置控制需要促动器具有一定的行程、载荷和分辨率。拼接镜面光学红外望远镜的促动器均需达到毫米级的行程、几十公斤的负载和纳米级的分辨率。随着望远镜口径的不断增大，望远镜所受干扰也随之增大，因此导致的结构的变形量更大，对促动器能力要求也变得更高。而大行程和高精度在实际应用中很难同时实现。且子镜数量的增多，导致需要更多的促动器来控制拼接子镜的排列。促动器数量的增加意味着更高的功耗、更大的重量和更高的成本，这些都对望远镜的建立带来巨大的负担。
[0004]目前已经建成的光学拼接主镜望远镜口径已达到10m级，在现有促动器技术支持下，子镜位姿控制均满足成像质量要求。而对于更大口径望远镜，由于其对促动器性能要求的提高，致使已建10m级望远镜中应用的促动器无法直接应用于未来30m级或更大口径的望远镜中。拼接主镜微位移促动器按其结构形式可大致分为宏微结合，位移缩放和移动式(尺蠖式等)三种。Keck作为拼接主镜望远镜的先驱，通过精密螺母丝杠搭载液压减速装置实现望远镜所需精度。由于各望远镜地理位置、口径大小、观测需求以及预算等的不同，使所需的促动器要求不同。因此对于不同的望远镜，促动器多采用不同结构，但基本原理以精密丝杠和杠杆等位移缩放机构为主，以实现所需精度。但其受固有的摩擦、滞后和爬行等缺陷，使其很难解决大行程与高精度的矛盾。
[0005]国外已经尝试采用基于音圈电机的柔性促动器，并且针对促动器的抗扰性能，对柔性促动器和为传统刚性促动器增加主动阻尼两种方案进行了详细的对比分析。在建的30m级望远镜TMT和ELT初步采用新结构形式的柔性促动器，且经过试验基本达到所需要求。国内也曾对应用于拼接镜面望远镜的微位移促动器等进行设计和测试，取得了一定的效果，但是还无法满足极大口径望远镜的相应使用要求。
[0006]设计一种在行程、精度、刚度、负载能力和功耗等等方面满足条件的微位移促动器，不仅是对目前拼接主镜微位移促动器做出性能上的提高，以满足项目应用，同时也是为了面对未来更大口径望远镜的发展需求，以及为国内大口径望远镜的进步做出技术上的支持。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提出一种大型光学红外望远镜拼接镜面的柔性位移促动器。
[0008]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种大型光学红外望远镜拼接镜面的柔性位移促动器，包括导向销、升降输出筒、音圈电机、折叠板簧、滑动轴承、压缩弹簧、深沟球轴承、编码器读数头、刻度板、螺母旋转式滚珠丝杠、过渡套筒、内侧固定筒、啮合直齿圆柱齿轮、不锈钢消隙正齿轮、直流电机和外侧固定筒，其中：
[0009]所述螺母旋转式滚珠丝杠、过渡套筒、内侧固定筒、啮合直齿圆柱齿轮、不锈钢消隙正齿轮、直流电机组成粗级控制部分，其中直流电机设置在内侧固定筒和外侧固定筒之间，带动不锈钢消隙正齿轮转动，消隙正齿轮带动啮合直齿圆柱齿轮旋转，直齿圆柱齿轮连接过渡套筒，过渡套筒通过固定销钉和螺母旋转式滚珠丝杠连接；
[0010]所述导向销、升降输出筒和音圈电机组成精级控制部分，其中音圈电机由VCA磁铁和线圈组成，其中升降输出筒和音圈电机上设置中心孔，升降输出筒上端连接螺母旋转式滚珠丝杠，下端连接音圈电机的VCA磁铁，导向销穿过升降输出筒和音圈电机的中心孔，由顶部的三个折叠板簧和导向销底部的滑动轴承提供横向支撑，折叠板簧由薄板组装而成，薄板端部通过中心紧定螺母夹紧在一起，薄板外侧通过螺钉固定到外侧固定筒的上盖板，音圈电机的线圈安装在导向销尾端和VCA磁铁相配合；
[0011]粗级调节时，直流电机通过齿轮传动方式带动螺母旋转式滚珠丝杠发生轴向移动，进而推动升降连接筒上下移动，实现微米级别调整；精级调节时，音圈电机带动导向销通过升降输出筒和VCA磁铁的中心孔进行上下移动，实现纳米级调整。
[0012]进一步的，所述叠板簧的中间部位安装压缩弹簧作为重量补偿，以便对顶部的镜子重量进行卸荷。
[0013]更进一步的，当望远镜俯仰轴变化时候，柔性位移促动器承载的重量会发生变化，载荷变化会引起压缩弹簧绕着中心线旋转，为了避免该问题，在压缩弹簧的顶部安装深沟球调心轴承对弹簧进行自定心。
[0014]进一步的，所述内侧固定筒和外侧固定筒之间设置加强肋板，加强肋板可通过焊接的方式连接内外侧固定筒，再和下底板进行连接，直流电机固定在加强肋板上。这种三明治式的设计方式，可以显著增加结构整体的竖向刚度和横向刚度，并将电机反力矩传递到望远镜桁架上。而在加强肋板上设有调节槽可以调节直流电机的配合位置，避免产生附加安装应力。
[0015]为了进一步增加减速比，直流电机内部可安装有商用行星齿轮箱，此外，在直流电机上可应用一个旋转编码器，以实现速度控制(例如，抑制游隙)。
[0016]进一步的，所述过渡套筒的上下两端由角接触轴承支撑，上下两端的轴承外侧定位于内侧固定筒的轴肩，上端轴承内圈一侧紧靠过渡套筒的轴肩，下端轴承内圈一侧由Belleville弹簧预紧。在过渡套筒上下两端安装角接触轴承支撑，可以约束过渡套筒相对于内侧固定筒的轴向和横向移动。而角接触轴承由Belleville弹簧预加载，这是一种具有成本效益的弹簧装置。
[0017]进一步的，还包括线性光学编码器，编码器读数头固定在底座上，刻度板粘在不锈钢导向销尾端的加工槽中，柔性促动器的实际补偿量由光学编码器系统反馈，即为闭环控制。线性光学编码器固定在整个装置的底部，这样的布局方式增加了读数头的可操作性和
可调节性。此外，编码器在结构刚度设计链之外，可以避免受到结构变形的影响。
[0018]一种大型光学红外望远镜拼接镜面的柔性位移促动方法，基于所述的大型光学红外望远镜拼接镜面的柔性位移促动器，实现大型光学红外望远镜拼接镜面的柔性位移促动。
[0019]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)精级控制采用音圈电机，是一种特殊形式的直接驱动电机，具有结构简单体积小、高速、高加速响应快等特性。2)采用双级设计概念，能够满足精度和定位要求，粗级调节以微米μm精度处理所需的毫米mm行程，而精级调节将间隙缩小到纳米nm范围。3)应用基于折叠簧片的直线导向销以最大限度地减少滞后和摩擦，其尺寸设计使其具有较长的使用寿命(≥30年)。
附图说明
[0020]图1是本专利技术大型光学红外望远镜拼接镜面的柔性位移促动器的三维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大型光学红外望远镜拼接镜面的柔性位移促动器，其特征在于，包括导向销(1)、升降输出筒(2)、音圈电机(3)、折叠板簧(4)、滑动轴承(5)、压缩弹簧(6)、深沟球轴承(7)、编码器读数头(8)、刻度板(9)、螺母旋转式滚珠丝杠(10)、过渡套筒(11)、内侧固定筒(13)、啮合直齿圆柱齿轮(15)、不锈钢消隙正齿轮(16)、直流电机(17)和外侧固定筒，其中：所述螺母旋转式滚珠丝杠(10)、过渡套筒(11)、内侧固定筒(13)、啮合直齿圆柱齿轮(15)、不锈钢消隙正齿轮(16)、直流电机(17)组成粗级控制部分，其中直流电机(17)设置在内侧固定筒(13)和外侧固定筒之间，带动不锈钢消隙正齿轮(16)转动，消隙正齿轮(16)带动啮合直齿圆柱齿轮(15)旋转，直齿圆柱齿轮(15)连接过渡套筒(11)，过渡套筒(11)通过固定销钉和螺母旋转式滚珠丝杠(10)连接；所述导向销(1)、升降输出筒(2)和音圈电机(3)组成精级控制部分，其中音圈电机(3)由VCA磁铁和线圈组成，其中升降输出筒(2)和音圈电机(3)上设置中心孔，升降输出筒(2)上端连接螺母旋转式滚珠丝杠(10)，下端连接音圈电机(3)的VCA磁铁，导向销(1)穿过升降输出筒(2)和音圈电机(3)的中心孔，由顶部的三个折叠板簧(4)和导向销(1)底部的滑动轴承(5)提供横向支撑，折叠板簧(4)由薄板组装而成，薄板端部通过中心紧定螺母夹紧在一起，薄板外侧通过螺钉固定到外侧固定筒的上盖板，音圈电机(3)的线圈安装在导向销(1)尾端和VCA磁铁相配；粗级调节时，直流电机(17)通过齿轮传动方式带动螺母旋转式滚珠丝杠(10)发生轴向移动，进而推动升降连...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡守伟，张勇，王跃飞，刘成超，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，
类型：发明
国别省市：