CN103983223B - 液压支撑主镜位置测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

液压支撑主镜位置测量装置和测量方法，涉及主镜位置测量领域，解决了液压支撑时镜室中主镜位置不确定的问题。该装置中的径向测量机构包括与镜室固定连接的径向安装座、与径向安装座通过第一传感器压块固定连接的第一位移传感器、粘接在主镜外圆周上的径向测量块；测量时第一位移传感器的测头与径向测量块上光滑的测量平面保持接触可滑动状态；轴向测量机构包括与镜室固定连接的轴向安装座、与轴向安装座通过第二传感器压块固定连接的第二位移传感器、粘接在主镜背面上的轴向测量块；测量时第二位移传感器的测头与轴向测量块上光滑的测量平面保持接触可滑动状态。本发明测量误差小、测量精度高、结构简单、解算效率高。

Description

液压支撑主镜位置测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及主镜位置测量技术领域，具体涉及一种液压支撑主镜位置测量装置和测量方法。

背景技术

望远镜主镜通常采用无定向支撑系统，支撑系统中确定主镜与主镜室相对空间位置的点称为硬点。硬点可以是实际的，例如无定向机械杠杆支撑(机械Whiffletree)中的硬点；也可以是虚拟的，例如液压支撑(液压whiffletree)中的硬点。以轴向液压支撑为例，将轴向液压支撑分为3个区域，区域内的支撑元件液压缸相通。因为每个区域内液体体积是一定的，且每个区域所支撑镜重的质心位置保持不变，可将此质心位置定义为虚拟硬点。与实际硬点不同，虚拟硬点是实际结构中不存在的点，其位置可以改变。在望远镜俯仰角变化或主镜受风载、振动等外界扰动时，主镜相对主镜室会发生微量的偏心和旋转，其中主镜绕光轴的旋转不会影响光学系统质量。为了保证主镜的位置精度，则需要实时监测采用液压支撑的主镜位置变化，以便确定液压支撑系统虚拟硬点所需的调整量和光学系统调整量。

发明内容

为了解决液压支撑时虚拟硬点位置不确定的问题，本发明提供一种液压支撑主镜位置测量装置和测量方法。本发明的目的在于实时监测液压支撑主镜相对于镜室的位置变化，提供一种采用高精度位移传感器测量主镜位移变化，并解算出主镜位置变化中的5个自由度分量(不包括主镜绕光轴的旋转分量)和热变形引起主镜半径变化量的方法，为液压系统虚拟硬点位置调整和光学系统调节提供参考数据，确定主镜的位置精度。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

液压支撑主镜位置测量装置，包括径向测量机构和轴向测量机构，所述径向测量机构包括与镜室固定连接的径向安装座、与径向安装座通过第一传感器压块固定连接的第一位移传感器、通过高强度结构胶粘接在主镜外圆周上的径向测量块；测量时第一位移传感器的测头与径向测量块上光滑的测量平面保持接触可滑动状态；

所述轴向测量机构包括与镜室固定连接的轴向安装座、与轴向安装座通过第二传感器压块固定连接的第二位移传感器、通过高强度结构胶粘接在主镜背面上的轴向测量块；测量时第二位移传感器的测头与轴向测量块上光滑的测量平面保持接触可滑动状态。

所述径向测量块的粘接面与主镜的外圆周紧密贴合，径向测量块上测量平面加工粗糙度要求小于0.4μm。

所述轴向测量块的粘接面与主镜的背面配合，轴向测量块上测量平面加工粗糙度要求小于0.4μm。

所述径向安装座、第一传感器压块、径向测量块、轴向测量块、轴向安装座和第二传感器压块均采用低膨胀合金铟钢材料制成。

所述径向安装座、第一传感器压块、径向测量块、轴向测量块、轴向安装座和第二传感器压块均通过发黑处理。

所述第一位移传感器和第二位移传感器均选用绝对式LVDT直线位移传感器。

所述第一位移传感器和第二位移传感器的测量精度为20μm。

液压支撑主镜位置测量装置的测量方法，采用3组轴向测量机构和3组径向测量机构同时测量，该方法的条件和步骤如下：

步骤一、镜室水平放置、主镜未装入镜室时，在主镜上3个轴向虚拟硬点对应均布安装3组轴向测量机构，3个第二位移传感器的测杆均与主镜光轴平行，装入主镜稳定后，粘接在主镜背面的3个轴向测量块分别与对应的3个第二位移传感器的测头接触，标定出3个轴向位移初值；

在主镜的3个轴向虚拟硬点所在圆周角对应的外圆周上均布安装3组径向测量机构，3个第一位移传感器的测杆均沿主镜半径方向指向主镜，标定出3个径向位移初值；

步骤二、主镜位置发生变化时，实时记录6个位移传感器的读数，并分别与各个位移传感器的初值求差，计算出各个测点位置变化值后通过方程组解算出主镜位移的5个自由度分量和主镜半径的热变形量。

所述3个轴向位移初值分别为a₀、b₀、c₀，所述3个径向位移初值分别为d₀、e₀、f₀，所述6个位移传感器的读数分别为a、b、c、d、e、f，所述主镜位移的5个自由度分量分别为x、y、z，Rx、Ry，所述主镜半径的热变形量为△R；

则主镜位移中的z、Rx和Ry分量为：

所述3个第一位移传感器的测头伸缩量分别为D、E、F，即D＝d-d₀，E＝e-e₀，F＝f-f₀，3个测点在原坐标系XOY中坐标位置分别变为 [0，(R+F)]，位置变化后主镜的中心点O’在原坐标系中的坐标为[x，y]，根据变化后3个测点到主镜中心点O’的距离均为R+△R可联立三个方程：

x²+[(R+F)-y]²＝(R+ΔR)2 (6)

则主镜位置变化分量x，y为：

获得x，y后可解算出主镜的半径变化值△R为：

本发明的有益效果是：

1、本发明中的测量块、传感器压块、安装座均选用低膨胀合金铟钢材料，减小了测量装置自身温度变化引起的测量误差。

2、位移传感器的测头与测量块上光滑的测量平面接触测量，回避了主镜被测位置的曲面对位移测量的影响，且无需对主镜被测位置的粗糙度提出过高加工要求。

3、本发明采用的绝对式LVDT直线位移传感器具有精确的绝对零点位置，测量精度高。

4、通过简单的、离散的6点测量即可获得主镜位移的5个自由度分量(不包括主镜绕光轴的旋转分量)和热变形引起的主镜半径变化量。

5、本发明首先提出在主镜不同位置采用位移传感器对主镜位移进行实时监测，并解算出主镜位移的5个自由度分量(不包括主镜绕光轴的旋转分量)和热变形引起的主镜半径变化量，从而为主镜液压系统虚拟硬点位置调整和光学系统调节提供参考数据。

6、本发明结构简单，解算效率高，可实时监测主镜相对于镜室的空间位置，并去除了主镜热变形对位置测量数据的影响。

附图说明

图1为本发明的液压支撑主镜位置测量装置的结构示意图。

图2为本发明的液压支撑主镜位置测量装置在主镜上的分布图。

图3为主镜径向位移测量原理示意图。

图4为径向测量块的结构示意图。

图5为轴向测量块的结构示意图。

图中：1、第一位移传感器，2、径向安装座，3、第一传感器压块，4、径向测量块，5、主镜，6、轴向测量块，7、轴向安装座，8、镜室，9、第二位移传感器，10、第二传感器压块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的液压支撑主镜位置测量装置由径向测量机构和轴向测量机构组成，径向测量机构包括第一位移传感器1、径向安装座2、第一传感器压块3和径向测量块4，轴向测量机构包括第二位移传感器9、轴向安装座7、第二传感器压块10和轴向测量块6。第一位移传感器1和第二位移传感器9的结构尺寸完全相同，包括测杆和测头，第一位移传感器1和第二位移传感器9的测杆可沿轴向弹性伸缩，测头为球状。第一传感器压块3和第二传感器压块10的结构尺寸完全相同。

径向安装座2为直角折线形结构，包括上下两个安装面和连接两个安装面的加强板，采用螺钉通过第一传感器压块3将第一位移传感器1固定在径向安装座2的上安装面上，径向安装座2的下安装面与镜室8采用螺钉固定连接，工作时第一位移传感器1的测头与对应的径向测量块4上光滑的测量平面保持接触可滑动状态，径向测量块4通过高强度结构胶粘接在主镜5的外圆周上，如图4所示，径向测量块4的粘接面为圆周面R，径向测量块4的粘接面与主镜5的外圆周紧密贴合，径向测量块4上测量平面加工粗糙度要求小于0.4μm。

轴向安装座7为L形结构，包括侧安装面、底安装面和连接两个安装面的加强板，采用螺钉通过第二传感器压块10将第二位移传感器9固定在轴向安装座7的侧安装面上，轴向安装座7的底安装面与镜室8采用螺钉固定连接，工作时第二位移传感器9的测头与对应的轴向测量块6上光滑的测量平面保持接触可滑动状态，轴向测量块6通过高强度结构胶粘接在主镜5的背面上，如图5所示，轴向测量块6的粘接面与主镜5的背面紧密贴合，当主镜5为弯月镜时，粘接面为球面SR；当主镜5为平凹镜时，粘接面即为平面。轴向测量块6上测量平面加工粗糙度要求小于0.4μm。

本实施方式中，径向安装座2、第一传感器压块3、径向测量块4、轴向测量块6、轴向安装座7和第二传感器压块10均采用低膨胀合金铟钢材料制成，可以将温度变化引起测量装置自身在测量方向上的变形量控制在最小值，从而减小测量误差。

本实施方式中，径向安装座2、第一传感器压块3、径向测量块4、轴向测量块6、轴向安装座7和第二传感器压块10均通过发黑处理。

本实施方式中，第一位移传感器1和第二位移传感器9均选用绝对式LVDT(LinearVariableDifferentialTransformer)，属于直线位移传感器，具有精确的绝对零点位置，在断电并重新上电后可再次获取主镜5的绝对位置，并与断电前主镜5位置进行比较。

本实施方式中，第一位移传感器1和第二位移传感器9测量精度为20μm，重复精度高，零点位置可靠。

如图2所示，主镜5所在坐标系原点O与镜面顶点重合，Z轴为主镜5光轴方向且指向镜面曲率中心，X轴水平向右，平行于望远镜俯仰轴，Y轴则根据右手定则确定。定义主镜5的3个方向上的平移量分别为x、y、z，绕3个坐标轴的转动量分别为Rx、Ry、Rz，其中Rz为主镜5绕光轴z轴的转动，不影响光学系统质量，故无需求解，半径为R的主镜5受温度影响会发生热胀冷缩，其主镜5镜体径向热变化量为△R。由于轴向镜厚尺寸相对较小，且轴向热变形尺寸对轴向测点位置的影响是同向一致的，故轴向的热变形量在解算主镜5位移变化时可忽略。

如图2所示，本发明的液压支撑主镜位置测量方法，采用3组轴向测量机构和3组径向测量机构同时测量，通过3组轴向位移测量数据和3组径向位移测量数据可解算出主镜5位移的5个自由度分量(不包括主镜5绕光轴的旋转分量)和热变形引起的主镜5半径变化量。该方法包括零点位置标定、位置测量和解算，具体的条件和步骤如下：

(1)零点位置标定包括液压支撑主镜位置测量装置的安装和主镜5相对于镜室8初始位置的标定：

镜室8水平放置、主镜5未装入镜室8时，在主镜5上3个轴向虚拟硬点对应均布安装3组轴向测量机构，3个第二位移传感器9的测杆均与主镜5光轴平行，装入主镜5稳定后，粘接在主镜5背面的3个轴向测量块6分别与对应的3个第二位移传感器9的测头接触，标定出3个轴向位移初值a0、b0、c0。

在主镜5的3个轴向虚拟硬点所在圆周角对应的外圆周上均布安装3组径向测量机构，3个第一位移传感器1的测杆均沿主镜5半径方向指向主镜5，标定出3个径向位移初值d₀、e₀、f₀。

(2)位置测量和解算：主镜5位置发生变化时，实时记录6个位移传感器的读数分别为a、b、c、d、e、f，并分别与各个位移传感器的初值求差，计算出各个测点位置变化值后通过方程组解算出主镜5位移的5个自由度分量x、y、z，Rx、Ry(不包括主镜5绕光轴的旋转分量)和主镜5半径的热变形量△R。

测量和解算均基于主镜5和镜室8为刚体的假设，即轴向3个测点位置所在平面始终不会发生弯曲变形，只存在刚体位移，径向3个测点位置所在圆的圆心位置的变化可代表主镜5径向位置的变化。

通过轴向3个测点位置获得的测量数据可以解算出主镜5位移中的z、Rx和Ry分量为：

径向位移的测量过程如图3所示，主镜5的中心点从O点平移到O’点，温度变化使得主镜5外径变化△R，最终主镜5的外圆轮廓变为图3中的虚线位置。此位移变化过程中3个第一位移传感器1的测头伸缩量分别为D、E、F，即D＝d-d₀，E＝e-e₀，F＝f-f₀，3个测点在原坐标系XOY中坐标位置分别变为 [0，(R+F)]，位置变化后主镜5的中心点O’在原坐标系中的坐标为[x，y]，根据变化后3个测点到主镜5中心点O’的距离均为R+△R可联立三个方程：

x²+[(R+F)-y]²＝(R+ΔR)² (6)

从而计算出主镜5位置变化分量x，y：

获得x，y后并可解算出主镜5的半径变化值△R为：

Claims (2)

1.液压支撑主镜位置测量方法，其特征在于，采用液压支撑主镜位置测量装置进行测量，所述液压支撑主镜位置测量装置包括径向测量机构和轴向测量机构，所述径向测量机构包括与镜室(8)固定连接的径向安装座(2)、与径向安装座(2)通过第一传感器压块(3)固定连接的第一位移传感器(1)、通过高强度结构胶粘接在主镜(5)外圆周上的径向测量块(4)；测量时第一位移传感器(1)的测头与径向测量块(4)上光滑的测量平面保持接触可滑动状态；

所述轴向测量机构包括与镜室(8)固定连接的轴向安装座(7)、与轴向安装座(7)通过第二传感器压块(10)固定连接的第二位移传感器(9)、通过高强度结构胶粘接在主镜(5)背面上的轴向测量块(6)；测量时第二位移传感器(9)的测头与轴向测量块(6)上光滑的测量平面保持接触可滑动状态；

采用3组轴向测量机构和3组径向测量机构同时测量，该方法的条件和步骤如下：

(1)镜室(8)水平放置、主镜(5)未装入镜室(8)时，在主镜(5)上3个轴向虚拟硬点对应均布安装3组轴向测量机构，3个第二位移传感器(9)的测杆均与主镜(5)光轴平行，装入主镜(5)稳定后，粘接在主镜(5)背面的3个轴向测量块(6)分别与对应的3个第二位移传感器(9)的测头接触，标定出3个轴向位移初值；

在主镜(5)的3个轴向虚拟硬点所在圆周角对应的外圆周上均布安装3组径向测量机构，3个第一位移传感器(1)的测杆均沿主镜(5)半径方向指向主镜(5)，标定出3个径向位移初值；

(2)主镜(5)位置发生变化时，实时记录6个位移传感器的读数，并分别与各个位移传感器的初值求差，计算出各个测点位置变化值后通过方程组解算出主镜(5)位移的5个自由度分量和主镜(5)半径的热变形量。

2.根据权利要求1所述的一种液压支撑主镜位置测量方法，其特征在于，所述3个轴向位移初值分别为a₀、b₀、c₀，所述3个径向位移初值分别为d₀、e₀、f₀，所述6个位移传感器的读数分别为a、b、c、d、e、f，所述主镜(5)位移的5个自由度分量分别为x、y、z，Rx、Ry，所述主镜(5)半径的热变形量为△R；

则主镜(5)位移中的z、Rx和Ry分量为：

$z=\frac{a+h+c}{3}-\frac{a_0+b_0+c_0}{3}---\left(1\right)$

$Rx=\arctan \frac{2a-b-e}{3R}-\arctan \frac{{\mathrm{ka}}_0-b_0-c_0}{3R}---\left(2\right)$

$Ry=\arctan \frac{b-c}{\sqrt{3}R}-\arctan \frac{b_0-c_0}{\sqrt{3}R}---\left(3\right);$

所述3个第一位移传感器(1)的测头伸缩量分别为D、E、F，即D＝d-d₀，E＝e-e₀，F＝f-f₀，3个测点在原坐标系XOY中坐标位置分别变为 位置变化后主镜(5)的中心点O’在原坐标系中的坐标为[x，y]，根据变化后3个测点到主镜(5)中心点O’的距离均为R+△R可联立三个方程：

${\[-\frac{\sqrt{3}}{2}(R+D)-x\]}^2+{\[-\frac{1}{2}(R+D)-y\]}^2={(R+\mathrm{\Δ}R)}^2---\left(4\right)$

${\[\frac{\sqrt{3}}{2}(R+E)-x\]}^2+{\[-\frac{1}{2}(R+E)-y\]}^2={(R+\mathrm{\Δ}R)}^2---\left(5\right)$

x²+[(R+F)-y]²＝(R+ΔR)² (6)

则主镜(5)位置变化分量x，y为：

$x=\frac{(E-D)\[(3R+2F+D)(2R+D+E)-(2R+D+F)(D-F)\]}{\sqrt{3}\[(3R+2F+D)(2R+D+E)+(R+D)(E-D)\]}---\left(7\right)$

$y=\frac{(2R+D+E)\[(D-E)(R+D)-(2R+D+F)(D-F)\]}{(3R+2F+D)(2R+D+E)+(R+D)(E-D)}---\left(8\right)$

获得x，y后可解算出主镜(5)的半径变化值△R为：

$\mathrm{\Δ}R=\sqrt{x^2+{\[(R+F)-y\]}^2}-R---\left(9\right).$