CN105204153A - 大型天文望远镜拼接镜面子镜的装卸方法 - Google Patents

Abstract

大型天文望远镜拼接镜面子镜装卸方法，采用子镜装卸设备，由高速度、大位移机器人与小位移、高精度定位机器人组成串联机器人；工作开始时把子镜装卸设备移入光路；工作完成后把子镜装卸设备移出光路。安装时先粗定位、再高精度定位，利用三爪机械手抓起待安装子镜，安放到其安装位置；人工固定待安装子镜；重复上述操作，直至所有的待安装子镜安装到位；拆卸子镜时的工作顺序与安装操作相反。本发明弥补了现有技术的不足，完全代替了原有的手工操作，实现LAMOST主镜子镜的装卸，能够满足望远镜主镜要求的高精度高可靠度的镜面拼接。同时为今后大望远镜的镜面安装提供了经验。

Description

大型天文望远镜拼接镜面子镜的装卸方法

技术领域

本发明涉及一种装卸方法。具体涉及一种大型天文望远镜拼接镜面子镜装卸方法，是适用于郭守敬望远镜(LAMOST)拼接主镜的子镜的装卸方法。

背景技术

作为一个国家的国力和科技力量的体现，天文望远镜集中了大型光学玻璃的浇铸、精密光学加工与检测、大型机械装备的高精度加工、计算机控制系统及光电接收系统等当代高新技术的最新成果。集光口径是望远镜最主要的一项技术指标，望远镜的发展很大程度上体现为口径的不断加大。为了突破光学镜面浇铸加工的瓶颈，在新一代大望远镜的研制工作中，拼接镜面主动光学已经成为一项关键技术,它的出现不但使得更大望远镜的建造在技术上可行，也打破了望远镜造价和口径的2.7次方成比例的规律，使其具备了现实的意义。

20世纪90年代以来世界范围内研制完成的大型地面光学和红外望远镜，共有十多架，其中采用拼接镜面的有6架，分别为KECKⅠ、KECKⅡ、HET、GTC、SALT和LAMOST。而国际上已经提出的架下一代大望远镜计划包括E-ELT、TMT、GMT、CFGT、JELT中，无一例外的采用了拼接镜面的技术。

随着大口径望远镜的发展，望远镜的主镜安装问题也越来越凸现出来，拼接镜面望远镜的镜片很多，比如现有的大口径望远镜中GTC，KECK有36块子镜，HET，SALT有91块子镜，设计中的下一代望远镜中其包含的子镜数量更多，比如TMT有492块子镜，E-ELT有906块子镜，GMT则由7块8.4米的子镜组成，而我国计划中的CFGT设计中将由1120块子镜拼接组成。如此多的子镜数量如果采用人手工安装，且不说安装的精度如何，单是如此大量的子镜安装工作，本身就是一项浩大的工程，需要耗费大量的人力物力和时间；另外由于拼接镜面包含多块子镜，所以子镜，子镜室及其后的桁架结构复杂，手工单块拆卸将十分困难，拼接镜面望远镜的主镜装卸必须使用特殊的装卸工具。

中国已经落成的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜LAMOST(LargeSkyAreaMulti-ObjectFiberSpectroscopicTelescope)是一架中星仪式反射施密特望远镜。球面主镜MB由37块对角线长1.1米厚度75毫米的六角形球面子镜组成。镜面在工作了一个阶段之后，反射膜将产生老化现象，反射率降低，这时需要将老化了的膜层去除干净并重新镀膜。这就需要经常将主镜子镜拆下镀膜后再重新装上。

目前国际上的各大拼接镜面望远镜都配有专用的安装装置，采用全计算机控制，运动精度高，安装效率也高。

HET和SALT的主镜单元安装方法类似，因为他们的主镜是固定朝上放置的，安装子镜镜片时都是把镜片首先固定安装在镜室的支撑上，根据镜室的结构设计一套特殊的装夹工具，然后使用安装在圆顶上的吊车将子镜单元装置整个吊到镜面上方，然后向下放到镜架上的装夹工具上，松开吊车，通过装夹工具慢慢下降调整，将子镜单元移动到位。SALT的子镜支撑和子镜单元的安装工具都是由位于亚利桑纳Tuscon的EOSTechnologies制造的。

Keck和GTC是地平式望远镜，可以将主镜旋状到水平位置，然后用类似上述方法安装子镜单元。

目前中国国内拼接镜面望远镜还仅有郭守敬望远镜(LAMOST)一架，其球面主镜MB是一个6.05米×6.67米的由37块子镜构成的组合系统，主镜整体的球面曲率半径40米，整个MB及其支撑桁架都处于和地平向下倾斜25°角的位置，每块子镜是对角线长为1.1米的正六角形，正面是半径为40米的球面，背面是平面的柱形体，中心厚度75毫米。

可以看到由于LAMOST独特的设计，MB既有一般大望远镜主镜共同的特点，又具备有自身鲜明的特色具体表现在如下几个方面：

1.在观测的过程中固定不动；

2.整个主镜MB是呈25度向下倾斜的；

3.没有一般望远镜的机架与跟踪部分，但仍然需要为镜室桁架提供稳定的向下倾斜的支撑；

这些特点导致LAMOST主镜的子镜单元安装方式与其它大型拼接镜面望远镜的子镜单元安装方式有很大的不同。另外由于望远镜镜片的特殊性，在操作的过程中镜片不能承受太大的外力和加速度，所以镜片单元的安装又与其它望远镜组件的安装不同。

现有的子镜安装方式是用升降车把钳工送到镜面附近手工操纵夹具，把子镜送到安装位置。现有方法中采用肉眼判断镜面距离，手工操纵手轮进给，地面升降车的操作也采用人工，方法比较原始，精度不高，安全性也得不到保证。现有技术中不存在相关的技术方案。

由于拼接式天文望远镜的口径越来越大，拼接镜面子镜的安装装置必须兼有大位移和高精度两个特点。根据一般机械常识，在设计上要兼顾这两点是存在矛盾和困难的；兼顾大位移和高精度的要求，也给控制系统带来困难。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明的目的提供一种大型天文望远镜拼接镜面子镜装卸方法，即，郭守敬望远镜(LAMOST)拼接主镜的子镜装卸方法、研制一个郭守敬望远镜(LAMOST)子镜装卸专用装置，代替原有的手工操作，实现LAMOST主镜子镜的装卸，能够满足望远镜主镜要求的高精度高可靠度的镜面拼接。同时对大口径拼接镜面望远镜的镜面装卸方式进行一些探索，为今后大望远镜的镜面安装提供一些经验，促进中国望远镜事业的发展。

完成上述发明任务的技术方案是，采用一种适合大型拼接镜面天文望远镜的子镜装卸设备，该子镜装卸设备是由高速度、大位移机器人与小位移、高精度定位机器人组成的串联机器人，所述的高速度、大位移机器人采用液压升降伸缩装置；所述的小位移、高精度定位机器人采用电机丝杠装置；该电机丝杠装置上设有三爪机械手；其特征在于，安装步骤如下：

⑴.工作开始时，把所述子镜装卸设备移入光路；

⑵.将所述高速度、大位移机器人的两节伸缩臂的末端移动到待安装子镜的存放位置附近；

⑶.启动所述小位移、高精度定位机器人的竖直转动装置、竖直升降装置、水平移动装置与俯仰机构，将三爪机械手对准待安装子镜；

⑷.利用三爪机械手抓起待安装子镜；

⑸.将所述高速度、大位移机器人的两节伸缩臂的末端移动到待安装子镜的安装位置附近；

⑹.启动所述小位移、高精度定位机器人的竖直转动装置、竖直升降装置、水平移动装置与俯仰机构，将三爪机械手上的待安装子镜对准其安装位置；

⑺.利用三爪机械手将待安装子镜安放到其安装位置；

⑻.人工固定待安装子镜；

⑼.重复步骤⑵-重复⑻，直至所有的待安装子镜安装到位；

⑽.工作完成后把所述子镜装卸设备移出光路；

拆卸子镜的过程步骤如下：

⑴-b.工作开始时，把所述子镜装卸设备移入光路；

⑵-b.将所述高速度、大位移机器人的两节伸缩臂的末端移动到待拆卸的位置附近；

⑶-b.启动所述小位移、高精度定位机器人的竖直转动装置、竖直升降装置、水平移动装置与俯仰机构，将三爪机械手对准待拆卸子镜；

⑷-b.人工松开待拆卸子镜；

⑸-b.利用三爪机械手抓起待拆卸子镜；

⑹-b.将所述高速度、大位移机器人的两节伸缩臂的末端移动到该子镜的存放位置附近；

⑺-b.启动所述小位移、高精度定位机器人的竖直转动装置、竖直升降装置、水平移动装置与俯仰机构，将三爪机械手上的子镜对准其存放位置；

⑻-b.利用三爪机械手将该子镜安放到其存放位置；

⑼-b.重复步骤⑵-重复⑻，直至所有的待拆卸子镜拆卸完毕；

⑽-b.工作完成后把所述子镜装卸设备移出光路。

在优化方案中，各工作步骤有以下细化操作：

步骤⑵的具体操作是：液压升降伸缩装置的臂收至最短、降至最低高度，通过倾斜调整俯仰角度初步对准需要安装的子镜。

步骤⑷-步骤⑺的具体操作是：机械手通过旋转、位移和倾斜精确对准待安装子镜并用三个爪子抓住子镜室的三个起吊孔，然后由液压升降伸缩装置将机械手连同子镜一起初步运到待安装位置，机械手精确调整位置，将子镜连同子镜室送至预先安装好的子镜接收装置上，松开三个爪子移开，子镜接收装置将子镜连同子镜室一同带到桁架上进行联结安装。

每个步骤均采用光栅编码器作为位置反馈；爪子握紧和松开采用行程开关做反馈；该光栅编码器及行程开关的反馈信号输入计算机；计算机的指令精确控制每个步骤的操作。

为了确认机械手是否准确到达预定位置，有三个摄像头进行监视。在各个操作步骤中，操作者通过三个摄像头进行监视，随时以手动的运动控制弥补或纠正计算控制的不足。

本方法所使用的设备——大型天文望远镜拼接镜面子镜装卸设备是由高速度、大位移机器人与小位移、高精度定位机器人组成串联机器人，所述的高速度、大位移机器人采用液压升降伸缩装置，设有两节伸缩臂；在该两节伸缩臂的末端，安装有所述小位移、高精度定位机器人；该小位移、高精度定位机器人采用电机丝杠装置；该电机丝杠装置上设有三爪机械手(其中，“三爪”中的每个爪分别称为机械爪)；该三爪机械手与机械手底盘之间，设有竖直转动装置、竖直升降装置、水平调节装置和俯仰机构。

更优化和更详细地说，本发明的设备结构是：

1、机械爪单臂全长252mm，臂末端两个转轴，轴径分别为20mm和12mm,在有限元软件中分析了机械爪的强度。参照图3、图4-1-图4-4。

2、所述三爪机械手中设有机械爪推杆(参照图5)，用丝杠螺母驱动机械爪推杆，带动机械爪转动。

3、机械手俯仰机构：由于MB主镜37块子镜都有不同倾角，子镜安装时需要在空中微调倾角，尽管机械臂具有一个俯仰自由度，在机械手部分还是需要一个增加一个冗余的俯仰自由度。

4、机械手垂直升降装置：由于垂直旋转装置的底端安装有电机和减速器，将垂直升降装置的运动轴线与旋转轴线并列放置，降低整个机械手的重心高度，提高系统稳定性，同时提供与机械臂连接接口。

5、在机械手俯仰装置下串联安装水平调节装置：所述水平调节装置采用导轨丝杠螺母结构，导轨滑块与机械手垂直旋转装置的侧面相连，机械手的前后平移导轨副与左右平移导轨副上下叠加安装。重复地说：为了微调机械手在空中的位置，在机械手俯仰装置下串联安装水平调节装置，目前XY方向两维平移台技术比较成熟，使用丝杠螺母副和四方向等刚度导轨导向，两层垂直叠加，就能实现XY两个方向的平移运动。及结构尺寸如图14-1、图14-2。

这一部分同样采用导轨丝杠螺母结构，导轨滑块与机械手垂直旋转装置的侧面相连，两个机构并排放置。参照图18。

6、机械手整体结构：将上面各部分组装后的机械手部分的结构如图19、图20。

7、机械腕：采用固定机械手连接件与机械手底板的夹角，通过调节机械臂轴线与连接件的夹角调节机械手的底面水平。

8、本装卸设备专门研发有配套控制系统；该控制系统对各部分分别控制：对于底端伸缩臂的粗定位，采用液压系统动力，采用伺服液压油缸进行动态控制，对于顶端的小位移、高精度定位机器人，采用自动的动态控制与手动的运动控制相结合；所述控制系统通过计算机发出信号控制机械手的运动，整个控制系统包括机械臂的动态控制和机械手的运动控制。

本发明的工作原理如下：

由于本发明使用的装置兼有大位移和高精度的特点，设计中将机器人分为两部分，一部分高速度、大位移机器人实现大位移，较高速度的移动，但定位精度较差，实现第一级粗定位；第二部分小位移、高精度定位机器人实现小位移，低速的精确定位；两部分串联连接，便于控制。

第一部分采用的是一个液压升降伸缩装置，这一部分必要的运动自由度有俯仰和伸缩，对应极坐标系统中的极角和极径变化；第二部分则使用电机丝杠实现精确的调节，这一部分需要实现的自由度包括竖直方向的平动，竖直方向的转动，水平XY两个方向的平动，俯仰转动和对子镜单元的抓取，一共六个自由度的运动。

本发明弥补了现有技术的不足，提供的郭守敬望远镜(LAMOST)拼接主镜的子镜装卸方法，完全代替了原有的手工操作，实现LAMOST主镜子镜的装卸，能够满足望远镜主镜要求的高精度高可靠度的镜面拼接。同时为今后大望远镜的镜面安装提供了经验。

附图说明

图1为本发明机械臂工作范围示意图；

图2-1、图2-2为机械臂外形图；

图3为机械爪结构示意图；

图4-1、图4-2、图4-3、图4-4分别为机械爪受力情况分析图；

图5为转动机械爪推杆概念图；

图6为机械爪最终3D图；

图7为俯仰方案概念图；

图8为俯仰方案受力情况；

图9为俯仰导轨；

图10-1、图10-2为俯仰推杆与轴；

图11为俯仰方案结构图；

图12为最终俯仰机械图图；

图13为俯仰机构3D图；

图14-1、图14-2为XY平动机构图；

图15为竖直转动装置机械图；

图16-1、图16-2为SLEC160-11B外形图；

图17-1、图17-2垂直旋转装置机械图；

图18为垂直升降装置机构图；

图19为机械手整体机械图；

图20为机械手3D结构图；

图21为机械手腕设计方案二；

图22为机械手与机械臂连接结构图；

图23为控制系统流程图。

具体实施方式

实施例1，大型天文望远镜拼接镜面子镜装卸方法。子镜装卸设备由高速度、大位移机器人与小位移、高精度定位机器人组成串联机器人，所述的高速度、大位移机器人采用液压升降伸缩装置，设有两节伸缩臂；在该两节伸缩臂的末端安装有所述小位移、高精度定位机器人；该小位移、高精度定位机器人采用电机丝杠装置；该电机丝杠装置上设有三爪机械手(其中，“三爪”中的每个爪分别称为机械爪)；该三爪机械手与机械手底盘之间，设有竖直转动装置、竖直升降装置、水平调节装置和俯仰机构。

机械臂：根据现场安装条件，液压升降伸缩装置采用工业随车吊机改造，整个安装装置安放在镜前的斜坡上，在工作时把安装装置移入光路，工作完成后把安装装置移出光路。参照图1。O点为光阑与镜前斜坡的交点，也就是能够安放子镜装卸装置的最低点，同样以O点为原点建立极坐标系统，最高子镜中心的极径为9.1591m，极角67.08°，最低子镜中心的极径为6.7974m，极角24.06°。

根据现场实际情况选择石家庄煤矿机械有限公司的QYS-4IIA型随车起重机进行改造，该起重机最大起重力矩为100kNm，最大起重质量4000kg，最大工作幅度7.4m，有两节伸缩臂，起重机自重1400kg，外观尺寸2085×640(长×宽)；该起重机吊臂水平伸长到6.2m时，起吊质量大约1吨。参照图2-1、图2-2。

机械手：整个子镜单元装卸装置的第二部分，机械手部分调整子镜单元在空中的位置和姿态，需要实现的六个动作包括竖直方向的平动，竖直方向的转动，水平XY两个方向的平动，俯仰转动和对子镜单元的抓取，前五个动作调整子镜单元整体的姿态，第六个动作抓取子镜单元。各个动作相互独立，不产生耦合，相对独立。

机械手开合装置：机械爪部分直接与子镜单元接触，这部分设计必须与子镜单元的子镜室的结构尺寸结合考虑，3个夹持孔在六边形的3条间隔边的中点，子镜室相关尺寸值如下：

子镜室边缘距子镜中心476.5mm。

子镜室夹持孔中心距镜面170mm。

子镜室夹持孔直径20mm。

考虑到3爪的自动定心作用，为了方便机械爪抓取子镜室和脱离子镜室，将机械爪的爪尖设计成圆台形，方便机械爪抓住子镜镜室。参照图3。

由于子镜单元在空中时，大部分时间镜面都与地面成65°夹角，所以在这种情况下分析机械爪的受力情况。参照图4-1、图4-2、图4-3、图4-4。

在子镜单元重心沿子镜的轴向和径向的两个垂直方向建立坐标系，如图4-3、图4-4：Oxyz，对机械爪的丁字型爪尖，可以提供的支持的力有垂直方向的P和平行方向的T和N。

由于结构对称，由对称特性易知，对于顶端的机械爪A，对子镜单元的作用力只有x方向的平行推力T，而底端两个机械爪B，C分布对称，成120度分布，所以T₂＝T₃，N₂＝N₃，P₂＝P₃。

对子镜单元的重力G，同样也分解为镜面轴向方向和径向方向。

在轴向方向x上：

T₁+T₂+T₃＝Gsin25(1)

在径向方向y上：

(N₂+N₃)cos30+(P₁+P₂)sin30＝Gcos25(2)

对z方向，通过BC的轴线：

T₁l＝Ga(3)

对x方向，通过B点的轴线：

$P_3\×\frac{3}{2}\×\frac{2}{3}l\×sin30+N_3\×\frac{3}{2}\×\frac{2}{3}l\×cos30=Gcos25\×\frac{\sqrt{3}}{2}\×\frac{2}{3}l\×cos30---\left(4\right)$

考虑P₂＝P₃,N₂＝N₃，实际化简后5-2，5-4两式是一样的。

但是在yz平面内，考虑结构的几何对称性，应该有BC两点应该各承担

所以有：

$\sqrt{N_2^2+P_2^2}=\frac{G}{2}cos25---\left(5\right)$

由上述方程可以得到：

$T2=T3=\frac{Gsin25-\frac{Ga}{l}}{2}=\frac{lsin25-a}{2l}G---\left(6\right)$

$N_2=N_3=\frac{\sqrt{3}}{4}Gcos25---\left(7\right)$

$P_2=P_3=\frac{G}{4}cos25---\left(8\right)$

前面已经求得子镜单元重心距离镜面距离70.8mm。质量202.3kg

镜面距离起吊孔距离176.2mm，机械爪长度252mm

所以a＝189.77mm

G＝202.3×9.8＝1982.54N(9)

$l=515\×\frac{\sqrt{3}}{2}\×\frac{3}{2}=669mm---\left(10\right)$

T₁＝562.37N

T₂＝T₃＝137.74N

N₁＝0

N₂＝N₃＝778.03N(11)

P₁＝0

P₂＝P₃＝449.20N

可见顶端的机械爪受力较小，只有沿机械爪轴线方向的压力，为562.37N，而底部两个机械爪上受力比较复杂，3个方向上都受力。对应的设计机械爪开合装置时，设计要求就不一样了。

机械爪全长252mm，机械手末端两个转轴，轴径分别为20mm和12mm,在ANSYS中分析了机械爪的强度。

可以看到整个爪上各个部件的安全系数都在5以上，应该是安全的。

这种情况下设计机械爪推杆(图5)用丝杠螺母驱动机械爪推杆，带动机械爪转动，取1/3机械手分析，如图5：OS为丝杠轴线，S点即为丝杠螺母，OA为机械手支撑架，考虑到子镜单元的大小，OA取515mm，BC为机械爪部分，BC绕A点转动，在推杆SC与支撑架OA平行时，机械爪抓紧，所以有：

推杆长度S₁C₁＝OA₁＝515mm

当机械爪打开到最大程度30°时，螺母沿丝杠运动的距离为177.2mm，考虑螺母的大小以及安装尺寸，也就是丝杠长度取200mm即可。

由前面的计算结果，可以看到尽管平动开合机械爪的方案，机械爪上没有安装轴系，安全系数很高，但是这种方案需要单独安装3个滑动导轨，增加了系统的复杂度，并且这种方案需要更长的推动丝杠，容易与系统其它部分发生干涉；而转动开合方案中轴系的安全系数到达5以上，整个系统比较紧凑，考虑到系统的美观和进一步提高刚度等因素，最终的机械爪设计方案如图13。

机械手俯仰机构：

由于MB主镜37块子镜都有不同倾角，子镜安装时需要在空中微调倾角，尽管机械臂部分具有一个俯仰自由度，在机械手部分还是需要一个增加一个冗余的俯仰自由度。最顶端子镜与水平地面夹角为58.55°，最底端子镜与水平地面夹角为65.78°，上下两块子镜的仰角差为7.23°，也就是说俯仰机构需要达到的最小俯仰角度为7.23°。考虑留出做够的余量后，设计中，以机械手背架与水平面夹角为65°为中间基础位置，俯仰角度为±10°。

为了缩小支撑轴的长度和机械爪上推杆轴与支撑杆的距离，又要避免与机械爪开合装置的干涉，考虑到子镜单元重力作用线在支撑轴的外侧，不会发生向内的倾倒，可以把支撑轴下移，当支撑轴在机械爪推杆丝杠以下位置时，即使机械爪推杆与机械手支架水平距离很近，也不会发生干涉，理论概念图如图7。

这种情况下推杆长度依然取100mm，螺母运动的距离为80.4mm，考虑螺母的尺寸和导轨运动件尺寸，丝杠长度约为100mm。参照图8。

这种情况下考虑两个支撑轴的受力情况

沿子镜的径向和轴向分解重力，由力的平衡原则，容易得到

T₁+T₂＝Gcos25

(12)

P₁+P₂＝Gsin25

对S点由力矩平衡，可得

P₂l＝Ga(13)

另外由于俯仰推杆两端铰接，是二力杆件，力的作用线必定沿杆方向，所以有

T₂＝0(14)

可以得到

T₁＝Gcos25

T₂＝0

$P_1=Gsin25-\frac{Ga}{l}---\left(15\right)$

$P_2=\frac{Ga}{l}$

为了使底端推杆的推力尽量小，所以要a尽量小，l尽量大，

在这种情况下，考虑支架中心的机械爪开合机构的尺寸，俯仰轴距离支架中心的径向距离和轴向距离分别为80mm和72.5mm，这种情况下推杆长度依然取100mm，则推动丝杠长度为80.402mm所以可以计算得到

a＝164.764

(16)

l＝206

所以

T₁＝2353.7N

T₂＝0

(17)

P₁＝-979.6N

P₂＝2077.1N

由于俯仰轴直径依然取40mm，长度140mm，前面已经计算过支撑轴在长度为450mm的时候，可以保证强度，所以长度为140mm时，强度是能够保证的。

如图9推杆作用在导轨滑块上的作用力

P₂＝2077.1N

作用在导轨上的静载荷为：

P_2y＝P₂sin25＝877.82N

而作用在滑块上的倾覆力矩为：

M＝P₂×0.0743＝154.33N·m

选用的导轨为南京艺工的GGBAA/AAL四方向等载荷型滚动直线导轨副GGB35AAL

型号	H	W	B1	B4	K	L1	H1	C	C0	MA	MB	MC
													GGB35AAL	48	33	100	34	38	131.8	29	39.96	64.85	681	681	1102.45

额定动载荷：39.96KN

额定静载荷：64.85KN

额定力矩MA：681KNm

下面计算俯仰推动轴和推动杆的强度，如图10-1、图10-2，推动轴直径20mm，推动杆两端中心距100mm，厚度为20mm。

可以看到俯仰推杆和俯仰推杆轴系统的安全系数在5以上，是安全的。

在方案中，整个系统的结构尺寸比较紧凑，各部分不会发生干涉，综合考虑选择了这种俯仰机构方案，考虑零件的加工工艺，系统美观和降低机械手整体重量等因素，对系统结构进行优化后的最终结构如图12、图13。

机械手水平平移装置：

为了微调机械手在空中的位置，在机械手俯仰装置下串联安装水平调节装置，目前XY方向两维平移台技术比较成熟，使用丝杠螺母副和四方向等刚度导轨导向，两层垂直叠加，就能实现XY两个方向的平移运动。及结构尺寸如图14-1、图14-2。

采用的电机是斯达混合式步进电机110BYG250B，电气技术数据如下表：

电机型号

相

步距角

相电流

驱动电压

最大静转

相电感

重量

空载启动转

数

矩

速

110BYG250B

2

1.8°

6.0A

AC110V

12Nm

13.1mH

8.3kg

250r/min

其中L＝210mm,另外还有110BYG250C，最大静转矩为18Nm,外形尺寸上只有L更长，为255mm。

机械手垂直旋转装置：

垂直转动机构最初的方案是采用一个大的力矩电机驱动直接连接在底板上一个大轴转动，用电磁制动器锁紧电机轴，防止反转。参照图15。

电机采用的是Heinzmann公司的盘式力矩电机SLEC160-11B，其电气技术数据如下表

外形尺寸如16-1、图16-2。

其中L₁＝50mm，L₂＝75mm，L₃＝170mm

由于力矩电机自身的直径较大，加上电磁抱闸以后，在轴向方向上尺寸也要加大，所以最终将驱动方式改为普通步进电机加上涡轮蜗杆减速机的方案，并去掉庞大的电机缸，减轻重量，这样的结构更加紧凑。参照图17-1、图17-2。

机械手垂直升降装置：

由于垂直旋转装置的底端安装有电机和减速器，将垂直升降装置的运动轴线与旋转轴线并列放置，这样可以降低整个机械手的高度，重心降低能够更加稳定，而且能提供接口与机械臂部分连接。

这一部分同样采用导轨丝杠螺母结构，导轨滑块与机械手垂直旋转装置的侧面相连，两个机构并排放置。参照图18。

机械手整体结构：

将上面各部分组装后的机械手部分的结构如图19、图20。

机械腕：在整个子镜安装装置在工作过程中，机械臂上端的机械手底面要始终保持水平，这样机械手受力情况比较固定，也方便微调子镜单元在空中的位置和姿态。

由于整个MB主镜镜面，与水平方向成65°夹角，而镜面较大，最顶端子镜中心与最底端子镜中心距离6249.9mm，要随时调整机械手底面水平，采用固定机械手连接件与机械手底板的夹角，通过调节机械臂轴线与连接件的夹角调节机械手的底面水平。

这种情况下，固定手臂连接件与机械手底面的夹角为90°，调整手臂连接件与机械臂轴线的夹角，在最低点B时，机械臂水平，机械臂与手臂连接件的夹角为90°；在最高点A时，机械臂与水平面夹角为67.52°，机械臂与手臂连接件的夹角为90°-67.52°＝22.48°，机械臂最短。参照图21。

按照上面的连接方案，根据上文设计的机械臂和机械手的尺寸，在保证机械手与机械臂不发生干涉的情况下，得到的机械手与机械臂的连接方案。参照图22。

控制方案：

LAMOST主镜MB子镜装卸装置采用串联机器人的基本结构，使用这种结构除了前文所述的一些优点外，控制系统相对比较简单也是考虑的因素之一，因为整个串联的装卸装置的所有8个自由度运动相互之间没有耦合，控制系统设计可以对各部分分别设计控制方案，下面对装卸装置的控制方案进行一些阐述。

对于本子镜单元装卸装置而言，底端机械臂的粗定位，采用液压系统动力，采用伺服液压油缸进行动态控制，为顶端的微调机构，由于接近主镜面，为避免发生危险，采用自动的动态控制与手动的运动控制相结合，保证子镜安全。

LAMOST主镜MB子镜装卸装置控制系统通过计算机发出信号控制机械手的运动，整个控制系统包括机械臂的动态控制和机械手的运动控制。整个控制系统流程图如图23。

由于机械臂使用随车吊改装，市面上常见的随车吊产品均使用手动操作，不能接受计算机信号，所以需要对随车吊进行改装，将随车吊普遍采用的手动换向阀改造成可以使用计算机电平控制的电控比例换向阀，具体的控制要求是：通过计算机实现对液压杆的控制，包括控制液压杆的起停、定量控制液压杆伸长和缩短的长度(通过传感器实时检测)，定性控制液压杆伸长和缩短的速度。在机械手运行中取得液压杆的实时状态信号，并在电脑上实时显示液压杆伸长量。整个控制的方案是计算机发出数字量信号通过数模装换送给液压阀放大板电路，比例阀放大板电路输出电流控制电磁阀门的开闭和打开量，从而通过控制液压油的流量来控制液压杆的伸缩量和速度；同时采用位置传感器来检测液压杆位置，并反馈给计算机系统，实时调整液压杆的运动轨迹；通过在液压杆上安装传感器和接近开关给电脑反馈信号，实时显示液压杆的伸长量。同时为了保证安装子镜的安全，在机械臂上液压杆两端安装接近开关，一旦液压杆碰到接近开关后，其伸缩能及时停止，防止出现碰撞。

机械手部分用于动态微调，由于子镜单元与子镜桁架的固接需要工人人工参与，随着不同的情况，机械手的位置需要不断的微调，所以机械手的控制部分采用动态控制与运动控制相结合的方法，在机械手的顶端安装3个激光测距仪，实时反馈信号到控制电脑，然后还需要安装摄像头安装人员实时监视子镜的位置，然后机械手各个动作通过步进电机控制，由电脑发出脉冲来控制电机的进给量。另外机械爪的握紧和松开采用行程开关作为反馈。

另外为保证机械手底面水平，在机械手底面上需要安装倾角传感器，随时改变机械手角度，保证机械手的水平。参照图23。

其中各个控制部件的选型见下表：

表2控制部件选型表

Claims (6)

1.一种大型天文望远镜拼接镜面子镜装卸方法，采用子镜装卸设备，该子镜装卸设备是由高速度、大位移机器人与小位移、高精度定位机器人组成的串联机器人，所述的高速度、大位移机器人采用液压升降伸缩装置；所述的小位移、高精度定位机器人采用电机丝杠装置；该电机丝杠装置上设有三爪机械手；其特征在于，安装子镜的步骤如下：

⑴.工作开始时，把所述子镜装卸设备移入光路；

⑵.将所述高速度、大位移机器人的两节伸缩臂的末端移动到待安装子镜的存放位置附近；

⑶.启动所述小位移、高精度定位机器人的竖直转动装置、竖直升降装置、水平移动装置与俯仰机构，将三爪机械手对准待安装子镜；

⑷.利用三爪机械手抓起待安装子镜；

⑸.将所述高速度、大位移机器人的两节伸缩臂的末端移动到待安装子镜的安装位置附近；

⑹.启动所述小位移、高精度定位机器人的竖直转动装置、竖直升降装置、水平移动装置与俯仰机构，将三爪机械手上的待安装子镜对准其安装位置；

⑺.利用三爪机械手将待安装子镜安放到其安装位置；

⑻.人工固定待安装子镜；

⑼.重复步骤⑵-重复⑻，直至所有的待安装子镜安装到位；

⑽.工作完成后把所述子镜装卸设备移出光路；

拆卸子镜的步骤如下：

⑴-b.工作开始时，把所述子镜装卸设备移入光路；

⑵-b.将所述高速度、大位移机器人的两节伸缩臂的末端移动到待拆卸的位置附近；

⑶-b.启动所述小位移、高精度定位机器人的竖直转动装置、竖直升降装置、水平移动装置与俯仰机构，将三爪机械手对准待拆卸子镜；

⑷-b.人工送开待拆卸子镜；

⑸-b.利用三爪机械手抓起待拆卸子镜；

⑹-b.将所述高速度、大位移机器人的两节伸缩臂的末端移动到该子镜的存放位置附近；

⑺-b.启动所述小位移、高精度定位机器人的竖直转动装置、竖直升降装置、水平移动装置与俯仰机构，将三爪机械手上的子镜对准其存放位置；

⑻-b.利用三爪机械手将该子镜安放到其存放位置；

⑼-b.重复步骤⑵-重复⑻，直至所有的待拆卸子镜拆卸完毕；

⑽-b.工作完成后把所述子镜装卸设备移出光路。

2.根据权利要求1所述的大型天文望远镜拼接镜面子镜装卸方法，其特征在于，步骤⑵的具体操作是：液压升降伸缩装置的臂收至最短、降至最低高度，通过倾斜调整俯仰角度初步对准需要安装的子镜。

3.根据权利要求1所述的大型天文望远镜拼接镜面子镜装卸方法，其特征在于，步骤⑷-步骤⑺的具体操作是：机械手通过旋转、位移和倾斜精确对准待安装子镜并用三个抓子抓住子镜室的三个起吊孔，然后由液压升降伸缩装置将机械手连同子镜一起初步运到待安装位置，机械手精确调整位置将子镜连同子镜室送至预先安装好的子镜接收装置上，松开三个爪子移开，子镜接收装置将子镜连同子镜室一同送至桁架上进行联结安装。

4.根据权利要求1所述的大型天文望远镜拼接镜面子镜装卸方法，其特征在于，每个步骤均采用光栅编码器作为位置反馈；爪子握紧和松开采用行程开关做反馈；该光栅编码器及行程开关的反馈信号输入计算机；计算机的指令精确控制每个步骤的操作。

5.根据权利要求4所述的大型天文望远镜拼接镜面子镜装卸方法，其特征在于，控制系统对各部分分别控制：对于底端伸缩臂的粗定位，采用液压系统动力，采用伺服液压油缸进行动态控制，对于顶端的小位移、高精度定位机器人，采用自动的动态控制与手动的运动控制相结合；所述控制系统通过计算机发出信号控制机械手的运动，整个控制系统包括机械臂的动态控制和机械手的运动控制。

6.根据权利要求1-5之一所述的大型天文望远镜拼接镜面子镜装卸方法，其特征在于，在各个操作步骤中，操作者通过三个摄像头进行监视，随时以手动的运动控制弥补或纠正计算控制的不足。