CN105629423A - 用于天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调节机构 - Google Patents

Abstract

用于天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调机构，其特征在于，自下而上地设有：底板I、？底板II、底板III；其中底板I与望远镜机架相连，所述底板I与底板II之间，由一组X向弹性片固定联接，并设有X向直线电机；所述底板II与底板III之间，由一组Y向弹性片固定联接，并设有Y向直线电机；所述底板III的上面通过位移促动器I、位移促动器II与位移促动器III设置有镜面安装板；望远镜的副镜安装在该镜面安装板上。本发明结构简单，镜面在各自由度方向上的调节过程中不会出现间隙或空回现象。该天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调节机构的位置调节精度在平动方向优于2微米，转动定位精度优于2角秒。

Description

用于天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调节机构

技术领域

本发明是一种精确的镜面位置调整装置，具体涉及一种高精度五维调节机构。主要应用于天文望远镜副镜位置的调整。

背景技术

天文望远镜在装调和观测过程中，主副镜相对位置的变化需要通过五自由度调节系统进行调整，目前一般采用传统的五自由度调节机构或采用“六杆机构”。传统的五自由度调节机构一般由一个带球头的中心轴与镜面相连，镜面在中心轴的球头端可以相对转动，镜面以球头为中心的转动，由三个电机控制，实现镜面的两个转动自由度。同时，由于中心轴为一精密花键结构，从而限制镜面相对其轴方向的转动，即镜面不具备绕Z轴转动的自由度。中心轴的另一端为滚珠丝杆结构，通过电机控制可以实现镜面的轴向平动（Z向），而其余的两个平动自由度（X、Y向）通过两个电机与直线导轨组合进行调整，最终实现副镜系统的五维调节功能。传统五维调节机构的主要缺点是：其结构较为复杂，结构尺寸较大，从承载能力与其自身质量的比值来看，其值相对较小，即相对承载能力较小。“六杆机构”是一种典型的并联机构，一般情况下由上、下平台以及连接上、下平台的杆组成。上平台为末端执行机构，称为动平台，下平台固定不动，称为定平台。“六杆机构”由六根（或四根或三根等）杆通过球铰、球销铰、虎克铰或其它特别设计的联接副与动平台（或主轴头部件）和定平台相联，组成刚度很高的框架结构。缺点是：其控制较为复杂，要实现任一自由度的运动均要通过六杆的协调工作，对每根杆运动行程及速度的计算要求非常高。因此，运动中的微小误差均可能导致机构卡死。目前，美国PI公司所生产的六杆机构价格极其昂贵，而中国自行研制的六杆机构技术还不十分成熟。

望远镜结构零件在加工及安装过程中所累积的误差会引起望远镜主镜及副镜相对位置偏差，从而影响望远镜的成像质量，在望远镜装调过程中，如副镜与主镜的光轴不重合，将会在成像时产生慧差，而副镜与主镜间轴向距离误差将会使望远镜成像时存在较大的球差。天文望远镜在观测跟踪星体时，在重力作用下，镜筒随高度角的变化发生有规律的变形，引起主副镜相对位置的变化，同样会造成光学系统成像质量变差，并影响望远镜的指向和跟踪精度。因此，副镜支撑系统应具备五自由度的调节功能，即三个平动自由度和两个转动自由度。调整副镜空间位置，使其光轴与主镜重合，同时保证副镜与主镜间的相对距离。

发明内容

本发明目的是提供一种用于天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调节机构，通过一套简单的机构实现天文望远镜副镜位置五维调节功能，本发明能够克服传统五维调节系统结构复杂的不足，又能够避免传统“六杆机构”控制难度高、产品技术尚不成熟、价格较高等不足；本发明结构简单，镜面在各自由度方向上的调节过程中不会出现间隙或空回现象。对天文望远镜副镜位置能够进行高精度的控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调机构，其特征在于，自下而上地设有：底板I、底板II、底板III；其中底板I与望远镜机架相连，所述底板I与底板II之间，由一组X向弹性片固定联接，并设有X向直线电机；所述底板II与底板III之间，由一组Y向弹性片固定联接，并设有Y向直线电机；所述底板III的上面通过位移促动器I、位移促动器II与位移促动器III设置有镜面安装板（顶板）；望远镜的副镜安装在该镜面安装板（顶板）上。

以上方案中，所述的“X向弹性片”是指，该组弹性片的厚度方向为X向；同样，所述的“Y向弹性片”是指，该组弹性片的厚度方向为Y向。

所述X向弹性片或Y向弹性片一般为四片或更多构成一组，在实现对结构支撑的同时，利用弹性片在厚度方向上刚度较小，而在其他自由度方向上刚度较高的特点实现镜面沿径向的平动。所述的镜面径向平动是利用了弹性板沿厚度方向上的弯曲变形。

所述同一组弹性片尺寸完全相同，安装时各弹性片互相平行。用一组弹性片实现直线导轨的功能；所述弹性片其在长度方向上的尺寸远大于其厚度。

所述的镜面安装板（顶板），可以采用三角形，位移促动器I、位移促动器II与位移促动器III分别设置在三个角上。

以上方案的进一步改进，可以在所述底板III的上面通过三个弹性钢板连接杆固定一片薄型弹性钢板；该薄型弹性钢板设置在所述镜面安装板（顶板）的下面；所述的薄型弹性钢板安装方向与镜面轴向垂直，限制镜面绕其轴向的转动，但对镜面在其余自由度方向的限制很小。所述的薄型弹性钢板可以控制镜面转动时的转动中心在该薄型弹性钢板上。

换个角度说：本发明用于天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调机构，该五维调节机构底板与望远镜机架相连，顶板用于望远镜副镜的安装。所述的高精度五维调节机构实现镜面沿径向的平动（包括X向、Y向）是通过弹性片沿厚度方向上的弯曲变形完成；所述的高精度五维调节机构实现镜面沿轴向的平动自由度（Z向）是通过调整三个位移促动器同步工作完成；所述的高精度五维调节机构实现镜面的两个方向的转动自由度（绕X轴转动及绕Y轴转动）也是通过三个位移促动器协调工作进行；所述的高精度五维调节机构利用薄型弹性钢板限制镜面绕Z轴的转动。

所述的用于天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调节机构，主要由两组弹性片、两个直线电机、三个微位移促动器、一个薄型弹性钢板及其他结构件组成。

所述的高精度五维调节机构，其实现沿镜面径向（X向或Y向）位置调整由一个高精度直线电机驱动，使得在该方向上的一组弹性片沿其厚度方向上产生弯曲变形；

所述的高精度五维调节机构，其实现沿镜面径向（X向或Y向）位置调整利用了弹性片在材料屈服强度范围内，弯曲变形较大的特点；

所述的高精度五维调节机构，其实现沿镜面径向（X向或Y向）的位置调整时，利用弹性片在其厚度方向上的刚度较低，而在弹性片宽度方向上刚性较高，从而实现镜面仅在弹性片厚度方向上产生位移，而其余平动自由度方向上影响较小；

所述的高精度五维调节机构，其实现镜面沿轴向（Z向）移动或绕径向转动（绕X轴或绕Y轴）由三个位移促动器协调驱动；

所述的高精度五维调节机构，为防止镜面绕其轴向转动，由一薄型弹性钢板固定。

本发明是一种用于天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调节结构，其方案有以下技术关键：

1.所述的高精度五维调节机构，实现镜面沿径向（X向或Y向）的位置调整时，相对运动的结构件间连接采用一组弹性片，代替传统的直线导轨结构；

2.所述的高精度五维调节机构，镜面沿径向（X向或Y向）调整时，相对运动结构件间连接弹性片安装应相互平行，同一组弹性片中各弹性片的变形完全相同；

3.所述的高精度五维调节机构，实现沿镜面轴向（Z向）移动或绕径向（绕X轴或绕Y轴）转动时，由三个高精度位移促动器直接驱动；

4.所述的高精度五维调节机构，实现沿镜面轴向（Z向）移动或绕径向（绕X轴或绕Y轴）转动时，相对运动结构件间的连接增加一个薄型弹性钢板，该薄型弹性钢板可以实现传统五维调节机构中的转动球头和花键结构的功能。

本发明的特点是：

1.所述的高精度五维调节机构，实现镜面径向（X向或Y向）平动时，相对运动的结构件采用弹性片进行连接，代替传统的直线导轨结构，使得其结构变得简单，同时实现连接的无间隙、无需润滑、无相对滑动的摩擦力等，更可实现在空间望远镜上的应用；

2.所述的高精度五维调节机构，实现镜面轴向(Z向)平动或绕径向（X向或Y向）转动时，相对运动结构件间的连接增加一薄型弹性钢板，通过薄型弹性钢板在厚度方向上的弹性变形实现传统五维调节机构中转动球头及滚珠花键功能，使得其结构得到简化，同样实现连接时的无间隙、无需润滑、无摩擦等；

3.所述的高精度五维调节机构，可以通过改变三个位移促动器的相对位置，调整该五维调节机构在进行镜面转动控制时的精度；

4.所述的高精度五维调节机构，其结构件间的连接较多采用了弹性结构（弹性片或弹性钢板），但其自身结构仍具有较高的刚度。

换言之，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：充分利用弹性片在其厚度方向上弯曲变形较大，而在弹性片宽度方向上的刚度较高的特点，实现直线导轨的功能，同时，利用薄型弹性钢板限制镜面绕其轴向的转动。

本发明有益效果是：该高精度五维调节机构利用弹性片和薄型弹性钢板进行结构件间连接，代替直线导轨及花键结构，使得镜面运动过程中机构无摩擦力，结构紧凑，控制精度高等。

换言之，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用弹性片在厚度方向上刚度较低，而在宽度方向上刚度较高，从而实现镜面沿径向平动。在镜面实现转动自由度和轴向运动时，采用薄型弹性钢板的连接结构，有效限制镜面绕轴向的转动自由度，同时，不会给位移促动器带来较大的驱动阻力。镜面沿径向平动由直线电机直接控制，精度已满足设计要求。轴向平动（Z向）及两个方向上的转动（绕X、绕Y轴）由三个位移促动器控制，所需驱动力小，同时满足精度要求。

本发明结构简单，镜面在各自由度方向上的调节过程中不会出现间隙或空回现象。该天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调节机构的位置调节精度在平动方向优于2微米，转动定位精度优于2角秒。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

具体实施方式

实施例1，该高精度五维调节机构的工作原理附图1所示，其主要组成为：底板I、底板II、底板III、弹性片、直线电机、位移计、镜面安装板、弹性钢板连接杆、连接座、位移促动器及薄型弹性钢板。底板I1与底板II2间主要由四片弹性片（X向）6的连接，直线电机（X向）7的机身固定于与底板I1，直线电机（X向）7的电机轴与底板II2相连。底板II2与底板III间依靠弹性片（Y向）4连接，直线电机（Y向）11的机身固定于底板II2，直线电机（Y向）11的电机轴与底板III3相连。底板III3通过弹性钢板连接杆12与薄型弹性钢板15连接，薄型弹性钢板15与镜面安装板（顶板）10之间由连接座13相连。镜面安装板（顶板）10的三个顶点通过位移促动器I5、位移促动器II9及位移促动器III14与底板III3固定，在三个位移促动器旁各安装有位移计7，镜面（或者副镜）固定于镜面安装板（顶板）10上，底板I1固定于望远镜机架。该高精度五维调节机构工作过程中，若需要镜面产生沿X轴正向的平移时，驱动直线电机（X向）7，使电机轴缩回，四个弹性片（X向）6在Y向的刚度较高，在X向的刚度较低，此时弹性片（X向）6沿X向发生弯曲，由于底板I1固定于望远镜机架，因此直线电机（X向）7驱动底板II2沿X轴正向发生平移，反之，如需要实现镜面沿X轴负向的平动时，仅需驱动直线电机（X向）7使其电机轴伸出即可。

实施例2，若需要镜面产生沿Y轴正向的平移时，驱动直线电机（Y向）11，使其电机轴缩回，四个弹性片（Y向）4在X向的刚度较高，在Y向的刚度较低，此时弹性片（Y向）4沿Y向发生弯曲，底板III3沿Y轴正向发生平移，反之，如需要实现镜面沿Y轴负向的平动时，仅需驱动直线电机（Y向）11使其电机轴伸出即可。

实施例3，若需要镜面产生沿Z轴向的平移时，同时驱动位移促动器I5、位移促动器II9和位移促动器III14，使其行程相同，当三个位移促动器行程沿Z轴正向增加时，镜面即实现沿Z轴正向的平动，反之，当三个位移促动器沿Z轴负向产生相同的位移时，镜面即实现沿Z轴负向的平动。

实施例4，为实现镜面绕X轴的转动，此时，控制X轴两侧的位移促动器I5和位移促动器II9，使得这两个位移促动器所产生的位移大小相等，方向相反，而位于X轴上的位移促动器III14处于静止状态，此时即可实现镜面绕X轴的转动。当需实现镜面绕Y轴的转动时，控制Y轴右侧的两个位移促动器（位移促动器I5和位移促动器II9）产生大小和方向均相同的位移，而控制位于Y轴左侧的位移促动器III14产生与前两个位移促动器大小相同方向相反的位移，即可实现镜面绕Y轴的转动，转动的方向由位移促动器的行程方向控制。而对于镜面绕Z轴的转动，由于受到薄型弹性钢板15的限制（薄型弹性钢板在厚度方向上刚度较小，在饶Z轴转动方向刚度较高。因此镜面不会出现饶Z轴的转动。

Claims (6)

1.一种用于天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调机构，其特征在于，自下而上地设有：底板I、底板II、底板III；其中底板I与望远镜机架相连，所述底板I与底板II之间，由一组X向弹性片固定联接，并设有X向直线电机；所述底板II与底板III之间，由一组Y向弹性片固定联接，并设有Y向直线电机；所述底板III的上面通过位移促动器I、位移促动器II与位移促动器III设置有镜面安装板；望远镜的副镜安装在该镜面安装板上。

2.根据权利要求1所述的用于天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调机构，其特征在于，所述的“X向弹性片”是指，该组弹性片的厚度方向为X向；所述的“Y向弹性片”是指，该组弹性片的厚度方向为Y向。

3.根据权利要求1所述的用于天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调机构，其特征在于，所述X向弹性片或Y向弹性片为四片或更多构成一组。

4.根据权利要求1所述的用于天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调机构，其特征在于，所述同一组弹性片尺寸完全相同，安装时各弹性片互相平行。

5.根据权利要求1所述的用于天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调机构，其特征在于，所述的镜面安装板采用三角形，位移促动器I、位移促动器II与位移促动器III分别设置在三个角上。

6.根据权利要求1-5之一所述的用于天文望远镜副镜位置控制的高精度五维调机构，其特征在于，所述底板III的上面通过三个弹性钢板连接杆固定一片薄型弹性钢板；该薄型弹性钢板设置在所述镜面安装板的下面；所述的薄型弹性钢板安装方向与镜面轴向垂直，限制镜面绕其轴向的转动。