CN107942503B - 超大型望远镜高度轴系支撑和驱动液压whiffletree控制机载系统 - Google Patents

超大型望远镜高度轴系支撑和驱动液压whiffletree控制机载系统 Download PDF

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Abstract

超大型望远镜高度轴系支撑和驱动液压whiffletree控制机载系统，位于望远镜上部的高度轴系支撑整个主镜和副镜并与方位轴相连接；轴径上设有径向导轨和轴向导轨，径向导轨上安装线性电动机的转子及多个静液压油垫，特征是径向设有中心轨道、内侧轨道和外侧轨道；机架底部支座上的多个径向静液压油垫支撑在内侧轨道和外侧轨道上；机架侧部支座上安装的多个轴向静液压油垫支撑在轴向导轨上；机架上设有连接机构采用运动副式柔性连接。本发明确保电机定子/转子正确的定位并且将间隙保持在非常小且恒定的值。机架设有基于液压whiffletree控制系统的运动副式柔性连接机构，从而保证望远镜平稳、精确、高重复性和超低速运行。

Description

超大型望远镜高度轴系支撑和驱动液压whiffletree控制机 载系统
技术领域
本发明涉及一种用于超大型望远镜高度轴结构的机载系统，具体涉及一种基于液压whiffletree柔性控制系统连接的具有轴承和驱动两种功能的集成系统设计。
本发明是联合基金重点项目（A11）“大射电望远镜主动面关键技术研究”和国家自然科学基金面上项目（11673045）“基于拼接弧线电机的大口径天文望远镜机架合成控制方法研究”的研究成果。
技术背景
由于超大型望远镜高度轴系具有大承载重量、高运动精度和良好的稳定性等特殊要求，通用的推力球轴承、推力滚子轴承等的结果尺寸、承载能力和回转精度难以满足其要求，因此国外制造20m-50m口径地平式望远镜时针对望远镜性能指标均专门设计了超大型高度轴系支撑和驱动方案。
美国30m望远镜的高度轴系采用了四个较大的径向静液压油垫和八个轴向静液压推力油垫。这种布局的优点是方位轴整体结构简洁，力的传递路径较为清晰，缺点是使用较大尺寸的油垫会增加角端不稳定性，且单个油垫承载的负荷很大，容易产生较大变形。因此，对导轨加工精密要求高，降低了望远镜整体刚度；
大麦哲伦望远镜GMT的高度轴系采用了类似GEMINI望远镜离散化的静液压油垫支撑方案。高度轴径向安装4个小型定位油垫，12个浮动油垫；高度轴轴向安装8个静液压油垫，采用whiffletree液压支撑方案，其中四个同侧静液压油垫共用一个油路进行轴向位置调节，另外四个静液压油垫组成一个油路作为预载使用。高度轴总共使用24个静液压油垫。
欧南台极大望远镜E-ELT高度轴系采用了20个小型离散化的径向静液压油垫和40个轴向静液压油垫。为防止静液压油垫在高度轴俯仰角变化时因重力变形引起的高度轴结构弯曲以及导轨误差在运行过程中产生的搁浅现象，设计人员对高度轴系统进行了大量的各种工况最坏情况下的有限元分析以确保轴系支撑系统能够正常工作。
显而易见的是，在8至10m级望远镜中，应用较为成功的简单直接的技术扩展解决方案不能适用于未来巨型望远镜的可行性设计。需要新的解决方案来提供足够的负荷分担，以应对大规模衍生的偏差，并要满足相应的技术要求，或响应结构-控制交互问题等。
发明内容
本发明的目的是提供一种超大型望远镜高度轴系支撑和驱动液压whiffletree控制机载系统，这是一种用于超大型望远镜高度轴系支撑和驱动的集成系统，其中基于公共支撑架上的线性电动机集成驱动器，该系统由静液压型系统支撑，这确保了电机的定子/转子正确的定位并且将间隙保持在非常小且恒定的值。同时，机架上设有一套连接机构，机架与方位轴结构之间采用基于液压whiffletree控制系统的运动副式柔性连接。从而保证望远镜平稳、精确、高重复性和超低速运行。
完成上述发明任务的技术方案是，一种超大型望远镜高度轴系支撑和驱动液压whiffletree控制机载系统，位于望远镜上部的高度轴系支撑整个主镜和副镜并与方位轴相连接，同时为望远镜提供高度轴回转轴线，实现高度角测量、跟踪驱动、角速度和角加速度的测量及反馈等功能；高度轴的轴径上设有径向导轨和轴向导轨，所述径向导轨上安装有线性电动机的转子，该线性电动机的定子位于机架中并且与气隙转子相对应；同时该径向导轨上还安装有多个静液压油垫，其特征在于，在所述径向导轨的中心设有中心轨道且该中心轨道的内、外侧分别设有同心的内侧轨道和外侧轨道，所述的内侧轨道和外侧轨道与所述中心轨道表面平行；所述安装在径向导轨上的线性电动机转子，是安装在所述中心轨道表面；机架的底部支座上安装的多个径向静液压油垫支撑在所述内侧轨道和外侧轨道上；同时，机架的侧部支座上安装的多个轴向静液压油垫支撑在所述轴向导轨上，对高度轴进行轴向调节和定位；在所述机架上设有一套连接机构，所述机架与方位轴结构之间采用基于液压whiffletree控制系统的运动副式柔性连接，该运动副式柔性连接机构包括具有whiffletree控制系统的液压调节装置，其占据连接装置的中心区域，在其两侧设置具有竖向柔性且水平刚性的X型刚性连接件，其外部连接到U型底座，同时在两个元件机架下部和U型底座之间设置有弹性体。
所述高度轴径向导轨上的内侧轨道和外侧轨道上布置一系列静液压油垫，所述静液压油垫以典型的60-70微米油层运行，以保证线性电动机的定子和转子之间的误差，从而限定1mm的较低气隙。
在与所述轴向导轨平行的平面中安装碟盘，在该平面碟盘上作用的制动器安装在机架上。本发明的工作原理是：传统上应用于较小的望远镜（8-10m级的）的解决方案是在结构的节点处直接制造连接式线性电机和静液压油垫，这使得它们易受到由于结构体变形而引起的失配误差的影响。这些问题一般通过在液压油垫结构内部提供一个滑动球头来解决。在大型双筒望远镜（LBT）中已经证明有问题存在，这种解决方案在直径为20至50米的新型极大望远镜（超大型望远镜）的情况下是不可行的，因此有必要找到一种协调超大型望远镜高度轴结构大变形影响的方法。
在这些情况下，系统的静液压油垫支撑于高度轴轴径的滑动轨道上且在两者之间维持一层油膜而保持支撑结构的刚性和稳定，以便能够以很小的驱动力运转，并且没有磨损。
系统中的数字直线驱动器采用定子和转子分布式的电动机，以便产生沿切向方向的力。低加速度线性电动机适用于表面传动。
超大型望远镜已是现代天文观测的主流，现代大型望远镜都采用先进的地平式结构，它包含绕水平轴线旋转的俯仰轴系和绕垂直轴线旋转的方位轴系。位于望远镜上部的高度轴系支撑整个主镜和副镜，并与方位轴相连接，同时为望远镜提供高度轴回转轴线，实现高度角测量、跟踪驱动、角速度和角加速度的测量及反馈等功能。承载数百吨乃至上千吨回转部件的重量，并具有极高的运动精度和良好的稳定性，从而保证望远镜平稳、精确、高重复性和超低速运行等工作特性。因此，研制具有大载荷、高刚度和低摩擦性能的高度轴系支撑和精密驱动系统是确保大型望远镜研制成功的关键技术之一。
换言之，本发明提供一种基于直线电机的精密静液压油垫承载系统，该直线电机位于每个机架上，该系统由静液压油垫支撑，确保定位电机定子/转子之间正确的间隙，保持两者之间非常小的恒定值。静液压油垫支撑于滑动轨道上且维持60-70微米的薄膜油层，以便确保线性电机正确定位需要的几个毫米数量级的典型气隙。包含线性电机和静液压油垫的这些机架与其滑动轨道能够保持精确匹配，沿着该轨道确保系统的平稳运行，而每个机架与方位轴结构之间通过液压whiffletree控制装置连接（柔性），允许两者（机架和结构）之间的相对移动。因此，这种机制可以抑制由于望远镜结构系统的重力变形导致的高度轴结构和Nasmyth平台的路径长度变化。
该机载系统集成了三种基本装置，用于其操作：a）一组装在轨道上的驱动装置，位于高度轴结构上，其高度轴轴径中心轨道构成线性电动机的转子，定子放置在每个机架上，与气隙定子相对应地保持恒定且非常低（小于1mm）的值。 b）一种径向和轴向支撑装置，其包括多条轨道，其中两条高度轴径向轨道位于平行于上述中心轨道的两侧，在该滑动导轨上存在每个机架上的多个静液压油垫，它们支撑移动结构并确保正确定位并闭合线性电机的定子/转子；另外两条高度轴轴向轨道位于高度轴轴径轴向的两侧，在该滑动导轨上存在每个机架上的多个静液压油垫，他们对高度轴进行正确的定位和约束。 c）每个机架和方位轴结构之间的连接装置，其通过基于运动学原理的液压whiffletree控制连接件承载，允许两者（机架和结构）之间的相对运动，保证高度轴结构（= M3）在中心，保持由于高度轴结构的弯曲引起的高度轴推力轴承（静液压轴承）的负载变化小，这使得能够将Nasmyth平台和科学仪器保持在同一个位置，抑制光程长度变化。。
该系统在每个机架中安装有制动单元，所有这些制动单元安装在平行于轴向静液压油垫滑动轨道上的碟盘上。
本发明克服了现有技术在直径为20至50米的新型极大望远镜（超大型望远镜）的情况下不可行的问题，提供了一种协调超大型望远镜高度轴结构大变形影响的方法。本发明确保了电机的定子/转子正确的定位并且将间隙保持在非常小且恒定的值。同时，机架上设有一套基于液压whiffletree控制系统的运动副式柔性连接机构，从而保证望远镜平稳、精确、高重复性和超低速运行。
附图说明
图1为本系统的可能实现的三维图。
图2为本发明的俯视图。
图3为沿着该系统的横向平面的剖视图。
图4显示了机架和望远镜方位轴结构之间连接的部署视图。
具体实施方式
实施例1，超大型望远镜高度轴系支撑和驱动液压whiffletree控制机载系统，如图所示，用于超大型望远镜高度轴系的支撑和驱动系统是基于高度轴移动结构1的存在，其中机架7锚固在方位轴固定结构的各个点上，通常分布在方位轴的四个角点上。
高度轴结构1的轴心为圆心，设有一个中心导轨3，该导轨侧面是两个侧轨道2a，2b，其外表面上安装有线性电动机5的转子，定子位于机架7中并且与气隙定子相对应，保持恒定且非常低的值。高度轴结构1具有与中心轨道3平行的相应的轨道2a，2b，机架7的底部支承面上安装的多个静液压油垫4支撑在所述两个侧轨道2a，2b，上，其中确保线性电动机5的定子/转子的精确和非常紧密的定位。高度轴结构1轴向设有两个轴向导轨，机架7的侧向支承面上安装的多个静液压油垫12支撑在所述轨道13上，其中确保高度轴正确的轴向定位和约束。同时，支撑移动结构1的每个支架7包括：
- 线性电动机5的定子，其与存在于高度轴结构1中的中心轨道3相对应地纵向布置。
- 沿着所述机架7支撑在所述高度轴结构1的两个径向侧轨道2a，2b上布置的一系列径向静液压油垫4以及所述高度轴结构1的两个轴向轨道13上布置的一系列轴向静液压油垫12以典型的60-70微米油层运行，以保证线性电动机的定子和转子之间的误差，从而限定1mm的较低气隙以及高度轴的定位和约束。
- 每个机架7在方位轴结构上定义一套连接机构，通过允许两者（机架和结构）之间的相对移动的运动学柔性连接来控制调节，使得高度轴(M3)始终位于望远镜中心且与耐焦平台距离变化较小，抑制光程长度变化。该机构包括具有竖向柔性且水平刚性的X型刚性连接件9，其占据连接装置的两侧区域，其外部连接到U型底座8，同时在两个元件机架7和U型底座8之间设置液压whiffletree控制装置14以及弹性体10，其适于垂直竖立的刚性连接件，但是允许相对旋转的柔性力矩，而不发生附加力矩，这将抵消现有的导轨误差。
高度轴结构1在平行于轴向轨道13的平面上安装碟盘11，其上具有结合在每个机架7上的液压作用制动器6。

Claims (7)

1.一种超大型望远镜高度轴系支撑和驱动液压whiffletree控制机载系统，位于望远镜上部的高度轴系支撑整个主镜和副镜并与方位轴相连接，同时为望远镜提供高度轴回转轴线，实现高度角测量、跟踪驱动、角速度和角加速度的测量及反馈功能；高度轴的轴径上设有径向导轨和轴向导轨，所述径向导轨上安装有线性电动机的转子，该线性电动机的定子位于机架中并且与气隙转子相对应；同时该径向导轨上还安装有多个静液压油垫，其特征在于，在所述径向导轨的中心设有中心轨道且该中心轨道的内、外侧分别设有同心的内侧轨道和外侧轨道，所述的内侧轨道和外侧轨道与所述中心轨道表面平行；所述安装在径向导轨上的线性电动机转子，是安装在所述中心轨道表面；机架的底部支座上安装的多个径向静液压油垫支撑在所述内侧轨道和外侧轨道上；同时，机架的侧部支座上安装的多个轴向静液压油垫支撑在所述轴向导轨上，对高度轴进行轴向调节和定位；在所述机架上设有一套连接机构，所述机架与方位轴结构之间采用基于液压whiffletree控制系统的运动副式柔性连接，该运动副式柔性连接机构包括具有whiffletree控制系统的液压调节装置，其占据连接装置的中心区域，在其两侧设置具有竖向柔性且水平刚性的X型刚性连接件，其外部连接到U型底座，同时在两个元件机架下部和U型底座之间设置有弹性体。
2.根据权利要求1所述的超大型望远镜高度轴系支撑和驱动液压whiffletree控制机载系统，其特征在于，所述高度轴径向导轨上的内侧轨道和外侧轨道上布置一系列静液压油垫，所述静液压油垫以典型的60-70微米油层运行，以保证线性电动机的定子和转子之间的误差，从而限定1mm的较低气隙。
3.根据权利要求1所述的超大型望远镜高度轴系支撑和驱动液压whiffletree控制机载系统，其特征在于，在与所述轴向导轨平行的平面中安装碟盘，在该平面碟盘上作用的制动器安装在机架上。
4.根据权利要求1所述的超大型望远镜高度轴系支撑和驱动液压whiffletree控制机载系统，其特征在于，线性电动机的定子，其与存在于高度轴结构中的中心轨道相对应地纵向布置。
5.根据权利要求1所述的超大型望远镜高度轴系支撑和驱动液压whiffletree控制机载系统，其特征在于，高度轴结构（1）的轴向设有两个轴向导轨，机架（7）的侧向支承面上安装的多个静液压油垫（12）支撑在所述轴向导轨上，其中确保高度轴正确的轴向定位和约束。
6.根据权利要求5所述的超大型望远镜高度轴系支撑和驱动液压whiffletree控制机载系统，其特征在于，高度轴结构1在与轴向导轨平行的平面中安装碟盘（11），在该平面碟盘上作用的制动器（6）安装在机架（7）上。
7.根据权利要求1-6之一所述的超大型望远镜高度轴系支撑和驱动液压whiffletree控制机载系统，其特征在于，所述机架（7）和所述方位轴结构之间的连接装置包括具有竖向柔性且水平刚性的X型刚性连接件（9），其占据连接的两侧区域，其外部连接到U型底座（8），同时在两个元件机架（7）和U型底座（8）之间设置液压whiffletree控制装置（14）以及弹性体（10），其适于垂直竖立的刚性连接件，但是允许相对旋转的柔性力矩，而不发生附加力矩，这将抵消现有的导轨误差；同时在位于X型刚性连接件（9）之间，安装液压whiffletree控制装置（14），使得望远镜M3镜与任何耐焦平台上仪器之间的路径长度在天顶角度1度至65度的范围内因结构重力弯曲引起的变化小于2mm。
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