CN108594423B - 超大型望远镜方位轴系支撑和精密驱动的柔性机载系统 - Google Patents

超大型望远镜方位轴系支撑和精密驱动的柔性机载系统 Download PDF

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Abstract

超大型望远镜方位轴系支撑和精密驱动的柔性机载系统，位于望远镜下部的方位轴系支撑整个系统并与地基相连接，设有导轨其上安装线性电动机，还安装有多个静液压油垫，特征是中心轨道的内、外侧分别设有同心的侧轨道；中心轨道上安装有线性电动机的定子；机架的支承面上的多个静液压油垫支撑在内圆侧轨道和外圆侧轨道上；机架上设有连接机构，机架与移动结构之间采用运动副式柔性连接，包括具有竖向柔性且水平刚性的膜片连接件，其占据连接装置的中心区域，在其上支撑平行于机架上方的刚性板，同时在两个元件机架和刚性板之间设置有弹性体以及磁流变阻尼器。本发明确保了电机正确的定位且间隙非常小且恒定。运动副式柔性连接保证望远镜平稳、精确和超低速运行。

Description

超大型望远镜方位轴系支撑和精密驱动的柔性机载系统
技术领域
本发明涉及一种超大型望远镜方位轴系支撑和精密驱动的柔性机载系统，具体涉及一种基于运动副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。
背景技术
由于超大型望远镜方位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构尺寸、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方位轴系支撑和驱动方案。
美国30m望远镜的方位轴系采用了六个较大的静液压油垫。这种布局的优点是方位轴系整体结构简洁，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的方位轴系采用了类似GEMINI 望远镜离散化的静液压油垫支撑方案。每个方位轴基座下方安装3个小型定位油垫，1个浮动油垫，对方位轴导轨形成过约束，液压油垫产生的力的变化依赖于导轨的表面精度，因此，液压油垫产生的力的变化可以通过对导轨进行精加工和现场调整的方式来提高导轨精度而达到最小化。此种设计提高了系统的刚性，但是对导轨的加工精度要求较高，且方位轴底盘需要保证一定的柔性；
欧南台极大望远镜E-ELT同时在三条导轨上采用了36个小型离散化的轴向静液压油垫，其中在方位轴结构负荷较大位置使用了双静液压油垫支撑，负荷较小位置使用了单静液压油垫支撑。为防止静液压油垫因对导轨形成的过约束以及导轨误差在运行过程中产生的搁浅现象，设计人员对导轨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8m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用于超大型望远镜方位轴系支撑和精密驱动的柔性机载系统，这是一种用于超大型望远镜方位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，机架与移动结构之间采用运动副式柔性连接。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，
一种超大型望远镜方位轴系支撑和精密驱动的柔性机载系统，位于望远镜下部的方位轴系支撑整个系统并与地基相连接，同时为望远镜提供方位回转轴线，实现方位角测量、跟踪驱动、角速度和角加速度的测量及反馈等功能；以地基的固定结构为圆心设有导轨（也称为限定轨道），所述导轨上安装有线性电动机的定子，该线性电动机的转子位于机架中并且与气隙相对应；同时该导轨上还安装有多个静液压油垫，其特征在于，在所述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圆侧轨道和外圆侧轨道，所述的内圆侧轨道和外圆侧轨道与所述中心轨道表面平行；所述中心轨道上表面安装有线性电动机的定子，该线性电动机的转子位于机架中并且与气隙相对应；机架的支承面上安装的多个静液压油垫支撑在所述内圆侧轨道和外圆侧轨道上；在所述机架上设有一套连接机构：所述机架与移动结构之间采用运动副式柔性连接，该连接机构包括具有竖向柔性且水平刚性的膜片连接件，其占据连接装置的中心区域，在其上支撑平行于机架上方的刚性板，同时在两个元件机架和刚性板之间设置有弹性体以及磁流变阻尼器。
所述内圆侧轨道和外圆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。
在与所述内圆侧轨道上和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。
传统上应用于较小的望远镜（8m-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方位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导轨的滑动表面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，以便产生沿纵向方向的力。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。位于望远镜下部的方位轴系支撑整个系统并与地基相连接，同时为望远镜提供方位回转轴线，实现方位角测量、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[7]。因此，研制具有大载荷、高刚度和低摩擦性能的方位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，本发明提供的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。静液压油垫作用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，而每个机架与移动结构之间通过运动副式连接（柔性），允许两者（机架和结构）之间的相对移动。因此，这种机制只有在通过滑动轨道时受导轨精度的影响而不受移动结构大尺度变形的影响。
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，位于固定结构上，其上表面构成线性电动机的定子，转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）一种支撑装置，其包括至少一条轨道，该轨道位于平行于上述导轨表面的平面上，在该平面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。 c）每个机架和结构之间的连接装置，其通过运动学柔性连接件承载，允许两者（机架和结构）之间的相对运动，刚性地作用在垂直方向上，但是表现得像球窝接头，以建立柔性连接。
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静液压油垫滑动的轨道上的碟盘上。每个机架的柔性连接层安装有磁流变阻尼器，以便抑制地基基础中的望远镜设备振动对望远镜产生的影响。同时，每个机架上还安装有地震防翘起结构，所有这些防翘起机构安装在静液压油垫滑动的轨道边缘上。
附图说明
图1示出了系统的可能实现的三维图。
图2和图3示出了本发明的侧视图和底部平面图。
图4示出了沿着该系统的横向平面的剖视图。
图5显示了机架和望远镜方位轴底盘之间的连接的部署视图。
具体实施方式
如图所示，用于超大型望远镜方位轴系的支撑和驱动系统是基于固定支撑件1的存在，其中一系列机架7锚固在移动结构在各个点上的，通常均匀分布。
固定结构1中心设有一个导轨3，该导轨侧面是两个侧轨道2a、2b，其上表面安装有线性电动机5的定子，转子位于机架7中并且与气隙相对应，保持恒定且非常低的值。固定结构1具有与限定轨道表面3平行的相应的轨道2a、2b，机架7的支承面上安装的多个静液压油垫4支撑在所述轨道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。同时，在固定结构1上支撑移动结构的每个支架7包括：
- 线性电动机5的转子，其与存在于固定支撑结构1中的轨道3相对应地纵向布置。
- 沿着所述机架7支撑在所述固定结构1的轨道2a、2b上的两侧布置的一系列静液压油垫4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。
-固定支撑结构1在与轨道2a、2b和导轨3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。
- 每个机架7在可移动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拖动，使得该机构仅在其运行中受到滑动轨道小尺度变形的影响而不受移动结构大规模尺度变形的影响。该机构包括具有竖向柔性且水平刚性的膜片连接件10，其占据连接装置的中心区域，在其上支撑平行于机架7上方的刚性板8，同时在两个元件机架7和刚性板8之间设置弹性体9以及磁流变阻尼器12，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，并且减少地基基础振动对望远镜的影响，这将抵消现有的导轨误差。
固定支撑结构1在平行于轨道2和轨道3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。
每个机架7上设置一套地震防翘起机构13，其作用于外圆侧轨道2a上。
所述机架7和所述结构之间的连接装置包括具有竖向柔性且水平刚性的膜片连接件10，其占据连接的中心区域。平行于机架板7并且在机架板7之上，而在两个元件机架7和上方的刚性板8之间插入弹性体9，垂直方向刚性连接是适当的，但是柔性允许相对转矩。位于中心膜片连接件10与弹性体9之间，安装磁流变阻尼器12，减少地基基础内部设备振动传递到望远镜。

Claims (5)

1.一种超大型望远镜方位轴系支撑和精密驱动的柔性机载系统，位于望远镜下部的方位轴系支撑整个系统并与地基相连接，同时为望远镜提供方位回转轴线，实现方位角测量、跟踪驱动、角速度和角加速度的测量及反馈功能；以地基的固定结构为圆心设有导轨，所述导轨上安装有线性电动机的定子，该线性电动机的转子位于机架中并且与气隙相对应；同时该导轨上还安装有多个静液压油垫，其特征在于，在所述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圆侧轨道和外圆侧轨道，所述的内圆侧轨道和外圆侧轨道与所述中心轨道表面平行；所述中心轨道上表面安装有线性电动机的定子，该线性电动机的转子位于机架中并且与气隙相对应；机架的支承面上安装的多个静液压油垫支撑在所述内圆侧轨道和外圆侧轨道上；在所述机架上设有一套连接机构：所述机架与移动结构之间采用运动副式柔性连接，该连接机构包括具有竖向柔性且水平刚性的膜片连接件，其占据连接装置的中心区域，在其上支撑平行于机架上方的刚性板，同时在两个元件机架和刚性板之间设置有弹性体以及磁流变阻尼器。
2.根据权利要求1所述的超大型望远镜方位轴系支撑和精密驱动的柔性机载系统，其特征在于，所述内圆侧轨道和外圆侧轨道上布置一系列静液压油垫，所述静液压油垫以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方位轴系支撑和精密驱动的柔性机载系统，其特征在于，在与所述内圆侧轨道上和导轨平行的平面中安装碟盘，在该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方位轴系支撑和精密驱动的柔性机载系统，其特征在于，本系统中的线性电动机采用定子和转子分布式的电动机，以便产生沿纵向方向的力；线性电动机适用于表面传动。
5.根据权利要求1-4之一所述的超大型望远镜方位轴系支撑和精密驱动的柔性机载系统，其特征在于，所述机架（7）和所述移动结构之间的连接装置包括具有竖向柔性且水平刚性的膜片连接件（10），其占据连接的中心区域；该膜片连接件（10）平行于机架（7）并且在机架（7）之上，而在两个元件机架（7）和上方的刚性板（8）之间插入弹性体（9），垂直方向刚性连接是适当的，但是柔性允许相对转矩；位于中心膜片连接件（10）与弹性体（9）之间，安装磁流变阻尼器（12），减少地基基础内部设备振动传递到望远镜。
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