CN110109242A - 用于天文望远镜主镜的液压桁架系统 - Google Patents

Abstract

用于天文望远镜主镜的液压桁架系统，特征是系统分上下两层，上层镜室通过液压支撑机构输出端与下层桁架连接，两层间设置位移传感器，望远镜主镜放置于镜室之上；液压支撑机构为一系列液压缸，通过液压管路与液压调节器相连通；输出端为液压缸中的活塞及活塞杆；位移传感器的信号输出至控制系统，控制系统通过液压调节器，控制液压缸内的液体体积，从而改变活塞及活塞杆位置实现位移的精确输出。本发明能有效隔离望远镜桁架结构形变对镜室及主镜造成的影响，从而缩小镜室相对主镜的变化范围，降低促动器行程要求，降低主镜支撑系统设计难度，使共相条件容易满足。对于更大口径望远镜建造工作的研制难度降低及造价控制，具有重大意义。

Description

用于天文望远镜主镜的液压桁架系统

技术领域

本发明涉及一种望远镜主镜的桁架系统，具体涉及一套用于天文望远镜主镜的液压桁架系统。主要应用于天文望远镜的主镜支撑技术中，对桁架结构变形造成的主镜光学面型偏差进行隔离和消除。本系统适用于大口径望远镜，尤其适用于大口径拼接镜面望远镜的桁架系统。

背景技术

当代天文研究观测活动中使用的大口径天文望远镜，由于重力、温度、风力等因素的影响，其主镜光学面型的改变对像质的影响不可忽略，需要特殊设计主镜支撑系统，保证其光学面型误差维持在合理范围内。主动光学技术作为能够对望远镜镜面误差进行实时检测并校正的新型技术，近年来已被广泛应用于大中型天文望远镜，主动支撑系统已成为研制大口径望远镜的关键技术之一。此外，由于口径8m以上的主镜加工制造十分困难，拼接镜面开始被一些大口径望远镜采用，故按主镜类型主动光学技术分为薄镜面和拼接镜面主动光学两种类型。随着天文学发展对口径更大望远镜的需求日益迫切，主动光学技术也面临更大的困难。首先是对于促动器等主动执行器件，口径更大意味着保持高精度的同时需要更大的行程，技术实现上这是非常困难的。其次对于拼接镜面，共相是实现高质量成像的前提，要求各子镜间位置精度至少达到1/20波长，即20-30nm，显然也要求支撑结构变形尽量小。并且随着天文技术的发展，对共相的精度要求还会进一步提高。

当前世界各地的大型天文望远镜，其主镜支撑系统大致有三种形式：1)液压+力促动器式；2)力促动器式；3)位移促动器式。前两种针对单块薄镜面望远镜，力促动器可以是气动元件的形式，具有较快的响应速度，也可以是机械式或压电式力促动器，具有较高的支撑刚度。第三种则针对拼接镜面望远镜，采用高精度位移促动器来控制各子镜的位姿，可以是机械元件或压电元件构成。其中第1种形式在液压支撑中加入力促动器，通过液压支撑承载主镜的大部分载荷，继承液压支撑刚度高、承载力大、阻尼好、迟滞低等优点的同时降低了对力促动器行程的要求，从而提高精度。然而，由于液压支撑的浮动特性，这种形式并不适用于拼接镜面。

发明内容

为了降低主动支撑系统研制的技术难度，满足拼接镜面的共相要求，本发明针对极大天文望远镜，提出一种望远镜液压桁架系统方案。其基于液压浮动原理，对望远镜桁架结构的变形进行隔离和消除，避免其传导到上层结构，从而可有效缩小上层结构相对于主镜的变形范围。故本发明具有对促动器行程要求低、精度高、共相条件容易满足、系统设计难度低等优点，特别适用于拼接镜面主镜的桁架支撑系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种天文望远镜液压桁架系统，其特征在于，该系统分上下两层，上层镜室通过液压支撑机构的输出端，与下层桁架连接，两层间设置位移传感器，望远镜主镜放置于镜室之上；所述液压支撑机构为一系列液压缸，根据液压缸所在圈层数、扇区位置的异同分为若干组，通常为3、6或其他3的倍数。同组间通过液压管路与液压调节器相连通；所述输出端为液压缸中的活塞及活塞杆；所述位移传感器的信号输出至控制系统，该控制系统通过液压调节器，控制所述液压缸内的液体体积，从而改变活塞及活塞杆位置实现位移的精确输出。

以上技术方案中，所述下层桁架与通常的望远镜机架相同，安装于望远镜俯仰轴系上，故整个液压桁架系统能随着望远镜指向调整作俯仰运动。

液压缸通常为中心对称分布，故很容易根据液压缸所在圈层数、扇区位置的异同分为若干组，通常为3、6或其他3的倍数。

液压桁架系统中的上层镜室，是安装主镜的基础平台。上面可以安装通过力促动器支撑的单块薄镜面；也可以安装通过位移促动器支撑的拼接镜面；还可以安装其他机构系统支撑的镜面形式。简而言之，对所安装主镜结构类型的限制很小。

对于液压缸而言，其特征为双缸结构。所述液压支撑机构中的液压缸，按前述方法分为数个组。同组液压缸之间，下腔由液压管路互相连通到一液压调节器；上腔也由液压管路互相连通，接一蓄能装置。这样液压缸中上下腔的压强差保持一定，从而活塞上输出的支撑力也保持不变，可避免因系统绕俯仰轴运动而受到重力影响。

液压支撑机构分为若干组，每组均有一套独立的蓄能器、液压调节器及相应的控制系统。由于液体体积一定，根据连通器原理，每组液压缸在所述镜室上形成一虚拟支撑点，通过调节液压缸内液体体积即可调整该虚拟支撑点的位置。通常分为3或3的倍数组，是因为根据三点定位原理，如此分组即可将所述镜室定位在一个平面内。

所述上层镜室结构，其特征为单一整体的支架类部件，材质通常为高刚度金属结构性材料。如前所述，液压支撑机构已确定其所在的平面，剩余的自由度可通过合理设计的侧支撑，如液压侧支撑、或中心定位轴加防转机构等，加以约束，从而实现其完全定位。

本发明的望远镜主镜液压桁架系统有以下优化方案：

1、所述液压缸采用膜片式结构，降低摩擦阻力；

2、采用高刚度的液压管路系统，如金属管道等，减小因压强变化引起液体区域体积改变，从而造成的输出误差；

3、通过对液压缸行程等参数进行适当的选型，对液压缸布局、镜室结构等进行合理的设计，以及恰当设置的位移传感器分布点位，最大限度地隔离和消除下层桁架变形所带来的影响。以上所述的“对液压缸布局、镜室结构等进行合理的设计，以及恰当设置的位移传感器分布点位”，均可采用本领域的现有技术。

4、所述液压调节器，可以是伺服电机驱动的液压泵、直线电机驱动的调整液压缸、或与电动缸联动的调整液压缸等器件。通过合理选择具有高分辨率和高稳定度的器件类型，能够实现镜室位置的精确调整和长时间保持。

换言之，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用液压支撑系统实现对望远镜主镜室的浮动式支撑，从而构建一种浮动式的天文望远镜液压桁架系统。所述系统由膜片式液压缸、高刚度液压管路系统、桁架、镜室、高精度液压调节器、传感器以及控制系统等组成。利用液压系统浮动原理，通过精心设计的镜室和位移传感器、液压缸布局，可最大限度地防止桁架结构由于重力、温度、风力等因素造成的变形传递到镜室；通过高精度的液压调节器，膜片式液压缸，高刚度的管道系统，能够大幅抑制摩擦、液体区域体积变化等因素造成的调节误差，实现镜室位置的精确调整。

本发明的有益效果是：提供了一种新颖的望远镜主镜液压桁架系统，其原理简单，基于液压支撑系统，故完全继承其承载力大、刚度高、阻尼好、迟滞低等优点。能有效地隔离望远镜下层桁架结构变形对上层镜室及主镜的影响，从而能够缩小镜室相对于主镜的变形范围，实现降低促动器行程范围要求、降低主镜支撑系统设计难度、使共相条件容易满足等诸多目的。适用于多种主镜结构形式，尤其是拼接主镜。由于降低了研制难度，成本也会得到控制，对于更大口径望远镜的建造，具有很大的促进作用。

附图说明

图1 望远镜液压桁架系统结构及控制示意图。

具体实施方式

实施例1，用于天文望远镜主镜的液压桁架系统，工作原理参照图1：系统由望远镜主镜1、促动器（力或位移）或镜面支撑系统2、液压缸13、液压管路10、蓄能器12、液压调节装置9、桁架5、镜室3、位移传感器4、控制器6、采样保持器7、信号放大器8组成。其中，液压缸只画出3个作为示意，记为a、b、c。若桁架5形变使得液压缸a、c基座端位置较高，液压缸b基座端位置较低，此时液压缸a、c受到挤压，下腔内液体压强增大，上腔内液体压强减小；而液压缸b受到拉伸，下腔内液体压强减小，上腔内液体压强增大。在连通器原理作用下，液压缸a、b、c的上、下腔内液体压强自动调节，使得液压缸a、c内活塞11相对缸体下移，液压缸b内活塞相对缸体上移，达到上、下腔内液体压强分别相等的新平衡状态。故液压缸a、b、c活塞杆14的输出力大小总是相等。

当镜室3位置是期望值时，标定位移传感器4处于零位。当镜室位置低于期望值时，位移传感器输出负信号被采样保持器7接收，传递给控制器6，控制器经分析向信号放大器8发出指令，让液压调节装置9往液压缸13中注入液体，液压缸下腔内压强增大，为了与上腔压强平衡，活塞11位置上升，使得镜室3位置上移。反之，当镜室3位置高于期望值时，位移传感器4的正信号被采样保持器7接收，传送到控制器6，控制器发出指令给放大器8，让液压调节装置9往液压缸13中抽出液体，液压缸下腔内压强减小，在平衡力作用下活塞11位置下降，从而镜室3位置下移。整个过程根据位移传感器反馈回的输出值，经控制器逐步调整液压调节装置的液体输出量，是一个闭环过程，直至镜室位置值达到期望状态。

实施例2，若液压调节装置是与电动缸联动的调整液压缸，则工作过程为：当镜室3位置低于期望值时，传感器4信号输出负值，控制器6发出指令让电动缸电机正转，使得电动缸推杆伸出，推动调整液压缸活塞右移，向支撑液压缸13压入液体，从而活塞11上升，带动镜室3上移。反之，当镜室3位置高于期望值时，传感器4信号输出正值，控制器6发出指令让电动缸电机反转，电动缸推杆缩回，从而使得调整液压缸活塞左移，抽出支撑液压缸13中液体，使活塞11下降，带动镜室3下移。

Claims (8)

1.一种用于天文望远镜主镜的液压桁架系统，其特征在于，该系统分上下两层，上层镜室通过液压支撑机构的输出端，与下层桁架连接，两层间设置位移传感器，望远镜主镜放置于镜室之上；所述液压支撑机构为一系列液压缸，按圈层数、扇区位置的异同分为数组，同组间通过液压管路与液压调节器相连通；所述输出端为液压缸中的活塞及活塞杆；所述位移传感器的信号输出至控制系统，该控制系统通过液压调节器，控制所述液压缸内的液体体积，从而改变活塞及活塞杆位置实现位移的精确输出。

2.根据权利要求1所述的用于天文望远镜主镜的液压桁架系统，其特征在于，所述下层桁架安装于望远镜俯仰轴系上，整个液压桁架系统能随着望远镜指向调整作俯仰运动。

3.根据权利要求1所述的用于天文望远镜主镜的液压桁架系统，其特征在于，所述液压桁架系统中的上层镜室，为单一整体的支架类部件，材质为高刚度金属结构性材料，是安装主镜的基础平台，该上层镜室的上面安装通过力促动器支撑的单块薄镜面；或者安装通过位移促动器支撑的拼接镜面；或者安装其他机构系统支撑的镜面形式。

4.根据权利要求1所述的用于天文望远镜主镜的液压桁架系统，其特征在于，所述液压缸为双缸结构；所述液压支撑机构中的液压缸分为数个组；同组液压缸之间，下腔由液压管路互相连通到一液压调节器；上腔也由液压管路互相连通，接一蓄能装置。

5.根据权利要求1所述的用于天文望远镜主镜的液压桁架系统，其特征在于，液压支撑机构按规律分为若干组，每组均有一套独立的蓄能器、液压调节器及相应的控制系统。

6.根据权利要求1所述的用于天文望远镜主镜的液压桁架系统，其特征在于，所述液压缸采用膜片式结构，降低摩擦阻力。

7.根据权利要求1所述的用于天文望远镜主镜的液压桁架系统，其特征在于，所述液压管路采用高刚度的液压管路系统。

8.根据权利要求1-7之一所述的用于天文望远镜主镜的液压桁架系统，其特征在于，所述液压调节器，是伺服电机驱动的液压泵、直线电机驱动的调整液压缸、或与电动缸联动的调整液压缸。