| 摘要 | 随着望远镜主镜口径的不断增大,主镜支撑系统不仅需要能动地控制主镜面形精度,还需要根据望远镜实际观测过程中的变化,实时调整主镜位姿使其精确地对准光学系统。大口径望远镜主镜的主动支撑系统可以分为支撑和定位两部分,支撑机构用来保证主镜面形精度,定位机构用来约束主镜六个自由度、保证主镜位姿精度。定位机构的刚度很大程度上决定了主镜支撑系统的固有频率,根据这一特性,可以形象地称其为“硬点”。硬点是主镜位姿调整的执行单元,为了保证实现高精度的位姿调整,需要对硬点机构的性能参数进行优化分析,准确合理的设计硬点定位机构是大口径望远镜研制过程中需要攻克的重要技术。根据望远镜位姿调整的高精度要求,主镜采用六杆硬点定位结合气压式力促动器的主动支撑系统,在保证面形精度的同时,可实现对主镜位姿的实时调整。针对SiC主镜位姿精度达到±0.02 mm、支撑系统固有频率大于等于15 Hz的指标要求,本文设计出了一套硬点定位机构,并对试验件进行了性能测试。首先,详细介绍了硬点定位的原理、分类,并针对性地列举出不同硬点在国内外望远镜主镜支撑系统中的应用。其次,对六杆硬点定位机构建立模型,并进行运动学和动力学分析;从运动学约束角度对六杆硬点进行了自由度分析。然后,应用有限元方法并借助于有限元软件对六杆硬点定位机构的相关参数指标进行分析,结合定位精度、定位刚度的分析,对硬点进行了具体的结构设计,分别对其中关键部件进行了选型与设计,主要有位移促动器、柔性支承、轴向分离装置、测力传感器和扭矩传感器。最后,加工制造出了一套硬点定位机构的试验件,利用实验室现有条件搭建试验平台,对关键部件性能进行了测试,主要包括:位移促动器的最小分辨力测试和重复性定位精度测试;柔性支承的轴向刚度和倾角刚度测试。本文设计的六杆硬点定位机构分布于主镜背部半径1345 mm的圆周上,六点均布,单个硬点轴向刚度达到15000 N/mm,输出的最小分辨力为1.05μm,能够有效实现对主镜位姿±0.02 mm的精度调整,同时保证主镜支撑系统的固有频率大于等于15 Hz,满足设计要求。 |
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