專利名稱：望遠鏡滾動摩擦傳動正壓力動態(tài)修正系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天文望遠鏡上的繼續(xù)裝置，具體涉及一種望遠鏡滾動摩 擦傳動正壓力動態(tài)修正系統(tǒng)。通過采用這套修正系統(tǒng)，使得摩擦傳動過程中 正壓力能夠隨著負載的實際情況進行實時調(diào)整，并保證望遠鏡在外界干擾下 也能穩(wěn)定工作。
技術(shù)背景滾動摩擦傳動是在正壓力的作用下，主動輪通過正壓力產(chǎn)生的摩擦力矩 帶動從動輪旋轉(zhuǎn)的。外圓滾動摩擦傳動由于結(jié)構(gòu)簡單、沒有空回、安裝調(diào)試 及維護相對簡單等原因在大型天文望遠鏡上得到了應(yīng)用。但由于滾動摩擦傳 動不同于齒輪傳動、蝸輪蝸桿等機械嚙合傳動，傳動剛性弱，對于一個已調(diào) 試好且工作正常的摩擦傳動而言，在外界干擾下，如震動的傳入、驅(qū)動負載 的突然變化等，會引起摩擦副之間運動不同步，也就是通常所說的摩擦副表 面之間的相對滑移，滑移的主要原因是驅(qū)動力矩和負載力矩之間的平#^皮打 破。這一問題在大型天文望遠鏡滾動摩擦驅(qū)動中尤為明顯，因為大型天文望 遠鏡工作時需要打開天文圓頂，即望遠鏡在露天工作，而望遠鏡的承風(fēng)面積 很大，風(fēng)速的改變、風(fēng)向的改變和望遠鏡在跟蹤過程中承風(fēng)面積的改變都會 引起相當(dāng)大的驅(qū)動負載的變化，且這種變化是隨機的。另外，運行過程中加 速度的改變也需要不同的驅(qū)動力矩與之對應(yīng)。對于這一問題，天文上常用的 解決方法是按最惡劣的工作狀況來計算所需的正壓力大小。這樣做的后果
是摩擦副和傳動軸系一直工作在很大的正壓力下，為了能夠承受很大的載 荷，摩擦副、旋轉(zhuǎn)軸、支撐軸承等零部件的性能都要提高，增加了制造成本; 另外，以上這些零部件一直工作在很大的載荷下，加快了運動件的磨損，影 響軸系的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)以上的不足，本發(fā)明的目的是提供一種望遠鏡滾動摩擦傳 動正壓力動態(tài)修正系統(tǒng)，該修正系統(tǒng)是一種實時檢測和實時修正的動態(tài)系 統(tǒng)，根據(jù)實際的負載力矩實時調(diào)整正壓力的大小，使得傳動系統(tǒng)工作在最佳 狀態(tài)。使望遠鏡的摩擦傳動系統(tǒng)并不總是在最大的正壓力下工作，在沒有風(fēng)， 或者風(fēng)速較小，或者運行加速度不大的情況下可以實時根據(jù)實際情況減小其 工作壓力，以降低其制造成本，延長其工作壽命。
完成上述發(fā)明任務(wù)的技術(shù)方案是望遠鏡滾動摩擦傳動正壓力動態(tài)修正 系統(tǒng)，從動輪(被驅(qū)動負載)與主動輪在正壓力的作用下貼合在一起組成摩 擦副，加壓電機通過滾珠絲桿螺母副和彈簧對主動輪施加正壓力(正壓力的 改變通過彈簧的伸長或縮短完成；彈簧的伸長或縮短由滾珠絲桿螺母副帶 動；滾珠絲杠由加壓電機驅(qū)動)；其特征在于，
設(shè)有正壓力控制機構(gòu)，該機構(gòu)中設(shè)有工控機，工控機上連接有數(shù)據(jù)采集
卡；
在從動輪上設(shè)有從動輪力矩傳感器；在主動輪上設(shè)有主動輪力矩傳感
器；
從動輪力矩傳感器與主動輪力矩傳感器的輸出接工控機的數(shù)據(jù)采集卡； 設(shè)置在加壓電機上的碼盤的數(shù)據(jù)線接工控機的數(shù)據(jù)采集卡(加壓電機的
運動情況由其尾部的碼盤反饋)，采集的數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控 制系統(tǒng)。
以上結(jié)構(gòu)的工作原理是從動輪力矩傳感器與主動輪力矩傳感器的實時 輸出接控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡，采集卡采集的實時數(shù)據(jù)經(jīng)過控制系統(tǒng)解算 后，得到正壓力加壓電機所需的運動量，根據(jù)這一運動量控制系統(tǒng)驅(qū)動加壓 電機運動。加壓電機的運動情況由電機尾部的碼盤進行反饋。加壓電才幾帶動 滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，與絲桿配的螺母由于旋轉(zhuǎn)自由度被限制，所以只能作前后直 線運動，前后運動作用于彈簧就使得通過彈簧作用在主動輪上的正壓力增大 或者減小，起到調(diào)節(jié)正壓力的作用。進而修正了摩擦力矩，使得摩擦力矩與 負載力矩相平衡，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
以上方案的進一步改進，有以下優(yōu)化方案
1、 主動輪力矩傳感器和從動輪力矩傳感器的設(shè)置方式是主動輪力矩 傳感器和從動輪力矩傳感器分別與主動輪和從動輪同軸安裝；
2、 主動輪力矩傳感器的設(shè)置位置是設(shè)置在驅(qū)動電機和主動輪連線的 主動輪一側(cè)的延長線上；
從動輪力矩傳感器的設(shè)置位置是設(shè)置在從動輪位置編碼器和從動輪連 線的從動輪一側(cè)的延長線上。
即，主動輪力矩傳感器不能串聯(lián)在驅(qū)動電機和主動輪之間，而要聯(lián)在另 一頭，參見圖1。同樣，實時檢測從動輪力矩的力矩傳感器也不能串聯(lián)在從 動輪位置編碼器和從動輪之間，參見圖1。否則，會帶來類似于減速器的滯 后效應(yīng)，影響摩擦傳動的精度。
3、 力矩波動動態(tài)修正系統(tǒng)的精度取決于各種傳感器、反饋驅(qū)動單元和 控制系統(tǒng)。具體有實時檢測力矩的力矩傳感器精度、系統(tǒng)的定標(biāo)精度、滾 珠絲桿運動精度、彈簧彈性系數(shù)K的穩(wěn)定性以及驅(qū)動電機后面的編碼器精度 等。各部件的具體精度根據(jù)望遠鏡傳動跟蹤系統(tǒng)的精度要求而定， 一般情況 下天文望遠鏡的跟蹤精度在O. 2〃 (RMS值)左右(無導(dǎo)星校正系統(tǒng))，才艮據(jù)這 一精度要求，實時檢測力矩的力矩傳感器精度在5N.m左右，系統(tǒng)的定標(biāo)精度， 即加壓電機的運動量與摩擦力矩之間的比例因子，由此產(chǎn)生的摩擦力矩的誤 差應(yīng)控制在2N.m以下。滾珠絲杠副采用5級精度。彈簧的彈性系數(shù)K的穩(wěn)定性 與實際修正系統(tǒng)的行程有關(guān)， 一般在1%左右。驅(qū)動電機尾部的碼盤精度根據(jù) 定標(biāo)精度和滾珠絲杠副的傳動比而定， 一般在5〃左右。本發(fā)明就是采用 一種動態(tài)實時檢測修正系統(tǒng)，使得正壓力能夠根據(jù)實際 負載的情況進行實時調(diào)整，保證所施加的正壓力與當(dāng)時實際負載所需正壓力 相一致。通過以上閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)整絲桿螺母的線性運動量，即可根據(jù)望遠 鏡的工作狀態(tài)調(diào)整工作壓力。用力矩傳感器實時檢測系統(tǒng)的負載力矩和驅(qū)動 力矩，通過控制系統(tǒng)才艮據(jù)所測的力矩值實時調(diào)節(jié)正壓力的大小。更詳細地說，本發(fā)明的具體工作原理是摩擦傳動是靠加在摩擦輪上的 正壓力產(chǎn)生的摩擦力來傳遞運動的，因此，正壓力的大小對傳動穩(wěn)定性有著 較大的影響。正壓力過小，產(chǎn)生的摩擦力不足以很好的驅(qū)動負載，會引起宏 觀滑移，影響傳動精度。正壓力過大，會加速摩擦副表面和軸系支撐軸承的 磨損，嚴重時會使接觸副表面產(chǎn)生粘著磨損，降低傳動性能。另外，正壓力 過大，在軸系剛性不夠高的情況下會引起軸系的晃動，使得傳動性能不穩(wěn)定。 才艮據(jù)以上的分析可以看出，對于摩擰M專動系統(tǒng)而言，驅(qū)動負載的穩(wěn)定性至關(guān) 重要。但對極大望遠鏡在工作的過程中一直承受著風(fēng)載的作用。由于極大望
遠鏡承風(fēng)面積很大，因此，風(fēng)力的變化、風(fēng)向的變化以及望遠4免在跟蹤過程 中承風(fēng)面積的變化都會使得作用在望遠鏡上的風(fēng)載變化很大。另一方面，望 遠鏡在跟蹤過程中還有加速度的變化，也使得驅(qū)動負載發(fā)生變化。
加壓電機通過滾珠絲桿螺母副和彈簧對主動輪施加的正壓力為N,若摩 擦副的摩擦系數(shù)為p,則摩擦副之間產(chǎn)生的切向摩擦力為F = Nxp。如果被 驅(qū)動負載的轉(zhuǎn)矩為M2，則當(dāng)FxR-M2時(R為從動輪旋轉(zhuǎn)半徑)，摩擦副能 夠正常的工作。此時主動輪上的轉(zhuǎn)矩M1可從力矩傳感器4獲得，從動輪的轉(zhuǎn) 矩M2可從力矩傳感器1獲得，且M2-AM1 U為傳動比)。如果從動輪負載在 運行過程中發(fā)生變化，不失一般性，以變大為例，變化之后的負載力矩為 M2 + AM,對于AM的考慮需要分兩種情況
第一種情況
當(dāng)負載的增大量AM不是很大，即主動輪仍然能夠帶動從動輪旋轉(zhuǎn)，但 此時摩擦副表面已有相對滑移。增大量AM的具體數(shù)值可從從動輪力矩傳感 器和主動輪力矩傳感器的比對中得到。AM對應(yīng)的正壓力變化量為AN, AN 大小為AM/( Rx^)。由此可得到絲桿螺母的線性運動量AL為AN/K，即 △M/( Rx^xK)， K為彈簧的彈力系數(shù)。AL的精確數(shù)值可通過加壓電機后面 的碼盤控制。至此，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)使得摩擦力矩和負載力矩得到了新的 平衡。
第二種情況
當(dāng)負載的增大量AM很大，摩擦力產(chǎn)生的驅(qū)動力矩完全不能帶動從動 輪，這時從從動輪力矩傳感器傳回來的數(shù)值為O，出現(xiàn)這種情況，以從力矩 傳感器4得到的力矩值M1作為AM去控制加壓驅(qū)動電機7工作(Ml為上次能
帶到從動輪轉(zhuǎn)動的力矩值)，完成這一循環(huán)后，如果從動輪力矩傳感器傳回來的數(shù)值仍為0，則再以M1作為AM繼續(xù)驅(qū)動電機工作， 一直這樣下去，直 到從動輪力矩傳感器反饋數(shù)值不為O。但即使從動輪力矩傳感器反饋數(shù)值不 為O,也不一定處于力矩平衡的最佳狀態(tài)，此時可以接著采用第一種情況的 控制模式進行迭代控制，直到摩擦力矩與負載力矩達到平衡。使得摩擦傳動 處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。通過以上分析，采用本發(fā)明動態(tài)修正系統(tǒng)，能夠?qū)崟r根據(jù)負載力矩的變 化而修正正壓力的大小，使得摩擦傳動始終工作在穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。修正的 精度取決于各種傳感器的精度、系統(tǒng)定標(biāo)和控制系統(tǒng)的精度。采用本發(fā)明的動態(tài)修正系統(tǒng)，能夠?qū)崟r根據(jù)負載力矩的變化情況而修正 正壓力的大小，避免了摩擦傳動系統(tǒng)的各個零部件始終工作在很大的載荷 下，降低了各個零部件的性能要求，進而大幅度降低了成本。另外，采用這 種動態(tài)修正系統(tǒng)，也能最大限度的避免摩擦傳動副表面的相互滑移，進而避 免了天文望遠鏡觀測目標(biāo)的像在視場中抖動，甚至漂移出視場。避免長時間 大載荷工作還消除了軸系的晃動，使得傳動性能更加穩(wěn)定。對于造價極高、 觀測時間非常寶貴的天文望遠鏡而言，具有非常重要的現(xiàn)實意義。


圖1為本發(fā)明工作原理示意圖。
具體實施方式
實施例l，望遠鏡滾動摩擦傳動正壓力動態(tài)修正系統(tǒng)，參照圖l:從動輪 2 (被驅(qū)動負載)與主動輪3在正壓力的作用下貼合在一起組成摩擦副。加壓 電機7通過滾珠絲桿螺母副6和彈簧5對主動輪施加正壓力N，在從動輪上設(shè)有
從動輪力矩傳感器l;在主動輪上設(shè)有主動輪力矩傳感器4;從動輪力矩傳感 器與主動輪力矩傳感器的實時輸出接控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡，采集卡采集的 實時數(shù)據(jù)經(jīng)過控制系統(tǒng)解算后，得到正壓力加壓電機所需的運動量，根據(jù)這 一運動量控制系統(tǒng)驅(qū)動加壓電機運動。加壓電機的運動情況由電機尾部的碼 盤進行反饋。加壓電機帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，與絲桿配的螺母由于旋轉(zhuǎn)自由度 被限制，所以只能作前后直線運動，前后運動作用于彈簧就使得通過彈簧作 用在主動輪上的正壓力增大或者減小，起到調(diào)節(jié)正壓力的作用。進而修正了 摩擦力矩，使得摩擦力矩與負載力矩相平衡，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
若摩擦副的摩擦系數(shù)為p，則摩擦副之間產(chǎn)生的切向摩擦力為F =Nxp。 驅(qū)動電機9帶動主動輪3旋轉(zhuǎn)，從動輪2在摩擦力F的作用下作同步旋轉(zhuǎn)。 如果被驅(qū)動負栽的轉(zhuǎn)矩為M2，則當(dāng)FxR = M2時(R為從動輪旋轉(zhuǎn)半徑)， 摩擦副能夠正常的工作。此時主動輪上的轉(zhuǎn)矩M1可從主動輪力矩傳感器4 獲得，從動輪的轉(zhuǎn)矩M2可從從動輪力矩傳感器1獲得，且M2-XM1 U為 傳動比)。
若摩擦副的摩擦系數(shù)為卜則摩擦副之間產(chǎn)生的切向摩擦力為F = Nxp。 驅(qū)動電機9帶動主動輪3旋轉(zhuǎn)，從動輪2在摩擦力F的作用下作同步旋轉(zhuǎn)。如果 被驅(qū)動負載的轉(zhuǎn)矩為M2，則當(dāng)FxR-M2時(R為從動輪旋轉(zhuǎn)半徑)，摩擦副 能夠正常的工作。此時主動輪上的轉(zhuǎn)矩M1可從力矩傳感器4獲得，從動輪的 轉(zhuǎn)矩M2可從力矩傳感器1獲得。圖中的10為從動輪位置編碼器。
權(quán)利要求
1.一種望遠鏡滾動摩擦傳動正壓力動態(tài)修正系統(tǒng)，從動輪與主動輪在正壓力的作用下貼合在一起組成摩擦副，加壓電機通過滾珠絲桿螺母副和彈簧對主動輪施加正壓力，其特征在于，設(shè)有正壓力控制機構(gòu)，該機構(gòu)中設(shè)有工控機，工控機上連接有數(shù)據(jù)采集卡；在從動輪上設(shè)有從動輪力矩傳感器；在主動輪上設(shè)有主動輪力矩傳感器；從動輪力矩傳感器與主動輪力矩傳感器的輸出接工控機的數(shù)據(jù)采集卡；設(shè)置在加壓電機上的碼盤的數(shù)據(jù)線接工控機的數(shù)據(jù)采集卡，采集的數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的望遠鏡滾動摩擦傳動正壓力動態(tài)修正系統(tǒng)， 其特征在于，所述的主動輪力矩傳感器和從動輪力矩傳感器的設(shè)置方式是
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的望遠鏡滾動摩擦傳動正壓力動態(tài)修正系統(tǒng)， 其特征在于，所述主動輪力矩傳感器的設(shè)置位置是設(shè)置在驅(qū)動電機和主動 輪連線的主動輪一側(cè)的延長線上；所述從動輪力矩傳感器的設(shè)置位置是設(shè)置在從動輪位置編碼器和從動 輪連線的從動輪一側(cè)的延長線上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的望遠鏡滾動摩擦傳動正壓力動態(tài)修 正系統(tǒng)，其特征在于，所述各部件的具體精度是實時檢測力矩的力矩傳感 器精度為5N.m、系統(tǒng)的定標(biāo)精度為2N.m、滾珠絲桿運動精度為5級、彈簧 彈性系數(shù)K的穩(wěn)定性優(yōu)于1%以及驅(qū)動電機后面的編碼器精度為5"。
全文摘要
望遠鏡滾動摩擦傳動正壓力動態(tài)修正系統(tǒng)，從動輪與主動輪組成摩擦副，加壓電機通過滾珠絲桿螺母副和彈簧對主動輪施加正壓力；特征是設(shè)有正壓力控制機構(gòu)，該機構(gòu)中設(shè)有工控機，工控機上連接有數(shù)據(jù)采集卡；在從動輪上設(shè)有從動輪力矩傳感器；在主動輪上設(shè)有主動輪力矩傳感器；從動輪力矩傳感器與主動輪力矩傳感器的輸出接工控機的數(shù)據(jù)采集卡；設(shè)置在加壓電機上的碼盤的數(shù)據(jù)線接工控機的數(shù)據(jù)采集卡，采集的數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。本發(fā)明能實時修正正壓力的大小，避免摩擦傳動系始終在大載荷下工作，降低了零部件性能要求，大幅度降低了成本；還避免了摩擦傳動副表面滑移，進而避免了視場抖動或漂移以及軸系的晃動，提高了穩(wěn)定性。
文檔編號G02B23/00GK101149470SQ20071013324
公開日2008年3月26日 申請日期2007年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月12日
發(fā)明者王國民 申請人:中國科學(xué)院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所