大型天文望遠(yuǎn)鏡主焦儀器支承調(diào)整的弱解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于大直徑長尺寸重載荷大型天文望遠(yuǎn)鏡主焦儀器支承調(diào)整的弱解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)。本發(fā)明為下面項(xiàng)目的研究成果:中國科學(xué)院天文專項(xiàng)項(xiàng)目:六自由度動態(tài)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)(C-97)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)天文望遠(yuǎn)鏡的主焦儀器應(yīng)用串聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行支承調(diào)整。這種串聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)基于提高結(jié)構(gòu)的剛性來滿足光學(xué)系統(tǒng)鏡面之間的相對位置誤差要求。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在一定范圍完全能滿足鏡面支撐的要求，但是存在結(jié)構(gòu)的比剛度小、不能動態(tài)補(bǔ)償調(diào)整的缺陷越來越不能滿足望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的發(fā)展需要。
[0003]隨著天文望遠(yuǎn)鏡新技術(shù)的發(fā)展，尤其是近年來主動光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，拼接鏡面主動光學(xué)技術(shù)在天文望遠(yuǎn)鏡中的成功應(yīng)用，使得天文望遠(yuǎn)鏡鏡面技術(shù)突破了鏡坯制造技術(shù)對鏡面尺寸的限制。制造有更大口徑、更強(qiáng)集光能力的天文望遠(yuǎn)鏡成為可能。
[0004]望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)尺寸的越來越大，對主焦儀器支承調(diào)整結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來很大挑戰(zhàn):
1、在比剛度小的傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡主焦儀器支承結(jié)構(gòu)上提高剛度的方法已越來越難以滿足鏡面位置定位要求。
[0005]2、隨著望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)尺寸的突破性發(fā)展，望遠(yuǎn)鏡主焦儀器的結(jié)構(gòu)重量成數(shù)量級增加，輕量化設(shè)計(jì)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。
[0006]天文望遠(yuǎn)鏡主焦儀器支承動態(tài)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)空間五維運(yùn)動，分別是X/Y/Z軸平移及X/Y旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動精度要求極高。使用傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，比剛度難以提尚。
[0007]基于Stewart機(jī)構(gòu)的六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)始于20世紀(jì)60年代Gough和Stewart的研究發(fā)明。最開始應(yīng)用于飛行模擬器的運(yùn)動產(chǎn)生裝置，經(jīng)過多年的發(fā)展目前已廣泛應(yīng)用于各種運(yùn)動模擬器、數(shù)控加工中心、生物工程、醫(yī)學(xué)工程及微加工等領(lǐng)域的微操作機(jī)器人、航天及天文望遠(yuǎn)鏡等領(lǐng)域。
[0008]傳統(tǒng)的六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及驅(qū)動特點(diǎn)造成其徑向承載能力遠(yuǎn)小于其軸向承載能力。由于桿長的變化，造成運(yùn)動過程中桿的剛度發(fā)生變化，由此引入可觀的剛度誤差。天文望遠(yuǎn)鏡主焦儀器需要在空間不同角度位置工作，在主焦儀器運(yùn)動空間內(nèi)需要承受等量的徑向、軸向載荷和傾覆力矩，需要穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)剛度。因此采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為天文望遠(yuǎn)鏡主焦儀器位置動態(tài)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，往往需要采用大結(jié)構(gòu)尺寸來滿足提高徑向、軸向和傾覆力矩承載能力，以及提高結(jié)構(gòu)剛性和穩(wěn)定性的需要。
[0009]望遠(yuǎn)鏡的主焦儀器的軸向尺寸一般都很大。主焦儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)重量在光軸方向的分布相對分散。當(dāng)使用傳統(tǒng)的六桿機(jī)構(gòu)支承主焦儀器時，主焦儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重力對六桿機(jī)構(gòu)動平臺的力矩即傾覆力矩隨著不同的望遠(yuǎn)鏡高度角而改變很大。傳統(tǒng)的六桿機(jī)構(gòu)動平臺的六個鉸鏈一般分布在同一個平面內(nèi)，承受傾覆力矩的能力現(xiàn)對不強(qiáng)，往往需要采用大結(jié)構(gòu)尺寸來滿足提高主焦儀器傾覆力矩承載能力。
[0010]傳統(tǒng)的六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)動平臺運(yùn)動學(xué)耦合的特性不利于系統(tǒng)的控制，有解耦特性的并聯(lián)機(jī)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)$父尚的穩(wěn)定性，快速性和準(zhǔn)確定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明提供一種弱解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于大型天文望遠(yuǎn)鏡的主焦儀器支承調(diào)整，可以解決傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)比剛度小、傳統(tǒng)六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)傾覆力矩承載能力小和動平臺運(yùn)動學(xué)耦合不利于系統(tǒng)控制的問題。
[0012]完成上述發(fā)明任務(wù)的技術(shù)方案是:一種用于大直徑長尺寸重載荷大型天文望遠(yuǎn)鏡主焦儀器支承調(diào)整的弱解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)，本主焦儀器支承調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)置在望遠(yuǎn)鏡機(jī)架與望遠(yuǎn)鏡主焦儀器之間，其特征在于:本主焦儀器支承調(diào)整機(jī)構(gòu)是設(shè)有三個平動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其中包括定平臺、動平臺、第一驅(qū)動桿、第二驅(qū)動桿、第三驅(qū)動桿、第四驅(qū)動桿、第五驅(qū)動桿、第六驅(qū)動桿、第七驅(qū)動桿和第八驅(qū)動桿；所述各驅(qū)動桿的兩端分別與所述的定平臺、動平臺連接，主焦儀器與動平臺相連接，望遠(yuǎn)鏡機(jī)架與定平臺相連。
[0013]本主焦儀器支承調(diào)整機(jī)構(gòu)具有弱解耦的運(yùn)動學(xué)特征:主焦儀器沿z軸的平動主要由所述第一驅(qū)動桿控制；主焦儀器沿X軸的平動主要由所述第四驅(qū)動桿、第六驅(qū)動桿控制；主焦儀器沿y軸的平動主要由所述第五驅(qū)動桿、第七驅(qū)動桿和第八驅(qū)動桿控制。
[0014]各驅(qū)動桿與大型天文望遠(yuǎn)鏡的控制系統(tǒng)連接，由該控制系統(tǒng)控制和驅(qū)動。
[0015]所述第一驅(qū)動桿、第四驅(qū)動桿、第五驅(qū)動桿、第六驅(qū)動桿、第七驅(qū)動桿和第八驅(qū)動桿為定位桿，通過定位桿的運(yùn)動可以讓主焦儀器進(jìn)行沿X、1、Z軸的平動和繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動。所述第二驅(qū)動桿和第三驅(qū)動桿為卸荷桿，控制系統(tǒng)根據(jù)望遠(yuǎn)鏡的高度角調(diào)整卸荷桿的桿力，令卸荷桿的桿力與望遠(yuǎn)鏡的高度角相關(guān)，起到降低第一驅(qū)動桿桿力到合適大小的作用。
[0016]所述第一驅(qū)動桿、第二驅(qū)動桿、第三驅(qū)動桿、第四驅(qū)動桿、第五驅(qū)動桿、第六驅(qū)動桿、第七驅(qū)動桿和第八驅(qū)動桿的運(yùn)動方式采用改變各驅(qū)動桿長度的方式。其中，所述驅(qū)動桿的驅(qū)動方式可采用滾珠絲杠驅(qū)動，消除滾珠絲杠與螺母之間的間隙?？刹捎脗鞲衅鞅O(jiān)測驅(qū)動桿長度的變化量。即，各驅(qū)動桿處分別設(shè)有位置傳感器或長度傳感器，各傳感器的輸出接大型天文望遠(yuǎn)鏡的控制系統(tǒng)。
[0017]各驅(qū)動桿與定平臺、動平臺的空間位置關(guān)系都以動平臺處于初始位置的狀態(tài)進(jìn)行描述:所述第一驅(qū)動桿、第二驅(qū)動桿和第三驅(qū)動桿相互平行且與主焦儀器光軸平行。所述第一驅(qū)動桿、第二驅(qū)動桿和第三驅(qū)動桿的兩端與定平臺、動平臺的連接點(diǎn)沿主焦儀器的周向均布，即:當(dāng)動平臺處于初始位置且主焦儀器位于水平位置時，所述第一驅(qū)動桿、第二驅(qū)動桿和第三驅(qū)動桿中的一個驅(qū)動桿位于主焦儀器的底部，另外兩個驅(qū)動桿位于主焦儀器的兩個側(cè)上方；三個驅(qū)動桿與動平臺的連接點(diǎn)與主焦儀器光軸的垂線互成120度夾角，三個驅(qū)動桿與定平臺的連接點(diǎn)與主焦儀器光軸的垂線互成120度夾角；在動平臺處于初始位置時，所述第一驅(qū)動桿、第二驅(qū)動桿和第三驅(qū)動桿長度相等，與動平臺、定平臺形成3個平行四邊形結(jié)構(gòu)。所述第四驅(qū)動桿、第五驅(qū)動桿、第六驅(qū)動桿、第七驅(qū)動桿和第八驅(qū)動桿布置在主焦儀器的切向。所述第四驅(qū)動桿和第五驅(qū)動桿為一組，垂直且所形成的平面與主焦儀器光軸垂直，布置在主焦儀器靠近主鏡的一端(前端面)；所述第六驅(qū)動桿、第七驅(qū)動桿和第八驅(qū)動桿為一組，所形成的平面與主焦儀器光軸垂直，布置在主焦儀器遠(yuǎn)離主鏡的一端(后端面)，所述第六驅(qū)動桿和第七驅(qū)動桿垂直，所述第八驅(qū)動桿和所述第七驅(qū)動桿垂直。所述第四驅(qū)動桿、第六驅(qū)動桿和第八驅(qū)動桿平行，所述第五驅(qū)動桿、第七驅(qū)動桿平行。所述第四驅(qū)動桿、第六驅(qū)動桿形成的平面與所述第五驅(qū)動桿、第七驅(qū)動桿形成的平面垂直。當(dāng)動平臺處于初始位置，所述第四驅(qū)動桿、第五驅(qū)動桿、第六驅(qū)動桿、第七驅(qū)動桿和第八驅(qū)動桿長度相等，所述第四驅(qū)動桿、第五驅(qū)動桿、第六驅(qū)動桿、第七驅(qū)動桿與動平臺、定平臺形成2個平行四邊形結(jié)構(gòu)。
[0018]本發(fā)明中驅(qū)動桿(桿件)、平臺與鉸鏈連接的一般方式是:所述第一驅(qū)動桿通過第I虎克鉸(或球面副)和定平臺連接，通過第2虎克鉸(或球面副)和動平臺連接，通過第一驅(qū)動桿的伸縮帶動動平臺運(yùn)動，主焦儀器沿z軸的平動主要由所述第一驅(qū)動桿控制；所述第二驅(qū)動桿通過第3虎克鉸(或球面副)和定平臺連接，通過第4虎克鉸(或球面副)和動平臺連接，控制系統(tǒng)根據(jù)望遠(yuǎn)鏡的高度角調(diào)整第二驅(qū)動桿的桿力，通過第二驅(qū)動桿的伸縮來調(diào)節(jié)桿力到對應(yīng)大??；所述第三驅(qū)動桿通過第5虎克鉸(或球面副)和定平臺連接，通過第6虎克鉸(或球面副)和動平臺連接，控制系統(tǒng)根據(jù)望遠(yuǎn)鏡的高度角調(diào)整第三驅(qū)動桿的桿力，通過第三驅(qū)動桿的伸縮來調(diào)節(jié)桿力到對應(yīng)大??；所述第四驅(qū)動桿通過第7虎克鉸(或球面副)和定平臺連接，通過第8虎克鉸(或球面副)和動平臺連接，通過第四驅(qū)動桿的伸縮帶動動平臺運(yùn)動；所述第五驅(qū)動桿通過第9虎克鉸(或球面副)和定平臺連接，通過第10虎克鉸(或球面副)和動平臺連接，通過第五驅(qū)動桿的伸縮帶動動平臺運(yùn)動；所述第六驅(qū)動桿通過第11虎克鉸(或球面副)和定平臺連接，通過第12虎克鉸(或球面副)和動平臺連接，通過第六驅(qū)動桿的伸縮帶動動平臺運(yùn)動，主焦儀器沿X軸的平動主要由所述第四驅(qū)動桿、第六驅(qū)動桿控制；所述第七驅(qū)動桿通過第13虎克鉸(或球面副)和定平臺連接，通過第14虎克鉸(或球面副)和動平臺連接，通過第七驅(qū)動桿的伸縮帶動動平臺運(yùn)動；所述第八驅(qū)動桿通過第15虎克鉸(或球面副)和定平臺連接，通過第16虎克鉸(或球面副)和動平臺連接，通過第八驅(qū)動桿的伸縮帶動動平臺運(yùn)動，主焦儀器沿y軸的平動主要由所述第五驅(qū)動桿、第七驅(qū)動桿和第八驅(qū)動桿控制。
[0019]各驅(qū)動桿在動平臺上的具體固定位置以動平臺處于初始位置且主焦儀器位于水平位置時的狀態(tài)進(jìn)行描述:所述第2虎克鉸(或球面副)在動平臺的安裝點(diǎn)位于主焦儀器靠近主鏡的端面(前端面)，具體在主