用于天文望遠(yuǎn)鏡副鏡位置控制的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種精確的鏡面位置調(diào)整裝置，具體涉及一種高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。主要應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡副鏡位置的調(diào)整。
【背景技術(shù)】
[0002]天文望遠(yuǎn)鏡在裝調(diào)和觀測(cè)過程中，主副鏡相對(duì)位置的變化需要通過五自由度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，目前一般采用傳統(tǒng)的五自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)或采用“六桿機(jī)構(gòu)”。傳統(tǒng)的五自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一般由一個(gè)帶球頭的中心軸與鏡面相連，鏡面在中心軸的球頭端可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，鏡面以球頭為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)，由三個(gè)電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)鏡面的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。同時(shí)，由于中心軸為一精密花鍵結(jié)構(gòu)，從而限制鏡面相對(duì)其軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，即鏡面不具備繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。中心軸的另一端為滾珠絲桿結(jié)構(gòu)，通過電機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)鏡面的軸向平動(dòng)(Z向)，而其余的兩個(gè)平動(dòng)自由度(Χ、γ向)通過兩個(gè)電機(jī)與直線導(dǎo)軌組合進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)副鏡系統(tǒng)的五維調(diào)節(jié)功能。傳統(tǒng)五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是:其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸較大，從承載能力與其自身質(zhì)量的比值來看，其值相對(duì)較小，即相對(duì)承載能力較小?！傲鶙U機(jī)構(gòu)”是一種典型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，一般情況下由上、下平臺(tái)以及連接上、下平臺(tái)的桿組成。上平臺(tái)為末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，稱為動(dòng)平臺(tái)，下平臺(tái)固定不動(dòng)，稱為定平臺(tái)?！傲鶙U機(jī)構(gòu)”由六根(或四根或三根等)桿通過球鉸、球銷鉸、虎克鉸或其它特別設(shè)計(jì)的聯(lián)接副與動(dòng)平臺(tái)(或主軸頭部件)和定平臺(tái)相聯(lián)，組成剛度很高的框架結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是:其控制較為復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)任一自由度的運(yùn)動(dòng)均要通過六桿的協(xié)調(diào)工作，對(duì)每根桿運(yùn)動(dòng)行程及速度的計(jì)算要求非常高。因此，運(yùn)動(dòng)中的微小誤差均可能導(dǎo)致機(jī)構(gòu)卡死。目前，美國(guó)PI公司所生產(chǎn)的六桿機(jī)構(gòu)價(jià)格極其昂貴，而中國(guó)自行研制的六桿機(jī)構(gòu)技術(shù)還不十分成熟。
[0003]望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)零件在加工及安裝過程中所累積的誤差會(huì)引起望遠(yuǎn)鏡主鏡及副鏡相對(duì)位置偏差，從而影響望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量，在望遠(yuǎn)鏡裝調(diào)過程中，如副鏡與主鏡的光軸不重合，將會(huì)在成像時(shí)產(chǎn)生慧差，而副鏡與主鏡間軸向距離誤差將會(huì)使望遠(yuǎn)鏡成像時(shí)存在較大的球差。天文望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)跟蹤星體時(shí)，在重力作用下，鏡筒隨高度角的變化發(fā)生有規(guī)律的變形，引起主副鏡相對(duì)位置的變化，同樣會(huì)造成光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量變差，并影響望遠(yuǎn)鏡的指向和跟蹤精度。因此，副鏡支撐系統(tǒng)應(yīng)具備五自由度的調(diào)節(jié)功能，即三個(gè)平動(dòng)自由度和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。調(diào)整副鏡空間位置，使其光軸與主鏡重合，同時(shí)保證副鏡與主鏡間的相對(duì)距離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是提供一種用于天文望遠(yuǎn)鏡副鏡位置控制的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過一套簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天文望遠(yuǎn)鏡副鏡位置五維調(diào)節(jié)功能，本發(fā)明能夠克服傳統(tǒng)五維調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的不足，又能夠避免傳統(tǒng)“六桿機(jī)構(gòu)”控制難度高、產(chǎn)品技術(shù)尚不成熟、價(jià)格較高等不足;本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鏡面在各自由度方向上的調(diào)節(jié)過程中不會(huì)出現(xiàn)間隙或空回現(xiàn)象。對(duì)天文望遠(yuǎn)鏡副鏡位置能夠進(jìn)行高精度的控制。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種用于天文望遠(yuǎn)鏡副鏡位置控制的高精度五維調(diào)機(jī)構(gòu)，其特征在于，自下而上地設(shè)有:底板1、底板I1、底板III;其中底板I與望遠(yuǎn)鏡機(jī)架相連，所述底板I與底板II之間，由一組X向彈性片固定聯(lián)接，并設(shè)有X向直線電機(jī);所述底板II與底板III之間，由一組Y向彈性片固定聯(lián)接，并設(shè)有Y向直線電機(jī);所述底板III的上面通過位移促動(dòng)器1、位移促動(dòng)器II與位移促動(dòng)器III設(shè)置有鏡面安裝板(頂板)；望遠(yuǎn)鏡的副鏡安裝在該鏡面安裝板(頂板)上。
[0006]以上方案中，所述的“X向彈性片”是指，該組彈性片的厚度方向?yàn)閄向；同樣，所述的“Y向彈性片”是指，該組彈性片的厚度方向?yàn)閅向。
[0007]所述X向彈性片或Y向彈性片一般為四片或更多構(gòu)成一組，在實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)支撐的同時(shí)，利用彈性片在厚度方向上剛度較小，而在其他自由度方向上剛度較高的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)鏡面沿徑向的平動(dòng)。所述的鏡面徑向平動(dòng)是利用了彈性板沿厚度方向上的彎曲變形。
[0008]所述同一組彈性片尺寸完全相同，安裝時(shí)各彈性片互相平行。用一組彈性片實(shí)現(xiàn)直線導(dǎo)軌的功能;所述彈性片其在長(zhǎng)度方向上的尺寸遠(yuǎn)大于其厚度。
[0009]所述的鏡面安裝板(頂板)，可以采用三角形，位移促動(dòng)器1、位移促動(dòng)器II與位移促動(dòng)器III分別設(shè)置在三個(gè)角上。
[0010]以上方案的進(jìn)一步改進(jìn)，可以在所述底板III的上面通過三個(gè)彈性鋼板連接桿固定一片薄型彈性鋼板;該薄型彈性鋼板設(shè)置在所述鏡面安裝板(頂板)的下面;所述的薄型彈性鋼板安裝方向與鏡面軸向垂直，限制鏡面繞其軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)，但對(duì)鏡面在其余自由度方向的限制很小。所述的薄型彈性鋼板可以控制鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心在該薄型彈性鋼板上。
[0011]換個(gè)角度說:本發(fā)明用于天文望遠(yuǎn)鏡副鏡位置控制的高精度五維調(diào)機(jī)構(gòu)，該五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)底板與望遠(yuǎn)鏡機(jī)架相連，頂板用于望遠(yuǎn)鏡副鏡的安裝。所述的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鏡面沿徑向的平動(dòng)(包括X向、Y向)是通過彈性片沿厚度方向上的彎曲變形完成;所述的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鏡面沿軸向的平動(dòng)自由度(Z向)是通過調(diào)整三個(gè)位移促動(dòng)器同步工作完成;所述的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鏡面的兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)及繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng))也是通過三個(gè)位移促動(dòng)器協(xié)調(diào)工作進(jìn)行;所述的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)利用薄型彈性鋼板限制鏡面繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0012]所述的用于天文望遠(yuǎn)鏡副鏡位置控制的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，主要由兩組彈性片、兩個(gè)直線電機(jī)、三個(gè)微位移促動(dòng)器、一個(gè)薄型彈性鋼板及其他結(jié)構(gòu)件組成。
[0013]所述的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)沿鏡面徑向(X向或Y向)位置調(diào)整由一個(gè)高精度直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得在該方向上的一組彈性片沿其厚度方向上產(chǎn)生彎曲變形；
所述的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)沿鏡面徑向(X向或Y向)位置調(diào)整利用了彈性片在材料屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，彎曲變形較大的特點(diǎn)；
所述的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)沿鏡面徑向(X向或Y向)的位置調(diào)整時(shí)，利用彈性片在其厚度方向上的剛度較低，而在彈性片寬度方向上剛性較高，從而實(shí)現(xiàn)鏡面僅在彈性片厚度方向上產(chǎn)生位移，而其余平動(dòng)自由度方向上影響較小；
所述的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)鏡面沿軸向(Z向)移動(dòng)或繞徑向轉(zhuǎn)動(dòng)(繞X軸或繞Y軸)由三個(gè)位移促動(dòng)器協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)；
所述的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，為防止鏡面繞其軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，由一薄型彈性鋼板固定。
[0014]本發(fā)明是一種用于天文望遠(yuǎn)鏡副鏡位置控制的高精度五維調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，其方案有以下技術(shù)關(guān)鍵:
1.所述的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鏡面沿徑向(X向或Y向)的位置調(diào)整時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)件間連接采用一組彈性片，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)；
2.所述的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，鏡面沿徑向(X向或Y向)調(diào)整時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)件間連接彈性片安裝應(yīng)相互平行，同一組彈性片中各彈性片的變形完全相同；
3.所述的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)沿鏡面軸向(Z向)移動(dòng)或繞徑向(繞X軸或繞Y軸)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由三個(gè)高精度位移促動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)；
4.所述的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)沿鏡面軸向(Z向)移動(dòng)或繞徑向(繞X軸或繞Y軸)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)件間的連接增加一個(gè)薄型彈性鋼板，該薄型彈性鋼板可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動(dòng)球頭和花鍵結(jié)構(gòu)的功能。
[0015]本發(fā)明的特點(diǎn)是:
1.所述的高精度五維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鏡面徑向(X向或Y向)平動(dòng)時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)件采用彈性片進(jìn)行連接，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，使得其結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，同時(shí)實(shí)現(xiàn)連接的無間隙、無需潤(rùn)滑、無相對(duì)滑動(dòng)的摩擦力等，更可實(shí)現(xiàn)在空間望遠(yuǎn)鏡上的應(yīng)用；
2.所述的高精