【2017年整理】50公分望远镜机械结构设计

【2017年整理】50公分望远镜机械结构设计 50公分望远镜机械结构设计 郑锋华 一. 望远镜的技术指标: 1. 光学系统: (1)主光路: 光学类型:卡塞格林系统 有效口径:50mm 卡焦焦比:1/10 视 场:2ω=40′(80%能量集中在1〞内) 面形精度:λ/16(rms) (3)寻星镜: 光学类型:折射双分离 有效口径:100mm 焦 比:1/7 视 场:2ω=1? 2. 机械系统: (1) 结构形式:赤道叉式 (2) 极轴调整范围:?1º (3) 赤经、赤纬轴转速: 快动:?60º/分 慢动:?3º/分 第 1 页 共 11 页 恒动:15′/分 微动:?5′/分 (4) 跟踪精度:2‰ (5) 指向精度(重复精度):?30″ 二. 望远镜的结构设计: (一)望远镜的基座设计: 图1 基座外形 该类型常用于科研仪器，以往我公司出厂的赤道叉式望远镜基本是这种类型。此基座有一明显优点，极轴可做的较长，能够明显地提高运转的稳定性。并且从外观上看，外形美观、全封闭，防尘性能良好，基座整体刚性、强度及稳定性都非常出色。 (二) 望远镜的传动设计: 1. 驱动电机: 第 2 页 共 11 页 赤经赤纬均选用BSHB3910-H三相混合式步进电机驱动(峰值力矩4.0Nm)，工作在4000步/转的细分状态，步进电机对应的望远镜步进当量为0.1”/步。负责快、慢、微、恒的运动。 2. 传动系统: 采用蜗轮副传动，总传动比i=3240。赤经赤纬均采用两级蜗轮蜗杆传动、初级蜗轮蜗杆参数相同，而末级参数略有不相同，末级大蜗轮均采用剖分蜗轮消隙。 3. 传动参数: 蜗轮 模数 蜗杆系数 齿数 赤经末级蜗轮: M=2 Z=270 赤经末级蜗杆: M=2 Q=25.5 Z=1 赤纬末级蜗轮: M=1.5 Z=270 赤纬末级蜗杆: M=1.5 Q=34 Z=1 初级蜗轮: M=1.75 Z=24 初级蜗杆: M=1.75 Q=14 Z=2 4. 位置检测元件: 在赤经赤纬大蜗杆上装有一个YGN-612-1200的增量式光栅码盘，其最终分辨率为1"，以作为自动找星时的位置检测装置。 5. 赤经轴系: 选用一只φ240×φ360×56型号7048的大角接触轴承放置于极轴的北端，一只φ140×φ250×42型号7228AC的小角接触轴承放置于极轴的南端，两只角接触轴承组合来平衡赤经的径向及轴向力。极 第 3 页 共 11 页 轴北端轴承为主要受力端，因此轴承与极轴采用过盈配合，以使极轴在转动时不在轴承中摆动，从而提高了轴承的转动精度，同时由于轴承承受了预紧力，因而增强了轴承的强度及刚度。在极轴的南端，轴承与极轴采用过渡配合，实配间隙在0.02-0.03mm之间以使轴承与极轴能有效移动，从而给极轴使加拉力以增强极轴的机械性能。 赤经轴系 赤纬轴系 图2 轴系配置方案图 6. 赤纬轴系: 由于纬轴在空间翻转，纬轴轴承承受镜筒重力的大小和方向都在变化，随赤经轴的位置不同而不同。因此在设计中应注意纬轴的串动，提高轴承的支承刚度。叉式望远镜是双支点的，为防轴承的间隙出现，两个支点的轴承都需要单独地加预紧力。因此选用一对普通的角接触轴承。 (三)望远镜的镜筒设计: 按功能设置两个镜筒，即主镜筒、寻星镜筒。 第 4 页 共 11 页 1. 主镜筒: 主镜筒为全封闭薄壁结构，其特点是结构简单，内部清洁(防灰、水)，防杂散光。 图3 镜筒图 图4 主镜支撑图 第 5 页 共 11 页 主镜的定位采用了中心球头定位方式，底支承为9点翘翘板结构，侧支承为六点温度可补偿、可调式抱紧结构，如图4所示。采用有限元计算求解最佳支撑位置，如下图所示。 反射面的Z方向P-V=0.025um，RMS=0.0142um，以λ,0.6um计算，则面形精度RMS小于1/40λ,P-V小于1/10λ。 图5 最佳支撑位置处主镜变形图 付镜采用三翼梁式中心支承结构，其特点是:具有较高的结构稳定性，通光效率大及结构简单，易于制造和装配。但随着望远镜的口径的增大，其支承梁片也加长，同时付镜的重量也增大，其结构的稳定性将受到影响。付镜设有电动调节系统，可进行平移、倾斜和前后的调节动作，便于光学调整。 终端设有不同放大倍率的目视接口、CCD连接接口、照相机连 第 6 页 共 11 页 接接口和棱镜光谱接口。主镜盖手动。 图6 付镜支撑机构图 2. 寻星镜: 寻星镜也选用公司现有的双分离消色差折射镜筒，有效口径为100mm，焦距为692.45mm。该镜筒的末端接口形式与主镜筒相同，以便接收器互换。 (四)望远镜的叉臂设计: 在设计上有意识地增大叉臂的抗弯截面模数(并减轻重量)，使总变形量减小。为减小不均匀性变形产生的附加力，应注意结构设计的对称性(对称开孔、对称加筋)使不等变形量减小。此外，纬轴轴承系统刚度也应加强，减小外载荷作用下的变形，以保持摩擦恒定。 第 7 页 共 11 页 在图7中显示了叉臂的内筋板的布置图，图8所示叉臂在转动90?时，即叉臂处最危险情况下的受力变形图。 图7 叉臂剖视图 第 8 页 共 11 页 图8 叉臂有限元计算变形图 图9 总体振型图 -5叉臂最大变形为8.124×10m，转换成角度变形为16"，满足设计任务中30"的指向精度的要求。而图9所示总体振型图，一阶频率为36Hz，也可满足电机振动和风振情况下的抗共振性。 (五)望远镜的高度、方位调整设计: 1. 望远镜支承在三根梯形螺杆上并实现高度调节，如图10所示。 第 9 页 共 11 页 图10 高度调节机构图 2. 方位调节 由左、右两套推顶装置组成其望远镜的方位调节机构，如图11所示。 图11 方位调节机构图 审核: 批准: 南京中科天文仪器有限公司研发中心 第 10 页 共 11 页 第 11 页 共 11 页