五自由度次镜调整机构的研究

　　在大口径光学望远镜系统中,主镜和次镜的相对位置和姿态对于高质量成像有着重要的影响.因此,一方面,在望远镜系统的装调过程中,需要将主、次镜的相对位姿调整到允许的误差之内;另一方面,在望远镜系统工作过程中,由于重力、温度、振动以及材料性质变化等原因,主、次镜的相对位姿会发生改变,导致像差产生和图像位置漂移[1],也需要采取适当的措施来校正主、次镜间的相对位姿,将位姿偏差限定在许可误差范围内.在大口径望远镜系统中,主镜的质量和体积相对较大,因此,常常将次镜设计成多自由度可以调整的机构.

　　大口径望远镜系统中,一般采用Stewart六杆机构对次镜进行多自由度调整.Stewart平台由6个驱动器和上下两个平台组成,通过6个驱动器伸缩长度的变化,实现上下两个平台之间六自由度的运动,具有高精度、高刚度、高稳定性等优点,在次镜调整中起到了较好的作用[2-6].但是, Stewart机构的六自由度间具有很强的耦合性,控制过程复杂,造价昂贵,在很大程度上限制了其广泛应用.

　　1　次镜调整机构性能要求

　　以Ritchey-Chretion(简称RC)反射望远镜为例来分析次镜调整机构的性能要求,RC反射望远镜主镜和次镜的反射面均为旋转双曲面,如图1所示.

　　次镜调整机构的性能要求主要有以下方面:

　　1)自由度要求:除去次镜绕自身光轴的转动外,其余5个自由度的运动都会改变主、次镜之间的相对位姿,因此,要求次镜调整机构至少具有5个自由度;

　　2)行程要求:为了满足主、次镜在装调和工作中的相对位姿,一般要求次镜调整机构的行程能够达到毫米级和角分级[3-6];

　　3)精度要求:高质量的成像对主、次镜之间的相对位姿要求非常高,精度要求达到微米级和角秒级[7];

　　4)遮拦面积要求:除去次镜本身及其支撑结构不可避免地发生遮拦外,尽可能地减小次镜调整机构遮拦,即要求次镜调整机构小型化。

　　2　五自由度次镜调整机构方案

　　次镜光轴相对于主镜光轴的位置和姿态误差包括沿Z轴方向的位移d、沿X,Y方向的横向偏移lx,ly和倾斜αx,αy[1],如图2.

　　根据次镜调整机构的性能要求,采用二维XY移动平台和三维Tip/Tilt/Focus平台组合的五维调整机构,其结构原理见图3.次镜组件通过螺钉与XY移动平台下面板连接,三维Tip/Tilt/Focus机构的动平台与XY移动平台上面板相连。

　　2.1　二维XY移动平台

　　二维XY移动平台的功能是实现次镜在X,Y方向的偏移调整,它由2个单向平移台成90°叠加在一起形成.

　　按照驱动类型,可以将移动平台分为手动和电动两大类,本文采用手动式移动平台(如图4).对于手动式移动平台,一般采用螺旋微动机构驱动,为提高螺旋微动机构的灵敏度,可以增大手轮或减小螺距.但由于手轮太大,将使机构的空间体积增大,操作不灵便;若螺距太小,则加工比较困难,使用时易磨损.而差动螺旋机构具有结构紧凑、螺距适中、能实现小位移运动、易加工、灵敏度高等特点,因此,该二维XY移动平台选用螺距差为0·1 mm的螺旋差动机构.二维XY移动平台在水平放置时能达到较好的性能,但在垂直放置时各项性能指标变化很大.通过综合考虑,选用滚柱轴承支撑,与球轴承相比,滚柱轴承具有承载能力大、刚性好、摩擦系数低、使用寿命长等优点,可以满足非常严格的技术指标要求.