大型光学望远镜副镜位姿精调机构的优化设计

　　1　引　言

　　大型光学望远镜中主镜和副镜的相对位置和姿态有严格的要求。由于制造、安装、重力、传热和材料性质变化等原因,主副镜的相对位姿会发生改变,导致像质下降和像位置的漂移,因此,需要主动校正主副镜的相对位姿,将位姿偏差限定在许可精度范围内。

　　Gough-Stewart平台机构具有6个自由度、高精度、高刚度、高稳定性等优点,已应用在大型光学望远镜的主镜和副镜相对位姿调整中[1-4]。文献[5]根据精度、行程和带宽等要求对驱动支杆的伸缩比和关节部件的设计进行了分析,为保证支杆的运动精度,以减少驱动支杆的负载的最大值为目标,根据某些既定的结构参数,选取了机构的结构参数。文献[6]介绍了GTC望远镜副镜位姿精调机构中驱动器、柔性关节和锁紧部件等关键部件的设计。文献[7]讨论了位姿精调机构的性能要求。目前,介绍基于Gough-Stewart平台副镜位姿精调机构进行优化设计的文献很少。

　　本文针对大型光学望远镜的主镜与副镜的相对位姿的调整,按照运动精度准则和刚度等设计准则,构造了有约束统一目标函数,对副镜位姿精调机构(以下简称精调机构)的结构参数进行了优化。

　　2　精调机构的性能要求

　　以经典的卡塞格林望远镜系统为例来分析精调机构的性能要求[8]。经典的卡塞格林望远镜的主镜反射面是旋转抛物面,副镜反射面是旋转双曲面(见图1)。主副镜的相对位姿要求:

　　(1)位置要求:副镜的旋转双曲面的一个焦点与主镜的旋转抛物面的焦点重合;

　　(2)姿态要求:主镜的光轴与副镜的光轴重合。

　　对精调机构的性能要求:

　　(1)自由度要求:除去副镜绕自身光轴的转动外,副镜的其余5个自由度的运动均改变主副镜的相对位姿。要求精调机构具有至少5个自由度。

　　(2)行程要求:如前所述的扰动引起的位置误差和姿态误差的数量级分别为毫米级和角分级,要求精调机构的行程达到毫米级和角分级[1,7]。

　　(3)精度要求:成像质量对位姿精调的精度要求非常高,达到微米级和角秒级[1,7]。

　　(4)挡光面积要求:除去副镜及其支撑结构不可避免的发生挡光外,不允许精调机构挡光。

　　(5)速度要求:重力、传热和材料性质变化等原因引起的位姿变化速度是缓慢的。精调机构对调节速度不做特殊要求。

　　3　设计准则

　　Gough-Stewart平台机构由动平台、定平台和连接两平台的6根可伸缩的支杆组成,每根支杆的两端通过球铰或虎克铰与动平台和定平台铰接,具有6个自由度、高精度、高刚度、高稳定性等优点。