主动光学系统力促动器的设计和测试

　　1　引　言

　　随着现代天文技术的不断发展，对成像能力的要求越来越高，望远镜的口径也随之越来越大。传统的主镜由于其质量、造价以及支撑难度等的急剧增加已经不能满足要求，因此在望远镜的研制过程中发展了主动光学技术并逐渐成熟，薄镜面主动光学就是其中的一部分。在薄镜面主动光学中，薄主镜是主动光学系统中的一个重要组成部分。力促动器是校正镜面的执行机构，输出量为支撑的作用力，它的排列数量、分布情况和装卡定位方式等因素影响镜面面形的控制和校正能力[1]，主要用于实现支撑反射镜的重力、校正风载等外力和加工误差对面形的影响[2]。

　　力促动器要求能够实现极微弱的输出量的改变，而且精度高。当外界条件变化时输出量应该保持恒定，不受外界条件的影响。另外，力促动器还具有运动平滑、线性度好、重复性高和响应速度快等特点[3]。常见的结构形式有：(1)电机+配重块+杠杆。如日本8mSUBARU望远镜通过电机调节配重块在杠杆的位置实现主动支撑[4];(2)电机+滚珠丝杠+弹簧，如4.1mSOAR望远镜采用的力促动器，它通过步进电机/谐波减速箱驱动螺母丝杠实现输出力的变化，使输出力达到±440N，力输出精度为0.13N[5];(3)压力式支撑，包括液压支撑和气压支撑，如美国3.67m AEOS使用的是84点主动支撑，促动器为液压和丝杠的组合结构[6]，3.5m APO为78点气压支撑，分3个区域控制[7]。目前，随着技术的发展国内也开始使用压电陶瓷驱动的新型力促动器。

　　本文首先对各类力促动器结构形式进行比较，然后根据项目需求对其进行设计，并分析了机构存在的误差，最后对设计的力促动器进行了实验验证。

　　2　设计方案

　　力促动器在薄镜面主动光学技术中作为定位支撑和控制机构，必须具有高精度的性能。常见结构形式优缺点比较如下：

　　配重块式结构所产生的浮力正好随镜面的高度角呈正弦变化，所以这种结构一般不需要附加调节机构，但是需要考虑配重块对整个主镜系统大小、结构模态、方位俯仰驱动和轴承等的影响，摩擦力是杠杆结构误差的主要问题。

　　压力式支撑需要压力调节器保证压力随镜面高度角的正弦变化，结构和控制都比较复杂。对于液压结构，液体的泄漏会对周围的元器件尤其是主镜造成污染。

　　压电陶瓷驱动力促动器刚度大、精度高，但是行程小，只有十几到几十微米，微小的剪切力都会导致结构的破坏，而且工作电压达到几十甚至上百伏，价格也比较贵。

　　电机+丝杠结构，此类促动器结构简单，影响刚度的主要因素是丝杠螺母刚度和电机连接刚度。在薄镜面主动光学望远镜中，应用此种结构形式的力促动器已有成功的范例。