一种微位移促动器的设计和检测

　　1　引　言

　　在天文望远镜的设计制造过程中,为了降低成本和镜面制造、加工的难度,大型望远镜很多都采用拼接镜面主动光学技术,用小口径的子镜拼接成大口径的镜面,应用现代传感和控制技术,实现主动补偿以达到光学成像要求[1]。微位移促动器在拼接镜面主动光学技术中起到精度补偿作用。

　　大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)是我国目前在建的重大科学工程项目,等效通光口径4 m,视场5°。由Schmidt改正板、焦面机构和球面主镜3部分组成。其中Schmidt改正板由24块对角线长为1.1 m的六角形平面子镜拼接组成,球面主镜由37块对角线长为1.1 m的六角形球面子镜拼接组成。每块子镜背面都安装3个微位移促动器,通过调节微位移促动器使Schmidt改正板和球面主镜维持共焦状态,同时通过加力改变每一块Schmidt改正板子镜面形以校正象差[2]。要使这些镜面精确共焦,支撑并调节各子镜的微位移促动器必须能精确实现大负载条件下的高精度的精确定位。

　　2　设计原理和方案遴选

　　微位移促动器在拼接镜面主动光学技术中作为定位支撑和调节机构,必须同时具有大行程、高精度和大负载的性能。而在实际的工程应用中大行程和高精度是难以兼顾的,通常采用以下方式解决这一矛盾[3]:

　　(1)粗2精平台相结合(macro2micro)的方式精位移平台放置在粗位移平台上面,进行精度补偿。驱动时采用分阶段交互控制的方法。该方案的优点在于可实现较大范围的运动而不受驱动器的限制,但结构臃肿复杂,且由于系统自由度的增加使成本大为提高。

　　(2)移动式驱动系统目前常见的移动式驱动结构主要是两大类:一类是基于“尺蠖(inchworm)原理”,另一类是基于“粘滑(stick2slip)效应”。理论上这两者都可实现无限大的工作行程,若采用压电马达,其运动分辨率均可达到纳米级[4]。但是目前这类产品尚未商品化,很大程度上需要自己开发,价格偏高,控制系统也比较复杂。

　　(3)在驱动器与执行器之间采用具有运动缩放功能的机构(可通称为运放机构)这种缩放机构又分两种情况:一种是采用压电类驱动器+运动放大机构;另一种是采用普通电机+运动缩小机构。

　　相对于前两种方式,第三种方式成本最低,控制最为简单,工程上也最容易实现。压电元件+运动放大机构虽然具有结构紧凑、运动分辨率高(从理论上说可以达到无限小)、响应快、输出力大、无机械损耗、无磁场、无污染等优点,但输出位移范围小始终是它的致命弱点[5]。因此本微位移机构采用普通电机+运动缩小机构来实现高精度、大负载、大行程的技术要求。尽管机械传动式微位移机构存在间隙、传动误差、摩擦损耗以及爬行现象等缺陷,导致其运动灵敏度低[6]。但是,机械式位移促动器可以兼顾大行程、大负载能力,通过对传动链的精度补偿,提高精度,仍然可以作为基于大行程微位移机构的驱动元件。就采用拼接镜面主动光学的望远镜来看,应用机械式微位移促动器机构加高精度缩放装置已有成功的范例,比如美国的10 mKeck望远镜[7]采用了减速器丝杆型式的微位移促动器加一级精密液压缩放机构;美国9 m HET望远镜[8]采用了减速器丝杆型式的微位移促动器加一级精密杠杆缩放机构。