极轴式望远镜光电跟踪架结构设计

　　0　引言

　　目前世界上现存的几十台5m以下的大、中型天文望远镜中,大多数都采用极轴式(赤道式)跟踪架结构。极轴式望远镜的最大优点是天体的视运动可以很容易地利用赤经轴的匀速转动来补偿[1]。在极轴式望远镜的视场中星体没有相对转动,也没有天顶盲区。其结构主要由赤纬和赤经两轴构成,赤经轴(极轴)平行于地球自转轴,赤纬轴与赤经轴垂直。极轴跟踪架原理示意图见图1。

　　现对笔者所在研究所最新研制的XX型极轴式望远镜光电跟踪架的结构设计进行论述。极轴式望远镜主要由光学系统、赤纬轴系统和赤经轴系统三大部分构成,见图2。其中赤纬轴绕W轴旋转;赤经轴绕J轴旋转,转角范围为±180°。

　　1　光学系统光机结构设计

　　光学系统采用主焦点式系统[2],由非球面主镜和校正镜组构成。光机结构如图3所示,采用独立整体式设计,可以单独加工、装调和检测,整体与赤纬轴的四通相连接。

　　主镜支撑结构分为底支撑、侧支撑、芯轴组件和防转组件等几部分。

　　底支撑结构如图4所示,用于主镜的轴向卸荷和限制轴向自由度;底支撑设计采用在天文望远镜中常用的Whiffle-Tree结构,构造出三点固定、九点浮动的支撑结构,每一个固定点通过球铰连接一个浮动支撑板,每一个浮动支撑板上有三个浮动支撑点,支撑点与主镜用胶粘接,对主镜进行轴向卸荷。

　　侧支撑结构如图5所示,其作用是要在保持主镜反射面面形精度的前提下对主镜进行有效的径向卸荷;沿主镜圆周均布设计六个侧支撑结构。每个侧支撑结构为一杠杆比例为1∶6的重锤卸荷机构,杠杆支点为一滚动式球面轴承。当主镜光轴指北极时,每个侧支撑机构对主镜支撑力为F,下半部的三个侧支撑对主镜产生推力,上半部的三个侧支撑对主镜产生拉力,三对推拉力正好平衡主镜重力。同时六个重锤可相互平衡因主镜旋转产生的附加力矩。

　　芯轴组件用于限制主镜径向自由度,且可承受部分主镜的径向载荷。防转组件与笔者所在研究所经纬仪中常用的防转薄膜类似,在主镜光轴方向刚度很差,但是在主镜绕其光轴的旋转方向的刚度很大,可有效限制主镜绕光轴的旋转自由度。

　　2　赤纬轴系统结构设计

　　赤纬轴用来承载光学系统,主要设计指标如下:轴系晃动≤6″(RMS);最大角速度为20°/s;最大角加速度为10°/s2;轴系谐振频率≥20Hz。

　　赤纬轴系统如图6所示,由左、右立柱、标准角接触球轴承、力矩电动机、测角元件、机械限位等部分组成。由于承载光学望远镜,轴系结构重量要尽量轻,以减少赤经轴系的载荷,所以立柱、四通和转盘等结构件采用高强度铸铝材料。由于赤纬轴系绕赤经轴旋转时既受径向力又受轴向力,且在不断变化,所以在结构上采用一对标准向心推力角接触球轴承(30°)作为支承。赤纬轴系采用双力矩电动机驱动,降低了扭转变形的影响,提高了耦合刚度[4]。