大型天文望远镜高精度摩擦传动的研究

　　1　引　言

　　天文望远镜是天文学家用来观测天空星体、探索宇宙奥秘的重要仪器。不但要有好的光学系统,而且要有高精度的传动系统对所观测的目标进行跟踪,取 得有关被观测目标的信息。而天文望远镜大多是工作在低速状态。因此,平滑稳定的低速高精度传动系统对大型天文望远镜显得非常重要。LAMOST是我国目前 在建的大科学工程项目,是一架通光口径4 m、视场5°的大型天文望远镜[1]。其高度轴、方位轴和像场旋转驱动均采用摩擦传动[2]。摩擦传动在国外天文望远镜上已有应用[3-6]。在我国精密 机械和精密仪器领域也有研究[7-10],理想的摩擦传动主、从动轮旋转轴线在空间是平行的,但由于安装等原因两旋转轴线在空间存在扭转角。这一扭转角的 存在会产生类似于扭轮摩擦传动的运动[11-13],但由于摩擦传动主、从动轮的支撑是刚性连接的,因此,在运动过程中会出现抖动现象,从而影响传动精 度。这一问题在国外大型望远镜跟踪过程中时有发生。为此,LAMOST项目组织了摩擦传动中间试验,对摩擦传动的低速特性进行研究。针对扭转角问题,本文 提出了一种用于检测和调整两旋转轴线扭转角机构。并通过摩擦传动试验进行验证。本文对这一机构和相关实验进行了介绍,同时对影响传动精度的主要因素进行了 分析。

　　2　摩擦传动原理及机构介绍

　　2.1　外圆摩擦传动原理

　　摩擦传动实验的原理图如图1所示。驱动电机通过减速器驱动主动轮,主动轮在加力机构的作用下,通过主、从动轮之间的摩擦力带动从动轮。系统中配有控制系统的反馈元件:测速电机用于速度环反馈和高精度光学增量式码盘用于位置环反馈。图2是中间实验装置照片。

　　2.2　光学检测、调整机构

　　理想摩擦传动的主、从动轮旋转轴线在空间应该是平行的。但由于安装等原因它们在空间存在夹角。夹角示意图如图3所示。主、从动轮旋转轴线在径向 的夹角β称之为倾斜角,在切向的夹角θ称之为扭转角。扭转角的存在会引起传动系统发生突跳,从而影响传动精度。倾斜角的存在影响接触面积,对打滑率产生影 响,也会影响传动刚度[10]。

　　为了克服倾斜角,本文实验装置中主动轮用65 Mn钢制成的弹性板支撑,如图5所示。钢板法向刚度为32.5 Kg/mm。切向刚度为1.85×Kg/mm。因此,在足够大的正压力作用下,由于弹性支撑板在摩擦轮径向的弹性变形,使得主、从动轮在径向能够很好地帖合,即倾斜角β接近于零。

　　对于扭转角,本文提出了如图4所示的光学检测机构。主、从动轮上同轴安装有平面反射镜,在主、从动轮上方安装高精度的滚动导轨副。导轨要严格通 过主、从动轮旋转中心。导轨滑块上装有45°反射镜,导轨滑块在驱动机构的作用下作往复运动。沿着导轨方向安放自准直仪,自准直仪点光源发出的光通过 45°反射镜、主从动轮的平面镜反射后在自准直仪中成自准直像。通过比较主、从动轮的自准直像可检测出它们相应旋转轴线的扭转角。自准直仪分辨率为4″, 通过此装置检测出的角度误差在30″以内。检测出夹角后,再通过调整机构进行调整。