LAMOST并行可控式光纤定位系统定位单元及其控制技术研究

　　1　引言

　　大面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST-LargeSky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope)是实现“大口径大视场”要求的卧式装置的反射式施密特光学望远镜,它要求能够同时观察和记录4000个星体目标的光谱,这就要求在直径1.75m的球焦面上(球直径40m)同时放置4000个光纤头,每个光纤头上安装一根光纤接收星象。本研究小组提出的“并行可控式光纤定位系统”已被 LAMOST工程采用,在望远镜焦面处的球冠形焦面基板上按蜂窝状安装4000个光纤定位单元。

　　LAMOST要求观测时每个定位单元的光纤对准一个星象目标,观测一段时间后转换目标,需要重新定位,这就对定位系统提出两个基本要求:光纤能够准确定位于指定位置;转换目标时能够迅速地定位于新目标。基于上述两个要求,设计了光纤定位单元及其控制方案。

　　2　定位系统总体控制方案

　　根据光纤定位系统的要求:光纤头定位精度±40μm;光纤头重定位时间1~2min;半露天情况下工作;观测过程中,可以随时补偿各种因素引起的位置偏差。提出了如图1所示的定位系统总体控制方案。

　　望远镜主机下达观测天区及其它控制命令,接收观测完毕等状态信号。二级机是光纤定位系统的主体,主要功能有监控和数据转换与分配两部分。光纤定位单元控制机主要完成对光纤定位单元的驱动和控制功能。

　　在每次观测之前,二级机准备好观测数据给出各单元的观测坐标,并传给光纤定位单元控制机;当需要进行观测时,在光纤定位单元控制机的控制下,各光纤头向指定的坐标运动,完成光纤定位。

　　3　光纤定位单元结构

　　光纤定位单元是一个双回转装置,由中心回转机构和偏心回转机构两部分组成,如图2所示。中心回转、偏心回转机构的回转轴线互相平行,与焦面板垂直,光纤头端面始终在望远镜焦平面上运动,不会发生离焦现象,以保证光纤头能最大效率地接收星象光能光谱,保证较好的观测效率。中心回转、偏心回转机构分别由一个步进电机及其减速机构驱动。中心回转机构可以在±180°范围内转动,偏心回转机构可以在±90°范围内转动。上述中心回转机构及偏心回转机构中,为消除传动过程中出现的回程误差,以保证光纤运动中的位置精度,在传动机构中设置弹簧消除间隙机构。在传动机构中,还设计了机械自锁机构以保持光纤头位置。

　　4　光纤定位单元控制方案

　　每个光纤定位单元由两个步进电机驱动,4000个定位单元需要8000个电机。驱动回转装置的步进电机选用日本MITSUMI公司提供的的微型步进电机。步进电机的步距角为18°,脉冲当量为7.3μm,其驱动脉冲频率为800Hz.该电机在断电时具有一定的保持力矩,故有记忆能力,可以保证在完成定位后,电机断电而定位单元能够保持光纤头位置,从而满足定位的要求。