望遠鏡鏡筒結構設計論文

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1望遠鏡鏡筒的結構設計

1.1鏡筒的總體結構設計

鏡筒是一架望遠鏡的關鍵零件，其功能是裝載光學零件，并保證赤緯軸轉動時光軸的穩定程度。望遠鏡鏡筒的機械結構設計的主要目的是支撐和固定主鏡、非球面改正板、焦面機構等裝置，要求其在不同姿態時能夠保證主、非球面改正板的面形改變最小，遮擋最少，鏡筒的結構盡量的輕量化，具有較強的剛度，并在各個姿態的剛度保證一致。在南極極低溫條件下，為了防止主鏡內部結霜，需要對鏡筒進行密封處理。由于該望遠鏡在國內裝調，溫度在（-10~40）℃之間，而使用的南極冰穹A處最低溫度為-80℃，最高和最低溫度有110℃的溫差，為防止裝調和使用時鏡筒尺寸變化過大導致光學部件的位置相差過大，采用了極低熱膨脹系數的殷鋼的桁架桿連接主鏡和副鏡，并且有一套低溫補償機構防止主副鏡的位置由于溫度的變化而發生變化，當溫度發生變化而導致材料收縮時，通過彈性元件的變形可以彌補材料的收縮量。

1.2主鏡系統的結構設計

南極巡天望遠鏡主鏡的支撐通過膠接在主鏡背面的因鋼墊和主鏡相連，要承擔主鏡沿光軸方向上的重力分量，主鏡支撐結構。主鏡支撐應具備以下功能：

（1）位置精確，提供準確、恒定的支撐力；

（2）自重輕、結構牢靠、便于維護；

（3）能允許結構本身的溫度膨脹和小的裝配誤差；

（4）軸向剛度好，兼具軸向定位的作用，同時不能承擔側向力；

（5）具有一定的抗震性能。大口徑的鏡面支撐一直是望遠鏡機械設計的主要任務之一。通常情況下望遠鏡的鏡面支撐主要包括軸向支撐和側向支撐兩種情況，鏡面支撐又可以分為固定支撐和浮動支撐前者主要起定位作用而后者起卸荷作用。多年來已發展比較成熟的支撐方法有杠桿平衡重、蹺蹺板、氣墊或液墊、水銀帶，等。為了運輸的安全可靠，望遠鏡主鏡設計的徑厚比較大。在南極低溫的條件下，水銀帶已經成為了固態的物體，因此無法用水銀帶的方法進行側支撐。由于該主鏡的徑厚比較大，單獨靠中孔的球頭定位支撐系統在鏡筒水平的極限情況下仍然可以使面形變化較少。南極巡天望遠鏡采用了蹺蹺板（Whiffletree）的機械浮動支撐結構，該結構由一系列浮動板或杠桿構成。它們中的每一個可將一個支撐點轉化為3個支撐點。由于制造的地點和南極的溫度相差過大，為了防止主鏡的支撐位置有所變化，機械浮動支撐的9個點，以及定位主鏡中孔的軸都使用了溫度膨脹系數極低的材料制造，保證在低溫狀態下主鏡結構不發生大的變化。為了消除溫度對支撐的影響，消除溫度變化下主鏡與支撐之間的相對運動，減小因支撐引起的主鏡面形的變化，應對傳統的主鏡支撐結構進行設計優化和改造，設計一種能夠提供在主鏡徑向方向上有自由度，同時在溫度變化時對主鏡產生盡量小的附加力的主鏡底部支撐結構。在材料的選擇上，與鏡面接觸的零件如中孔位置和子鏡背面的墊塊，為了防止由于溫度變化而產生熱應力影響子鏡的面型，采用了熱膨脹系數小的殷鋼材料。

1.3主鏡室靜力學分析

結構靜力學分析用于確定加載結構的位移、應力、應變及反力，在分析時，忽略慣性和阻尼作用的影響，假設結構加載及響應時間隨時間變化緩慢。望遠鏡在垂直狀態下所受到的軸向壓力最大，因此主鏡支撐系統受到的壓力和變形量也最大，對望遠鏡主鏡部分垂直狀態下的靜力學進行分析可以校驗望遠鏡主鏡支撐系統設計的合理性。主鏡系統應力云圖，看出在垂直狀態下，主鏡受到的機械浮動支撐（whilffletree）結構帶來的最大應力為0.425MPa，位置位于在內圓附近的殷鋼墊支撐點上，該數值遠遠小于鏡面的許用應力，因此該支撐機構對主鏡是安全。主鏡面形變化圖。鏡面面形的PV值為43.7nm，RMS值為7.2nm。該數值符合主鏡設計的機械要求。2.5焦面改正鏡組機構的設計副鏡機構采用偏心的四翼薄葉片固定在副鏡圈上，以減小擋光，并有一定抗扭剛度和較高抗彎剛度。由于在南極DOMEA地區有接近110℃的溫差，為了保證望遠鏡能在不同的溫度下都能正常工作，需要引入焦面移動機構對副鏡的位置進行調整，使得CCD能根據氣溫的變化進行位置的動態調節，保證CCD的像質不隨溫度的變化而變化。調整機構由直線導軌和直線驅動機構兩部分組成，導軌采用滾珠導軌以防止微動時的爬行出現，直線驅動結構的靈敏度在0.5μ左右，可保證調焦精度優于0.01mm。

2鏡筒模態分析

模態分析是研究結構動力特性一種近代方法，是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。在減振設計中，對結構進行模態分析可以找出結構的固有頻率以及最容易發生共振的位置，并對該位置進行特殊有效的防護，以保證結構的安全。對于鏡筒的結構，主要采用的是板殼單元（shell）進行模擬分析，將鏡筒與軸系的連接處設置為只允許繞鏡筒法向方向旋轉的約束方式，以模擬實際望遠鏡運行時的狀態，其余部分采用固定連接的約束方式。對于軸向支撐的桿件，由于只受軸向力，因此采用桿單元進行模擬，對于如徑向傳力膜片和柔性支撐膜片等薄板結構，采用的是板殼單元（shell）單元進行模擬。

3鏡筒測試分析

測試采用振動信號分析儀及信號采集軟件以磁力座吸附在結構上。測試采用力錘敲擊結構某些點，以加速度傳感器拾振，信號經過采集軟件計算后得到兩點（敲擊點和拾振點）的頻響函數。根據模態識別法編制MATLAB程序，將得到的頻響函數數據輸入程序即可得到模態頻率、阻尼比、振型系數。測試前經過噪音排除測試，即不敲擊時，看傳感器信號中的頻率成分，可以排除噪音的干擾。然后經過多次試測，確定分析頻率1000Hz，FFT塊大小為8192，頻率分辨率約為0.31Hz。錘擊結果平均4次，力錘及傳感器的放大倍數均為10倍，力錘錘頭采用橡膠錘頭。

4總結

針對南極的特殊情況設計了一套適合于南極地區的中型天文望遠鏡鏡筒，并對該鏡筒進行了等彎沉分析、主鏡面形變化分析以及模態測試分析，經過模擬分析和測試，該鏡筒能夠滿足望遠鏡的光學裝調要求，并適應在南極低溫環境下自動運行。

作者:溫海焜顧伯忠姜翔張如單位:中國科學院