基于步进电机的位移促动器设计与实测

以环形太阳望远镜为应用背景,研制了一种基于步进电机的位移促动器,并进行了性能测试实验,获得了位移促动器的性能指标。分析了常见的大行程、高精度位移促动器的结构形式,选择位移缩放式作为位移促动器的基本结构。该位移促动器采用步进电机集成行星减速器作为驱动元件,以具有特殊消间隙结构的螺旋传动作为位移缩放机构,为实现高分辨率、高刚度和高精度的位移促动器设计,开展了位移促动器的性能测试实验,结果表明:该位移促动器轴向位移量程为±2 mm,不同负载下均能实现1μm的步长分辨率,位移闭环输出精度优于1μm。研制的位移促动器为环形太阳望远镜的建设提供重要的技术支持,并为其它精密光学镜面支撑系统的工程应用提供参考。     

高精度镜面位置控制的微位移促动器研究

随着光学天文望远镜口径不断增大,望远镜主镜多采用拼接镜面形式,而微位移促动器作为镜面拼接技术的关键部件,始终是研究的热点之一。以双螺旋滚珠丝杆代替传统机械式微位移促动器中减速器加滚珠丝杆结构,利用差动螺旋原理进行微位移输出,使用伺服电机作为驱动电机,并对负载时电机所需的转矩进行分析。微位移促动器的输出位移精度、行程及负载能力是重要技术指标,本文从这三方面的要求出发,开展性能测试。实验结果表明,该微位移促动器总行程为5 mm,理论最大可承载1 200 N,在200 N的负载下实现200 nm的步长分辨率,开环单向位移精度优于0.65μm,闭环单向位移精度优于0.2μm。验证了所提出的微位移促动器具备高精度、大行程和高负载的要求,为我国未来大口径天文望远镜的设计提供技术储备。     

基于CAN总线的主动光学镜面位姿驱动系统研究

为先进地基太阳望远镜(Advanced Ground-based Solar Telescope, AST-G)主镜支撑系统预研,设计了一套基于控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)总线通信的主动光学镜面位姿调整驱动系统。首先,面向一个主动支撑样机实验平台,开展镜面运动学理论分析及位姿解算;然后,采用STM32设计了1个主节点和3个子节点,实现了镜面位姿驱动系统中位移促动器的分布式控制;最后,开展了基于CAN总线的位移促动器性能测试及镜面位姿调整实验验证。结果表明,位移促动器的控制精度的均方根误差优于1μm,镜面绕x,y轴的转动均方根误差优于1″,镜面z轴方向平动均方根误差优于1μm。基于CAN总线的位姿驱动系统研究为先进地基太阳望远镜主镜支撑系统的研制提供了技术探索,也可为其它主动光学应用系统提供参考。     

低温微位移促动器的设计与实验

以极地天文望远镜为应用背景,研制了一种低温微位移促动器,并在室温和低温条件下进行性能测试实验,获得了低温微位移促动器的性能指标。分析了3种常见的大行程高精度微位移促动器的结构形式,选择位移缩放式作为低温微位移促动器的基本结构。微位移促动器采用低温步进电机作为驱动元件,以具有特殊消隙结构的螺旋传动作为位移缩放机构,实现了高刚度、耐低温、结构紧凑、密闭性好的微位移促动器的设计。开展了微位移促动器的性能测试实验,结果表明:所设计的低温微位移促动器在室温条件下的步进精度达到1μm±0.082μm,并且满足负载能力的设计要求;低温条件下步进精度可以达到2μm±0.404μm。研制的微位移促动器将为拼接式极地天文望远镜的建设提供重要的技术支持。     

超轻量镜面系统的研制

空间望远镜的研制一直要求系统的轻量化,美国宇航局(NASA)最近研制的韦伯太空望远镜,其主镜系统面密度相对于哈勃空间望远镜已大幅减轻.在韦伯望远镜主镜系统的研制过程中,NASA开展了一系列关于超轻量镜面系统的验证计划,多家机构拿出多个方案参与竞标.本文选取几个比较典型的方案,介绍这些镜面系统的设计思想、结构、材料、加工以及相关测试结果,期望能对国内相关方面的工作提供参考.     

超轻量镜面系统的研制

空间望远镜的研制一直要求系统的轻量化,美国宇航局（NASA）最近研制的韦伯太空望远镜,其主镜系统面密度相对于哈勃空间望远镜已大幅减轻。在韦伯望远镜主镜系统的研制过程中,NASA开展了一系列关于超轻量镜面系统的验证计划,多家机构拿出多个方案参与竞标。本文选取几个比较典型的方案,介绍这些镜面系统的设计思想、结构、材料、加工以及相关测试结果,期望能对国内相关方面的工作提供参考。     

拼接镜面主动控制系统的定标

对拼接主镜进行主动控制是拼接镜技术的难点之一,8 m环形拼接太阳望远镜主动光学的控制性能主要取决于倾斜探测的精度与控制模型建立的准确程度。在研制主动控制系统时,需要对倾斜探测精度定标以及建立较为准确的控制模型,即对主动控制系统定标。实验系统中搭建了用于实时探测拼接子镜倾斜的夏克-哈特曼波前传感器,并对其重复测量精度进行了定标,精度达到0.014 arcsec,接近8 m环形太阳望远镜面形控制的要求。然后利用边缘传感器和夏克-哈特曼波前传感器测量了两镜主动控制系统的控制矩阵,建立较为准确的控制模型。     

云南天文台26厘米高分辨真空太阳光球色球望远镜

云南天文台26cm高分辨真空太阳光球色球望远镜于1986年建成安装,1989年3月通过技术鉴定正式投入观测使用。该望远镜有光球和色球两个镜筒,物镜口径均为26cm,可同时观测太阳视面上同一活动区光球和色球两层次中的细节。光球太阳象直径300mm,画幅24×36mm,视场为2′.6×3′.8,最佳分辨为0″.7。色球太阳象直径85mm,画幅16×22mm,视场为3′.6×7′.3,最佳分辨为1.″2。色球观测所用滤光器的透射带中心波长6562.8,带宽0.46和0.24互换使用,谱线可位移±1.5。 本文简述提出研制该望远镜的学术依据、研制简史,描述它的总体性能指标、光学系统以及提高分辨本领所采用的主要技术措施。文章简介该望远镜的安装调试和试观测期内发生的各种问题及其技术处理。最后提及正在进行中的望远镜性能完善和改进工作,展望在第22周太阳活动峰年期内在国内和国际联合观测研究中能发挥的作用。 选刊若干照片作为该望远镜取得的光球和色球现象的观测示例。     

拼接镜面主动光学电控系统的研究

介绍拼接镜面主动光学计算机控制的设计思想和研制的方法。计算机通过接口控制6套微位移促动器实现了同步工作;控制维持三块子镜的共焦和共面;采用6套电容式的微位置传感器来检测共面的位置,作为计算机闭环控制的反馈信号。位移促动器的控制分辨率为5nm左右。系统控制的位置误差rms值小于25nm。     

3521 MHz太阳射电望远镜在云南天文台安装调试报告(Ⅰ)(Ⅱ)

前言 陕西天文台研制的3521MHz太阳射电望远镜,1978年1月在陕台停止观测,同年年底运到云台。今年3月开始安装,6月基本调试完毕,7月开始试观测。 这次安装调试是在总结以前的研制经验的基础上,并根据该望远镜二年多的运转状况进行的。同时也结合了云台的实际情况,对望远镜的有关部份做了改动。 为了将这次安装调试工作总结出来,以不辜负在该望远镜上花了心血的同志们的期     

基于FPGA的多轴步进电机控制系统

观测技术及仪器的进步推动了太阳物理的研究,步进电机是各类观测仪器精密结构调整部件中经常采用的驱动源,步进电机控制系统的性能直接影响太阳望远镜的数据精度和时间分辨率。介绍了一套怀柔太阳观测基地自主研制的多轴步进电机控制系统。该系统以现场可编程门阵列为核心控制器,利用中断处理机制及输入/输出寄存器产生多路晶体管-晶体管逻辑电平(TTL)方波信号,结合驱动器实现多轴步进电机控制;通过周期信号化简处理算法缩短电机调整时间;以霍尔器件作为位置传感器实现系统闭环控制,通过对霍尔信号的软、硬件滤波处理,提高信号识别的准确率;设计了板载存储电路,实时保存系统关键参数,大幅提高系统整体的可靠性。同时,该系统设计了丰富的输入/输出接口、通讯接口,提高系统的可集成性。目前该系统已在多台太阳望远镜中投入使用。     

一个巨型望远镜方案

提出一个有特色的巨型望远镜(FGT)方案．其主镜口径为30米，主焦比为1．2，由1095块圆环形子镜构成．采用地平式装置．光学系统包括Nasmyth系统、折轴(Coude)系统和一个大视场系统．提出一个由4个镜面组成的新的Nasmyth系统，在约10′的视场范围内像斑小于爱里斑，达到衍射极限．比传统的Nasmyth系统的衍射极限视场大得多．可在这样的大视场内同时作好几个小区域的衍射极限的观测．当由Nasmyth系统转换到折轴系统和大视场系统时，采用主动光学技术改变子镜的面形、倾斜和平移，产生一个新的主镜面形，使折轴系统和大视场系统都能得到很好的像质．大视场系统的视场直径25′，场曲轻微，并有可能校正大气色散．给出了子镜面形和位置的公差，并讨论了望远镜的装置和结构,方案中的特色和创新对未来大望远镜的研制有普遍意义．     

光学反射望远镜主、副镜安装调整不良引起的象差

一架先进的设计、精心加工的光学望远镜,在工厂或组装车间检查光学质量合格后,在观测地点安装调整后必须要经过检验。因为在安装调整中,如果光学部件(如主镜和副镜)的光轴有横向偏离、倾斜,或者相互间距有偏差,都会使星象质量变坏。以我台将要进口的2.4m反射望远镜为例,讨论了在主副镜的安装调整中若产生误差,给星象质量带来的影响,从而可作为检验和验收望远镜时的参考。     

全日面太阳磁场望远镜精密温控系统研制

双折射滤光器是太阳观测中的重要设备,其中的双折射晶体的折射率对温度变化非常敏感,光学设计要求滤光器温度控制系统的稳定精度达到0.01℃以内,才能保证滤光器精确稳定地工作。太阳望远镜中双折射滤光器构型复杂,使用环境恶劣,其高精度温控一直是国际公认的核心技术。针对全日面太阳望远镜滤光器的温控问题,设计了基于积分分离PI加前馈的复合温控系统,实现了对滤光器的高精度恒温控制。系统使用24位AD实现高精度温度采集,采用数字滤波算法提高测温精确度;积分分离PI结合环境温度作为参数的前馈控制的复合控制方法,输出脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)控制策略,实现对滤光器高精度温控。相比原有的滤光器温控系统,本系统在保持原有温控精度的前提下,大大简化了系统设计。结果表明,当设定温度为42.216℃时,在实验室中,温控精度达到±0.001℃。该温控系统已经在怀柔观测基地投入使用,最大温度波动0.007 5℃,控制效果准确稳定,获得大量高质量科学数据。     

1m红外太阳望远镜光电导行系统的反馈控制分析

我国正在研制中的1m红外太阳望远镜是目前国内唯一的地平式真空太阳塔,主要用于活动区磁场的精细光谱分析和太阳活动区磁场的时空精细结构研究.要求望远镜必须长时间高精度跟踪太阳(0.3"/30s、1"/10min)才能实现它的科学目标.光电导行是实现望远镜高精度跟踪观测目标的关键控制技术,通过检测观测目标像在图像传感器上的移动量作为反馈控制信号对望远镜实行闭环控制.首先建立了光电导行系统的控制系统模型,然后分析了系统的稳定性能、暂态性能、时域特性、频域特性及跟踪性能,并采用PID控制器对系统进行优化设计,以提高光电导行反馈控制系统的稳定性和跟踪精度.通过计算机仿真设计,采用PID控制算法能实现1m红外太阳望远镜的跟踪要求.     

2.4米望远镜主镜镀膜工艺的研究

利用国内首个自上向下热蒸发反射膜的大型镀膜机ZZS3200,开展了2.4 m望远镜主镜镀膜工艺的研究。从镀膜的环境控制,镀膜机蒸发源布置,保护膜的选择,旧膜脱膜等方面出发,探索一种适合2.4 m望远镜主镜的镀膜工艺流程,并依此完成2.4 m望远镜主镜镀带MgF2保护的铝反射膜工作。陪镀片检测表明,铝膜膜厚极大极小值差43 nm,主镜反射膜在350~1 100 nm范围内平均反射率87.16%,经2.4 m望远镜实测,镀膜完成后极限星等不低于23.5 mag,比镀膜前约提高1 mag。2013年12月17日,在2.4 m望远镜上,利用终端云南天文台暗弱天体分光及成像仪(Yunnan Faint-Object Spectrograph and Camera,YFOSC),使用棱栅Grism3分光,对超新星SN 2011fe(V波段19.5 mag)成功进行光谱观测。30 min单幅曝光,获得暗于19 mag天体的光谱,刷新了该类天体在国内观测的新的记录。该目标在光谱观测的同时有相应的测光数据以及测光标准星观测,因此星等测量误差小于0.1 mag,可以用于定量分析。     

空间太阳硬X射线成像仪量能器读出电子学设计

先进天基太阳天文台(ASO-S)是中国科学院空间科学先导专项2期规划的太阳观测卫星,其针对第25个太阳活动峰年,同时观测太阳磁场、日冕物质抛射和太阳耀斑爆发.硬X射线成像仪(HXI)作为该卫星3个科学载荷之一,实现了高时间分辨率和空间分辨率的太阳硬X射线成像观测,其量能器由99套溴化镧闪烁晶体-光电倍增管探测单元和读出电子学板构成,实现了30–200 keV的硬X射线光子能谱测量.针对HXI量能器的观测需求,设计了一套空间高事例率读出电子学系统,并通过实验室测试,证明了该系统单事例读出死时间小于2μs,同时验证了该系统电子学噪声小于120 fC,积分非线性小于2%,满足HXI仪器要求.     

FMG载荷地面试观测导行跟踪系统的设计与实现

全日面矢量磁像仪(Full-disk vector MagnetoGraph, FMG)是先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)卫星的3台主载荷之一,为开展FMG全系统性能测试和定标试验,已搭建用于FMG外场测试的地面试观测平台.利用该平台模拟FMG在轨跟踪状态,研制了基于全日面太阳图像的望远镜导行系统.该系统通过大面阵CCD (Charge Coupled Device)采集太阳像、多重逻辑条件判定、微调恒动跟踪速度校正偏移等策略,实现了RMS (Root Mean Square)优于1′′/30 min的跟踪精度.通过分析FMG方案阶段试观测的太阳纵向磁图,开启导行30 min后磁图特征点在赤经方向的偏移比恒动条件下减少17.5′′,提升了磁图空间分辨率.测试过程中该系统达到设计指标且工作稳定,为FMG地面试观测提供了良好的技术支撑.     

FAST故障促动器快速拆换机构设计与研究

针对射电望远镜FAST促动器存在长期承受重载拉力、洼地使用、潮湿多雨、数量大、分布广、设计寿命长等维护不利条件,基于接口便于安装、加载安全可靠、拉杆地面调节、拆换销轴爬梯的设计要点,提出了一种故障促动器快速拆换机构方案,并对关键技术进行研究:包括上连杆开口非封闭C型结构强度、刚度及轻量化有限元分析,抗剪键组件运动控制计算。以上工作为后续快速拆换机构物理样机研制提供了设计方案、分析思路及计算方法,也对解决同类重型加载装置的拆换具有借鉴意义。     

2.4米主镜反射膜膜厚均匀性的优化设计

膜厚均匀性是制备高性能光学薄膜的一项重要指标。为进一步提高2.4 m主镜反射膜膜厚均匀性,针对大口径望远镜镀膜设计了膜厚均匀性优化方案。基于真空热蒸发遵循的余弦分布律,结合ZZ3200型真空镀膜机的几何结构和望远镜镀膜的实际需求,编写膜厚计算程序,模拟膜厚理论分布情况,给出膜厚优化设计方法和优化结果。方法一：在蒸发源内侧合适的位置加入修正挡板,结果表明,挡板的曲率半径安装误差在3 mm以内,膜厚均匀性峰谷(Peak to Valley, PV)值由不加挡板时的15%下降到4%,该方法具有一定的普适性,但是挡板安装位置要精确控制;方法二：结合反射主镜中间的圆孔结构,设计双圈蒸发源,结果表明,当内外圈蒸发源的中心距分别为10 cm和130 cm,且满足外圈蒸发源的数量为内圈的12倍时,膜厚均匀性峰谷值为1.85%。该方法是针对中心具有圆孔镜面设计的,适用于大多数反射式天文望远镜镀膜。