望远镜镜筒结构设计论文

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1望远镜镜筒的结构设计

1.1镜筒的总体结构设计

镜筒是一架望远镜的关键零件，其功能是装载光学零件，并保证赤纬轴转动时光轴的稳定程度。望远镜镜筒的机械结构设计的主要目的是支撑和固定主镜、非球面改正板、焦面机构等装置，要求其在不同姿态时能够保证主、非球面改正板的面形改变最小，遮挡最少，镜筒的结构尽量的轻量化，具有较强的刚度，并在各个姿态的刚度保证一致。在南极极低温条件下，为了防止主镜内部结霜，需要对镜筒进行密封处理。由于该望远镜在国内装调，温度在（-10~40）℃之间，而使用的南极冰穹A处最低温度为-80℃，最高和最低温度有110℃的温差，为防止装调和使用时镜筒尺寸变化过大导致光学部件的位置相差过大，采用了极低热膨胀系数的殷钢的桁架杆连接主镜和副镜，并且有一套低温补偿机构防止主副镜的位置由于温度的变化而发生变化，当温度发生变化而导致材料收缩时，通过弹性元件的变形可以弥补材料的收缩量。

1.2主镜系统的结构设计

南极巡天望远镜主镜的支撑通过胶接在主镜背面的因钢垫和主镜相连，要承担主镜沿光轴方向上的重力分量，主镜支撑结构。主镜支撑应具备以下功能：

（1）位置精确，提供准确、恒定的支撑力；

（2）自重轻、结构牢靠、便于维护；

（3）能允许结构本身的温度膨胀和小的装配误差；

（4）轴向刚度好，兼具轴向定位的作用，同时不能承担侧向力；

（5）具有一定的抗震性能。大口径的镜面支撑一直是望远镜机械设计的主要任务之一。通常情况下望远镜的镜面支撑主要包括轴向支撑和侧向支撑两种情况，镜面支撑又可以分为固定支撑和浮动支撑前者主要起定位作用而后者起卸荷作用。多年来已发展比较成熟的支撑方法有杠杆平衡重、跷跷板、气垫或液垫、水银带，等。为了运输的安全可靠，望远镜主镜设计的径厚比较大。在南极低温的条件下，水银带已经成为了固态的物体，因此无法用水银带的方法进行侧支撑。由于该主镜的径厚比较大，单独靠中孔的球头定位支撑系统在镜筒水平的极限情况下仍然可以使面形变化较少。南极巡天望远镜采用了跷跷板（Whiffletree）的机械浮动支撑结构，该结构由一系列浮动板或杠杆构成。它们中的每一个可将一个支撑点转化为3个支撑点。由于制造的地点和南极的温度相差过大，为了防止主镜的支撑位置有所变化，机械浮动支撑的9个点，以及定位主镜中孔的轴都使用了温度膨胀系数极低的材料制造，保证在低温状态下主镜结构不发生大的变化。为了消除温度对支撑的影响，消除温度变化下主镜与支撑之间的相对运动，减小因支撑引起的主镜面形的变化，应对传统的主镜支撑结构进行设计优化和改造，设计一种能够提供在主镜径向方向上有自由度，同时在温度变化时对主镜产生尽量小的附加力的主镜底部支撑结构。在材料的选择上，与镜面接触的零件如中孔位置和子镜背面的垫块，为了防止由于温度变化而产生热应力影响子镜的面型，采用了热膨胀系数小的殷钢材料。

1.3主镜室静力学分析

结构静力学分析用于确定加载结构的位移、应力、应变及反力，在分析时，忽略惯性和阻尼作用的影响，假设结构加载及响应时间随时间变化缓慢。望远镜在垂直状态下所受到的轴向压力最大，因此主镜支撑系统受到的压力和变形量也最大，对望远镜主镜部分垂直状态下的静力学进行分析可以校验望远镜主镜支撑系统设计的合理性。主镜系统应力云图，看出在垂直状态下，主镜受到的机械浮动支撑（whilffletree）结构带来的最大应力为0.425MPa，位置位于在内圆附近的殷钢垫支撑点上，该数值远远小于镜面的许用应力，因此该支撑机构对主镜是安全。主镜面形变化图。镜面面形的PV值为43.7nm，RMS值为7.2nm。该数值符合主镜设计的机械要求。2.5焦面改正镜组机构的设计副镜机构采用偏心的四翼薄叶片固定在副镜圈上，以减小挡光，并有一定抗扭刚度和较高抗弯刚度。由于在南极DOMEA地区有接近110℃的温差，为了保证望远镜能在不同的温度下都能正常工作，需要引入焦面移动机构对副镜的位置进行调整，使得CCD能根据气温的变化进行位置的动态调节，保证CCD的像质不随温度的变化而变化。调整机构由直线导轨和直线驱动机构两部分组成，导轨采用滚珠导轨以防止微动时的爬行出现，直线驱动结构的灵敏度在0.5μ左右，可保证调焦精度优于0.01mm。

2镜筒模态分析

模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。在减振设计中，对结构进行模态分析可以找出结构的固有频率以及最容易发生共振的位置，并对该位置进行特殊有效的防护，以保证结构的安全。对于镜筒的结构，主要采用的是板壳单元（shell）进行模拟分析，将镜筒与轴系的连接处设置为只允许绕镜筒法向方向旋转的约束方式，以模拟实际望远镜运行时的状态，其余部分采用固定连接的约束方式。对于轴向支撑的杆件，由于只受轴向力，因此采用杆单元进行模拟，对于如径向传力膜片和柔性支撑膜片等薄板结构，采用的是板壳单元（shell）单元进行模拟。

3镜筒测试分析

测试采用振动信号分析仪及信号采集软件以磁力座吸附在结构上。测试采用力锤敲击结构某些点，以加速度传感器拾振，信号经过采集软件计算后得到两点（敲击点和拾振点）的频响函数。根据模态识别法编制MATLAB程序，将得到的频响函数数据输入程序即可得到模态频率、阻尼比、振型系数。测试前经过噪音排除测试，即不敲击时，看传感器信号中的频率成分，可以排除噪音的干扰。然后经过多次试测，确定分析频率1000Hz，FFT块大小为8192，频率分辨率约为0.31Hz。锤击结果平均4次，力锤及传感器的放大倍数均为10倍，力锤锤头采用橡胶锤头。

4总结

针对南极的特殊情况设计了一套适合于南极地区的中型天文望远镜镜筒，并对该镜筒进行了等弯沉分析、主镜面形变化分析以及模态测试分析，经过模拟分析和测试，该镜筒能够满足望远镜的光学装调要求，并适应在南极低温环境下自动运行。

作者:温海焜顾伯忠姜翔张如单位:中国科学院