50公分望远镜机械结构设计

50公分望远镜机械结构设计

郑锋华

一. 望远镜的技术指标：

1. 光学系统：

（1）主光路：

光学类型：卡塞格林系统

有效口径：50mm

卡焦焦比：1/10

视场：2ω=40′（80%能量集中在1〞内）

面形精度：λ/16（rms）

（3）寻星镜：

光学类型：折射双分离

有效口径：100mm

焦比：1/7

视场：2ω=1°

2. 机械系统：

（1）结构形式：赤道叉式

（2）极轴调整范围：±1º

（3）赤经、赤纬轴转速：

快动：±60º/分

慢动：±3º/分

恒动：15′/分

微动：±5′/分

（4）跟踪精度：2‰

（5）指向精度（重复精度）：±30″

二. 望远镜的结构设计：

（一）望远镜的基座设计：

图1 基座外形

该类型常用于科研仪器，以往我公司出厂的赤道叉式望远镜基本是这种类型。此基座有一明显优点，极轴可做的较长，能够明显地提高运转的稳定性。并且从外观上看，外形美观、全封闭，防尘性能良好，基座整体刚性、强度及稳定性都非常出色。

（二）望远镜的传动设计：

1. 驱动电机：

赤经赤纬均选用BSHB3910-H三相混合式步进电机驱动（峰值力矩4.0Nm），工作在4000步/转的细分状态，步进电机对应的望远镜步进当量为0.1”/步。负责快、慢、微、恒的运动。

2. 传动系统：

采用蜗轮副传动，总传动比i=3240。赤经赤纬均采用两级蜗轮蜗杆传动、初级蜗轮蜗杆参数相同，而末级参数略有不相同，末级大蜗轮均采用剖分蜗轮消隙。

3. 传动参数：

蜗轮模数蜗杆系数齿数

赤经末级蜗轮：M=2 Z=270

赤经末级蜗杆：M=2 Q=25.5 Z=1

赤纬末级蜗轮：M=1.5 Z=270

赤纬末级蜗杆：M=1.5 Q=34 Z=1

初级蜗轮：M=1.75 Z=24

初级蜗杆：M=1.75 Q=14 Z=2

4. 位置检测元件：

在赤经赤纬大蜗杆上装有一个YGN-612-1200的增量式光栅码盘，其最终分辨率为1"，以作为自动找星时的位置检测装置。

5. 赤经轴系：

选用一只φ240×φ360×56型号7048的大角接触轴承放置于极轴的北端，一只φ140×φ250×42型号7228AC的小角接触轴承放置于极轴的南端，两只角接触轴承组合来平衡赤经的径向及轴向力。极

轴北端轴承为主要受力端，因此轴承与极轴采用过盈配合，以使极轴在转动时不在轴承中摆动，从而提高了轴承的转动精度，同时由于轴承承受了预紧力，因而增强了轴承的强度及刚度。在极轴的南端，轴承与极轴采用过渡配合，实配间隙在0.02-0.03mm之间以使轴承与极轴能有效移动，从而给极轴使加拉力以增强极轴的机械性能。

赤经轴系赤纬轴系

图2 轴系配置方案图

6. 赤纬轴系：

由于纬轴在空间翻转，纬轴轴承承受镜筒重力的大小和方向都在变化，随赤经轴的位置不同而不同。因此在设计中应注意纬轴的串动，提高轴承的支承刚度。叉式望远镜是双支点的，为防轴承的间隙出现，两个支点的轴承都需要单独地加预紧力。因此选用一对普通的角接触轴承。

（三）望远镜的镜筒设计：

按功能要求设置两个镜筒，即主镜筒、寻星镜筒。

1. 主镜筒：

主镜筒为全封闭薄壁结构，其特点是结构简单，内部清洁（防灰、水），防杂散光。

图3 镜筒图

图4 主镜支撑图

主镜的定位采用了中心球头定位方式，底支承为9点翘翘板结构，侧支承为六点温度可补偿、可调式抱紧结构，如图4所示。采用有限元计算求解最佳支撑位置，如下图所示。

反射面的Z方向P-V=0.025um，RMS=0.0142um，以λ＝0.6um 计算，则面形精度RMS小于1/40λ,P-V小于1/10λ。

图5 最佳支撑位置处主镜变形图

付镜采用三翼梁式中心支承结构，其特点是：具有较高的结构稳定性，通光效率大及结构简单，易于制造和装配。但随着望远镜的口径的增大，其支承梁片也加长，同时付镜的重量也增大，其结构的稳定性将受到影响。付镜设有电动调节系统，可进行平移、倾斜和前后的调节动作，便于光学调整。

终端设有不同放大倍率的目视接口、CCD连接接口、照相机连

接接口和棱镜光谱接口。主镜盖手动。

图6 付镜支撑机构图

2. 寻星镜：

寻星镜也选用公司现有的双分离消色差折射镜筒，有效口径为100mm，焦距为692.45mm。该镜筒的末端接口形式与主镜筒相同，以便接收器互换。

（四）望远镜的叉臂设计：

在设计上有意识地增大叉臂的抗弯截面模数（并减轻重量），使总变形量减小。为减小不均匀性变形产生的附加力，应注意结构设计的对称性（对称开孔、对称加筋）使不等变形量减小。此外，纬轴轴承系统刚度也应加强，减小外载荷作用下的变形，以保持摩擦恒定。

在图7中显示了叉臂的内筋板的布置图，图8所示叉臂在转动90°时，即叉臂处最危险情况下的受力变形图。

图7 叉臂剖视图

图8 叉臂有限元计算变形图

图9 总体振型图

叉臂最大变形为8.124×10-5m，转换成角度变形为16"，满足设计任务中30"的指向精度的要求。而图9所示总体振型图，一阶频率为36Hz，也可满足电机振动和风振情况下的抗共振性。

（五）望远镜的高度、方位调整设计：

1. 望远镜支承在三根梯形螺杆上并实现高度调节，如图10所示。

图10 高度调节机构图

2. 方位调节

由左、右两套推顶装置组成其望远镜的方位调节机构，如图11所示。

图11 方位调节机构图

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批准：

南京中科天文仪器有限公司研发中心