60公分专业天文望远镜设计方案

60厘米天文望远镜方案设计
一、简介：
60厘米天文望远镜的方案是根据深圳市气象局招标书中的技术要求和科学目标而设计的，其设计宗旨是：
1、具有高品质的光学系统，实现高精度天体物理研究。

2、具有美观的外形和高刚度的机械结构，以保证在恶劣环境下能正常工作。

3、具有高精度的轴系，实现精细跟踪和观测。

4、具有稳定、可靠的控制系统。

5、配备远程控制技术，达到国内先进水准。

6、该望远镜主要用于恒星精细观测，可进行高精度的天体物理实测，低色散光谱观测、小行星搜寻及目视观测。

根据招标书要求，60厘米望远镜采用赤道叉式结构装置。

通过控制系统直接驱动赤径赤纬力矩电机，革除了传统的机械减速机构引起的误差，实现3″的指向精度和跟踪精度。

光学系统结构形式采用RC系统，镜筒设计成薄壁筒状形式，分别由副镜室、中间快和主镜室组成。

具有远程控制的功能，可通过网络实现异地天文观测和数据传递功能。

二、光学系统设计：
1、主光路系统设计：
1.1、标书中规定的科学目标和技术参数：
★标书中确定主光路的科学目标是：恒星精细观测、高精度天
体测量及低色散光谱观测等。

★标书中确定主光路的参数指标为：RC系统，有效口径600mm，工作波长380nm-1000nm，焦比在f8-f10之间，系统像差<200nm RMS，。

★标书中确定主光路中的主镜、副镜的镜坯材料选用热膨胀系数< 0.1e-6/°C。

★标书中确定该望远镜具有小行星搜寻功能。

★标书确定在卡焦处配备B、V、R、I波段、白光、氢I6563埃窄带滤光片。

★标书确定在卡焦处的接收器是：U-6CCD。

1.2、设计方案：
★根据标书的要求，主光路系统按RC系统设计，焦比选择f/8，主镜又小口径600mm。

查询U-6CCD的靶面为24.6X24.6mm，为保证U-6CCD的靶面充满视场像，经计算后系统的有效视场为20′。

确保20′视场内80％的光能量集中在1.2″以内（见光学设计图）。

★根据标书的要求，望远镜具有搜寻小行星的功能。

为此，在主光路中设计一组1/2的缩焦镜，使视场扩大至40′，焦面像尺寸不变，以满足U-6CCD的靶面接收。

★根据标书的要求，主光路中的主镜、副镜的镜坯材料选用美国康宁公司ULE7973低膨胀系数的镜坯，膨胀系数为100X10-9/°C。

★根据标书的要求，滤光片及CCD均选用美国公司产品，并由厂家将滤光片和CCD集成一体，保证质量。

2、导星系统设计：
★标书中确定导星光路的科学目标是：具有自动导星功能。

根据标书的要求，导星镜设计成双分离折射式系统，有效口径Φ150mm，系统焦比f/13.3，系统焦距2000mm，有效视场为1°，焦面像斑尺寸为mm，在焦点处配置CCD实现1″精度的导星功能。

3、寻星系统设计：
寻星镜采用双分离折射系统，有效口径Φ80mm，系统焦比为f/6.25，系统焦距f′=500，有效视场为3°，配广角目镜取f′＝28，放大倍率约为18倍。

三、机械结构设计：
1、标书中规定的科学目标和技术参数：
★标书中确定：望远镜为赤道叉式装置，指向精度优于3″（RMS），开环跟踪精度10分钟内优于0.6″（RMS），10秒钟内优于0.2″（RMS）。

★标书中确定：望远镜工作温度-5℃到50℃，工作湿度35%到100%，工作抗风能力15m/s（10分钟内的平均风），破坏性抗风能力平均35m/s（10分钟内的平均风）。

2、设计方案：
根据标书的要求，本望远镜采用赤道叉式装置的方案，整台望远镜由镜筒、叉臂、底座和传动四大部套组成。

为保证指向和跟踪精度采取的设计方案如下：
★赤径赤纬两轴均采用力矩电机直接驱动，革除传动链引起的误差。

★采用高精度的钢带码盘和读数头作速度和位置闭环控制，提
高系统精度。

★采用高刚度的机械装置和结构，进行力学分析，在设计源头加以控制。

★选用高精度的轴承，在装调中预紧，消除径向和轴向的游隙，提高轴系精度。

★设计可靠的主副镜支撑机构，严格控制主副镜光轴在运转中产生相对位移和旋转。

★控制加工精度、严把检验关，严格按质量体系的要求追踪望远镜的研制全过程。

★运用天文修正的技术，精细地提高指向和跟踪精度。

★选用满足环境要求的电子元件及器件。

3、镜筒设计：
镜筒设计成圆柱筒式结构。

镜筒由内藏式镜盖、副镜支撑机构、中间块、主镜支撑机构、接收器等组成。

在卡焦上配有滤光片和U-6CCD ，可进行恒星精细观测、高精度天体测量及低色散光谱观测等。

人工切换缩焦镜后可进行小行星搜寻。

望远镜外形示意图如下所示：
★内藏式镜盖设计：
在副镜前端设计电动镜盖，由电机控制多片式镜盖实现启闭功能，每2片由一套电机和锥齿轮传动。

镜盖打开时镜盖片应低于遮光筒，既美观又防风。

★副镜室设计：
副镜采用四叶支撑机构，此结构既有较好的热稳定性，又有很好的支撑刚性。

采用步进电机、滚珠丝杆实现副镜调焦，调焦灵敏度优于0.3″的星象直径变化。

为了方便光学装校，副镜应具有倾斜和X，Y二维调整机构，调整完毕后机械锁紧。

副镜顶端应有安装平衡重的位置，以便转换接收器后调整镜筒平衡。

★中间块设计：
中间块为外八角形、内圆的薄壁箱式焊接结构，应具有较强的
刚性。

中间块两侧轴孔联接纬轴，下部联接主镜室，上部联接镜筒和副镜室。

在设计时主要注意重心位置精确分布。

★主镜室设计：
主镜底支撑采用九点式跷跷板机构，侧支撑采用重锤式机构，保证主镜的重力变形小于1/10波长，主镜径向位移小于0.02mm，主镜下沉量小于0.05mm。

主镜中心用铟钢球头定位，保证光轴与机械轴同轴，故中心定位筒与镜子的中孔配合间隙应小于0.005mm，以确保主镜的精确定位。

待主镜中孔加工后测量出精确尺寸，再加工铟钢球头，以保证相互间的公差。

4、叉臂设计：
叉臂的作用是支撑镜筒，本方案采用刚度好的薄板箱形结构，可在小自重下实现大刚度。

叉臂变形后产生的转角直接影响望远镜的指向精度和跟踪精度，叉臂最大弯曲应小于40″，此时对应的星平均偏离速度6″/小时，不影响使用效果，由于叉臂的刚度对指向和跟踪精度影响不大，在此不需作过多叙述。

在设计中我们只需对叉臂的二个极限位置的变形计算即可。

在设计时尽量保证叉臂在不同重力方向下变形量相同，以确保极轴指向的稳定性，为保证叉臂的二臂同时承重，应在赤纬轴与叉臂连接时加预紧力，预紧力大小约为镜筒重量的一半。

5、纬轴设计：
赤纬轴承主要保证镜筒的正确位置，并保证镜筒在不同天顶距
的重力方向下不产生轴向窜动和经向跳动。

本方案采用双分离外圈球面双列调心球轴承，通过加预紧力消除间隙，轴承座与叉臂相联，通过调心轴承座保证赤纬轴和赤经轴的正交，正交误差控制在10″以内。

纬轴应有中心通孔，以便于用光学方法校正赤经、赤纬轴的正交，两赤纬轴的同心度靠加工来保证。

6、极轴和底座设计：
极轴主要用于连接叉臂，极轴应有较高的刚度以提高望远镜的自振频率，极轴通过前、后轴承座与底座相连，前后轴承座内各有一只高精度滚珠球轴承。

底座采用钢板焊接结构并有足够的刚度，在底座上有方位和高度均可作±3°左右的精确调整机构，以确保望远镜极轴正确调至指向北极。

7、传动设计：
赤经、赤纬轴传动均采用直接力矩电机驱动传动方式。

随着现代控制技术的进步，大型天文望远镜传动中越来越多的采用直接驱动方式，此方式很大程度上简化了机械结构，同时也由于电机直接与转动轴同步避免了传动系统误差对望远镜指向误差及跟踪误差的影响。

选用最高精度的Reneshaw编码器，可达到10分钟内优于0.6角秒RMS及10秒钟内优于0.2角秒RMS的精度要求。

三、控制系统设计：
1、电控系统方案：
本望远镜电控系统主要包括：赤经轴控制驱动、赤纬轴控制驱动、副镜调焦控制驱动、电动镜盖启闭控制、望远镜限位保护、自动导星
系统、GPS时间系统、计算机远程控制等。

电控系统采用工业控制计算机作为主控计算机，抗干扰能力强，便于功能扩展。

采用主从式二级控制结构，各控制单元用单片机等控制，独立性好，控制方便灵活，占用系统资源少。

采用直流力矩电机直接驱动系统，没有减速装置，刚性好，精度高，噪声很小。

采用钢环编码器作为位置检测元件，稳定可靠，分辨率高，精度好。

采用CCD图像自动导星系统，可以保证长时间跟踪时具有很高的跟踪精度。

采用GPS时间系统，精度高，使用方便。

利用网络通过计算机远程控制，可实现远程观测。

计算机控制系统具有良好的操作界面，能够显示当前时间，望远镜当前位置，望远镜各种状态等。

界面上有各种操作按钮和操作功能，可以手动操作，也可以自动找星。

望远镜处有手控盒可以手动操作望远镜。

电控系统在赤经轴、赤纬轴和水平位置设有软件和硬件双重限位保护系统，防止望远镜赤经轴超出运动范围造成电线缠绕，防止望远镜赤纬轴超出运动范围造成碰撞，防止镜筒指向地平以下造成光学系统变化，确保望远镜正常运行和安全。

2、电控系统主要性能指标：
★速度范围：
赤经轴：快动1.5°～2°/s ，慢动2′/s，微动5″/s（在恒动速度上迭加），恒动为每恒星秒15″。

赤纬轴：快动1°～1.5°/s ，慢动2′/s，微动5″/s。

★加速度范围：
赤经和赤纬轴加速度不小于1°/s2。

★位置检测分辨率：
位置检测分辨率为0.1″。

★指向重复精度：
指向精度3″。

★跟踪精度：
10秒钟0.2″，10分钟0.6″，长时间导星精度为1″。

3、运动范围和限位保护：
赤经轴工作范围±80°，±80°位置有软件限位，超过±85°有硬件限位保护。

赤纬轴工作范围为北端95°、南端离叉臂10°，北端在95°位置、南端在离叉臂10°位置有软件限位，北端超过100°或南端离叉臂位置小于6°有硬件限位保护。

镜筒指向在天顶距76°位置有软件限位，天顶距大于80°时有硬件限位保护。

四、望远镜加工和装配中的几个技术要点：
1、赤经、赤纬轴的正交度：
为了使望远镜在计算校正前具有较好的指向精度，赤经、赤纬两轴应有较好的正交度要求，一般应在10角秒以内，为此中间块两轴孔，叉臂的两顶面及与赤径轴配装的中孔应有较高的加工精度要求，同时在安装过程中应注意检验和校正这一指标。

赤经、赤纬轴承应转动自如，无爬行现象，在装配时应测定轴承摩擦系数在万分之五到千分之一之间。

2、望远镜赤径轴：
望远镜的赤经轴将采用本公司特有的已经过30年长时期考验的无隙低摩擦滚动轴系，这种轴系的摩擦系数只有0.0004左右且能长期保持。

3、镜筒装配：
在镜筒装配中应注意对四叶架加预紧力，预紧力大小等于副镜室重量之半，过大的预紧力将会造成副镜偏摆，影响望远镜的指向精度和跟踪精度。

应注意铟钢球头与主镜中孔德配合间隙，以免造成光轴偏移而影响成像质量。

五、望远镜主要精度及误差分配：
1、光学系统：
主光路系统80％光能量在1.2″以内，为达到此项指标，精度分配如下：
★主副镜加工误差小于1/12λ。

★主副镜相对倾斜小于15″。

★主副镜相对位移小于0.05mm 。

★主副镜由支撑引起的变形小于1/30λ。

2、指向精度：
望远镜指向精度在改正后优于3″RMS，为达到这一要求，精度分配如下：
★副镜室及主镜位移，倾斜不重复误差小于2″。

★轴系不重复误差1.5″。

★编码器不重复误差1.5″。

3、跟踪精度：
主要是力矩电机直接驱动系统的误差，前文中已提到有可能满足所期望的精度。

六、其它要求：
本架望远镜在设计时特别注意要满足甲方提出的各种技术指标要求。

如减少镜筒前端的风阻力，抵抗地震影响的措施及适应海洋性气候等措施以及在选用元器件及采用严格的接线工艺以满足平均故障时间大于1000小时的指标等。

60厘米望远镜项目组
2009-08-27
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