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高精度微位移促动器及其在极地天文望远镜中的应用

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中国科学：技术科学 2016年第7期46卷 697-705页

作者：白清顺王群张庆春娄铮梁迎春哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001 中国科学院南京紫金山天文台南京210008

采用高精度拼接技术获得大口径天文望远镜是当前制造大型望远镜的一种有效途径.本文以微位移促动器在大口径天文望远镜中的应用为背景,阐述了拼接镜面的工作原理以及微位移促动器的特点.结合已建成的地基大口径拼接望远镜,评述了典型的... 详细信息

采用高精度拼接技术获得大口径天文望远镜是当前制造大型望远镜的一种有效途径.本文以微位移促动器在大口径天文望远镜中的应用为背景,阐述了拼接镜面的工作原理以及微位移促动器的特点.结合已建成的地基大口径拼接望远镜,评述了典型的微位移促动器的机械结构和工作原理.重点分析了极地低温环境下微位移促动器相关技术的研究现状,包括低温机械结构设计、防冰和除冰技术、低温促动器的材料,低温润滑技术以及促动器控制技术.最后总结了微位移促动器应用于南极天文天文望远镜需解决的关键技术,并对未来应用于南极地区微位移促动器的发展趋势提出展望.

关键词：微位移促动器天文望远镜极地拼接镜面

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微位移促动器仿真及减摩特性研究

微位移促动器仿真及减摩特性研究

作者：邓侃哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

大口径天文望远镜的发明促进了天文学的发展,为了应对日益严峻的大口径镜面的设计、加工等问题,拼接镜面技术应运而生。支撑子镜面的微位移促动器是拼接镜面技术中的关键结构,其决定着子镜面位姿调整的精度及稳定性,对反射面面形精度的... 详细信息

大口径天文望远镜的发明促进了天文学的发展,为了应对日益严峻的大口径镜面的设计、加工等问题,拼接镜面技术应运而生。支撑子镜面的微位移促动器是拼接镜面技术中的关键结构,其决定着子镜面位姿调整的精度及稳定性,对反射面面形精度的提高起着决定性作用。促动器及其控制系统作为微机电一体化系统,面临着结构性误差和原理性误差两大误差问题。为了获得更高的成像精度,就必须针对两大误差进行来源分析和解决方案的探讨。本文基于以上目的,从微位移促动器运动特性出发,研究分析影响其运动精度及运行稳定性的因素并提出可行的解决方案。首先,对促动器进行了运动学仿真,验证其运动规律的正确性;随后通过动力学仿真,初步探究影响促动器稳定性的因素;借助静力学仿真,确定影响性能的关键零部件;对关键零件作柔性化处理,建立以该柔性体为主体的刚柔耦合模型并进行动力学分析;通过递增的生效模态阶数下的仿真结果分析讨论影响促动器精度及稳定性的规律。其次,选择石墨烯材料作为促动器摩擦敏感面的润滑剂,对石墨烯涂覆前后的不锈钢摩擦副进行了球盘摩擦磨损试验;对比分析了石墨烯涂覆前后因粗糙度和加载力不同而出现的不同摩擦系数变化趋势;并通过对试验前后不锈钢球及盘磨痕的表征分析,深度探讨了石墨烯涂覆的效用,为石墨烯在工程领域的应用提供实验依据。最后,针对促动器系统,建立其步进电机及各自的机械系统仿真模型,并对模型进行了相应的性能测试;搭建促动器整体仿真模型,通过仿真确定了促动器原理性误差来源及其具体特征;对石墨烯涂覆前后的螺纹表面进行了表征分析,为后续实验奠定基础;进行了石墨烯涂覆的促动器性能测试实验,通过开环控制系统测试证明了石墨烯作为促动器润滑剂的可行性,也验证了系统原理性误差的存在。

关键词：微位移促动器多体动力学仿真刚柔耦合摩擦磨损开环系统

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大型光学望远镜子镜单元微位移促动器综述

激光与红外 2021年第2期51卷 131-140页

作者：刘炎森张景旭杨飞安其昌中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

微位移促动器是拼接镜面望远镜子镜主动支撑系统中的关键执行机构,在应用中必须同时满足大行程、高精度和高负载等要求。随着望远镜口径的不断增大,促动器在保持高精度和高负载的同时还应具有更大的行程,这对促动器的设计来说是一个挑... 详细信息

微位移促动器是拼接镜面望远镜子镜主动支撑系统中的关键执行机构,在应用中必须同时满足大行程、高精度和高负载等要求。随着望远镜口径的不断增大,促动器在保持高精度和高负载的同时还应具有更大的行程,这对促动器的设计来说是一个挑战。为了寻找微位移促动器结构的可行方案,给促动器的研究人员提供系统的参考,本文针对大型光学红外拼接镜面望远镜的发展需求,对正在望远镜中应用的促动器和设计测试中的促动器,包括目前30 m级望远镜拟采用的柔性促动器和其他预研促动器方案等,在具体结构方面进行了详细的介绍,并对促动器的组成部分进行整理、汇总、分类和对比,最后综合各种形式促动器的优势与不足,对微位移促动器未来的发展趋势做出展望。

关键词：微位移促动器大型光学红外望远镜拼接镜面望远镜主动光学技术

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低温微位移促动器的设计与实验

天文研究与技术 2016年第2期13卷 199-204页

作者：白清顺王群张庆春梁迎春娄铮哈尔滨工业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001 中国科学院紫金山天文台江苏南京210008

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... 详细信息

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。

关键词：微位移促动器天文望远镜精度低温螺旋传动

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基于压电陶瓷的微位移促动器的研究

基于压电陶瓷的微位移促动器的研究

作者：陆昂南京邮电大学

学位级别：硕士

微位移技术是实现超精密加工的重要途径,而微位移促动器是一种能够同时实现纳米级定位精度和厘米级行程的装置,压电陶瓷片通过压电效应实现微小形变,对压电陶瓷片施加周期性的驱动信号,压电陶瓷片就可以产生移动,通过导电银胶将压电陶... 详细信息

微位移技术是实现超精密加工的重要途径,而微位移促动器是一种能够同时实现纳米级定位精度和厘米级行程的装置,压电陶瓷片通过压电效应实现微小形变,对压电陶瓷片施加周期性的驱动信号,压电陶瓷片就可以产生移动,通过导电银胶将压电陶瓷片粘接形成的压电堆栈不仅保持了压电陶瓷片原有的特性和优点,而且其刚性和输出力都有较大提高,由压电堆栈制成的微位移促动器因为其优异的性能被广泛应用于纳米技术、微机械和微系统、通讯传感技术、电子扫描技术、微生物技术等领域,特别是在极低温和超强磁场等极端条件下作为微型扫描探针显微镜的微调定位装置时使用。本文的研究目标是基于对微位移促动器整体结构的设计与改进,设计出一款刚性强、驱动力大的微位移促动器,本文的研究工作包括如下几点:首先,参考多种成熟的微位移促动器的设计结构,自主设计制作出一款基于双压电陶瓷堆栈的微位移促动器,购买材料制作实物,对基于双压电陶瓷堆栈的微位移促动器各部件进行制作并组装,对其机械结构、工作原理进行详细的介绍。其次,通过STM32单片机控制系统,设计并搭建了一套适用于微位移促动器的驱动控制系统,实现对微位移促动器的精确步进控制。同时,独立搭建出一个完整的驱动放大电路,该驱动放大电路采用OPA454高性能放大器作为主要元件,通过实验验证该驱动放大电路的性能良好。最后,通过实验研究基于双压电陶瓷的微位移促动器行进步距与驱动电压、驱动频率的关系。实验表明,微位移促动器启动电压为30V,向前的最小步距为65nm,向后的最小步距为70nm,微位移促动器行进步距与驱动电压近似成线性关系,行进步距与驱动频率无关。

关键词：微位移促动器驱动放大电路压电陶瓷驱动控制系统

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拼合镜面望远镜的低温微位移促动器研究

拼合镜面望远镜的低温微位移促动器研究

作者：王群哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

天文学的进一步发展需要大口径的天文望远镜,大口径的射电望远镜具有更高的分辨率和灵敏度。主动反射面技术为制造大口径射电望远镜反射面奠定了技术基础,其采用较小口径的子面板拼合成具有一定面形精度的反射面。为了使反射面的面形精... 详细信息

天文学的进一步发展需要大口径的天文望远镜,大口径的射电望远镜具有更高的分辨率和灵敏度。主动反射面技术为制造大口径射电望远镜反射面奠定了技术基础,其采用较小口径的子面板拼合成具有一定面形精度的反射面。为了使反射面的面形精度达到射电望远镜的成像要求,每个子面板都需要微位移促动器进行支撑和调节。微位移促动器作为子面板的支撑和调节机构,是主动反射面技术中的核心部件,是一种精密的直线位移输出装置。南极Dome A地区具有优秀的天文观测条件,被公认为是地球上最优秀的光学/红外天文学观测地点,而且非常适合亚毫米波和太赫兹天文学观测。在南极地区建造大型射电望远镜将显著促进我国极地天文科学的发展,同时也将对极端台址条件下的微位移技术带来前所未有的挑战。因此开展用于主动反射面技术的低温微位移促动器的研究具有重要的科学意义和实用价值。首先,在查阅大量文献的基础上,设计了两种结构形式的低温微位移促动器,并对其进行了精度分析;接着分析了低温对材料性能的影响,据此选择合适的促动器结构材料,并建立了促动器的有限元模型,对促动器进行了相关的线性静力学分析和模态分析。其次,对低温微位移促动器进行了详细的温度场分析和热力耦合分析。先对促动器的南极使用环境进行分析,得到使用环境中的热载荷,通过仿真计算,得到了促动器在使用环境下的温度曲线和温度场;然后根据得到的温度场,对促动器进行热力耦合分析,获得促动器在南极使用环境下的变形和应力,据此校核了促动器的强度。最后,进行了促动器性能测试实验。使用长度计对促动器的输出位移进行检测,先得到促动器在室温环境下的性能指标,包括有效行程、步进精度、重复精度、定位精度和线性度,以及最大轴向载荷下的步进精度;然后对促动器进行低温性能测试,得到了促动器在低温环境下的性能指标,并与室温环境下的性能指标进行了对比分析。

关键词：微位移促动器主动反射面技术南极温度场热应力

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空间光学微位移促动器的定位测控研究

计算机测量与控制 2020年第7期28卷 121-126页

作者：张雅琳梁凤超王淳何海燕孙伟健北京空间机电研究所北京100094 中国资源卫星应用中心北京100094

为解决大口径空间光学镜面在轨组装技术的高精度定位需求,设计了一种微位移促动器,并对单促动器和多促动器六自由度平台分别进行了定位测控研究;通过建立单促动器的运动学方程、多促动器六自由度平台的运动学方程,解决了微位移促动器的... 详细信息

为解决大口径空间光学镜面在轨组装技术的高精度定位需求,设计了一种微位移促动器,并对单促动器和多促动器六自由度平台分别进行了定位测控研究;通过建立单促动器的运动学方程、多促动器六自由度平台的运动学方程,解决了微位移促动器的高精度定位问题;搭建了实验硬件系统,编写了软件控制程序,对单促动器分别进行了小步长测试和大步长测试,并对多促动器六自由度平台进行了定位测试;实验结果表明,设计的微位移促动器达到了行程25mm的情况下,定位精度误差小于20nm的指标要求;多促动器六自由度平台的定位精度达到了单向平移重复精度误差小于30nm,角度精度误差小于0.02μrad的设计指标。

关键词：微位移促动器六自由度并联平台定位测控

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高精度镜面位置控制的微位移促动器研究

天文研究与技术 2023年第3期20卷 250-257页

作者：帅雨林牛冬生王海潘聪中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所江苏南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 江苏南京210042 中国科学院大学北京100049

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... 详细信息

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1200 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。

关键词：光学天文望远镜微位移促动器双螺旋滚珠丝杆差动螺旋

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天文望远镜面板促动器的研究

天文望远镜面板促动器的研究

作者：邓月波南京航空航天大学

学位级别：硕士

目前,大型射电望远镜通常采用反射面主动控制技术,实现面型调整,补偿由于环境变化和外界扰动带来的误差,提高聚焦精度。望远镜的反射面是由多块子面板拼合而成,而每个子面板通常都需要3个以上的微位移促动器进行支撑以及快速调节,实现... 详细信息

目前,大型射电望远镜通常采用反射面主动控制技术,实现面型调整,补偿由于环境变化和外界扰动带来的误差,提高聚焦精度。望远镜的反射面是由多块子面板拼合而成,而每个子面板通常都需要3个以上的微位移促动器进行支撑以及快速调节,实现子面板的俯仰、偏摆和平动,从而达到反射面的高精度要求。本课题针对用于南极的射电天文望远镜,提出行波型超声电机经差动螺纹将旋转运动转化为直线运动的原理,建立射电望远镜子面板微位移支撑和调节机构。研究温度、湿度对促动器性能、精度的影响规律,评估预紧差动螺纹精度范围、建立促动器微位移控制方法。原理样机进行性能实验和环境模拟实验表明,该方法有望用于南极内陆极端环境下射电望远镜的面型的主动控制。主要研究内容包括:1.参照预研项目“DATE5”(5m Dome A Terahertz Explorer,南极5米太赫兹望远镜)的指标要求,设计并制作了微位移促动器样机。重点考虑南极高湿度和低温环境,进行了促动器整体密封设计,避免机构在低温下冻结。2.微位移促动器以行波型旋转超声电机作为驱动源,传动部分采用差动螺纹轴,将电机的旋转运动转换成输出端的直线运动,完成微位移促动器精度改善和位移的调整。3.针对低温环境对促动器传动结构、超声电机及其驱动与控制系统产生的影响,通过实验对驱动电源进行了优选,根据超声电机在低温下性能的变化对驱动控制系统进行了匹配和协调。4.建立了常温以及低温环境下的实验测试系统,对微位移促动器的性能进行了评估测试。包括有效行程、步进精度、重复精度、定位精度以及线性度和回程间隙检测。其中,在室温以及-40℃低温环境下的实验表明,微位移促动器的步进精度分别为1μm±0.07μm和1μm±0.16μm,达到了设计目标。研究表明,行波型超声电机经差动螺纹将旋转运动转化为直线运动的原理,具有高分辨率、高稳定性、高刚度、高重复精度、大负载性能以及毫米级行程等特点,可望用于南极射电望远镜子面板微位移支撑和调节。

关键词：微位移促动器超声电机驱动控制高精度差动螺纹轴