技术领域
[0001] 本
发明涉及一种精密光学仪器的跟踪
机架，具体涉及一种用于天文望远镜双冗余望远镜跟踪装置。本发明为下列项目的研究成果：国家自然基金面上项目（项目编号：11273039）、江苏省产学研项目（项目编号：BY2011167）、中国科学院天文专项项目（C-113)。
背景技术
[0002] 现代大型天文望远镜大都采用地平式结构，包含
俯仰轴系和方位轴系，方位轴系
支撑整个系统并与地基相连接，实现方位轴的跟踪驱动、
位置、
角速度、角
加速度的测量及反馈，并承载数十乃至上千吨回转部件的重量，且具有极高的运动
精度和良好的
稳定性，以保证望远镜能够平稳、精确、超低速运行。俯仰轴系需要支撑望远镜的光学系统及其重要的光学仪器。并要求更高的运动精度和稳定性。另外，随着天文观测转向太空、南极等天文观测条件极为优越但环境非常复杂的地区，望远镜的使用模式也从传统的人工操作向自主式、网络化、远程控制的工作模式转变，这使得多余度望远镜跟踪驱动及其控制成为未来天文望远镜研制中必须解决的关键问题。因此，研制具有大
载荷、高
刚度和低摩擦性能的方位轴系和俯仰轴系的支撑结构及其冗余控制系统是确保大型天文望远镜研制成功的关键技术之一。
[0003] 望远镜跟踪系统主要的传动的方式有
齿轮传动、摩擦驱动和
直接驱动。在中、小型天文望远镜中普遍采用
齿轮传动，大、中型天文望远镜中多采用摩擦驱动，齿轮传动用于大型、超大型天文望远镜时存在如下遇到困难：大型、特大型精密齿轮、蜗轮的加工设备非常少，专
门研制超大型精密齿轮、蜗轮的加工设备由于其技术复杂、耗资大、研制过程长，很难满足实际的设计要求，且驱动系统存在齿轮传动间隙，系统的刚性弱、摩擦、结构模式机构复杂等因素；摩擦驱动在超大口径的天文望远镜会带来超低速运行时的爬行问题。在大型超大型天文望远镜驱动时，直接驱动技术具有刚度高、无摩擦、易于装配，维护成本低，其通过一体化的设计，使得结构十分简单，并能保证足够高的刚度，使望远镜的动态性能、控制精度有了很大的提高。
[0004] 大型天文望远镜轴系承载重量大、运动精度高、稳定性好，通用的推
力球
轴承、滚子轴承等的结构尺寸、承载能力和回转精度难以满足其要求，国内外制造1~4m口径地平式望远镜时，针对望远镜的性能指标专门设计跟踪轴系支撑方案。
发明内容
[0005] 本
申请将提供一种用于天文望远镜的双冗余望远镜跟踪轴系支撑装置。本发明天文望远镜的双冗余望远镜跟踪轴系支撑装置的方位轴系和俯仰轴系主要由位置反馈机构、支撑机构、驱动机构和限位
制动机构组成。且满足以下技术要求：易于加工、装配，运输，维护成本低；承载能力强、
摩擦力低，功耗小，传动效率高，具有良好的抗振性能和误差补偿作用；回转
定位精度高、调速范围广：低速时达到0.05″/s，高速时可达到20°/s，低速运转时无爬行现象；整体仪器可靠性高、故障率低，系统能对任意方向进入的目标进行连续跟踪，旋转范围在正负0~360°范围甚至更大范围内可调。
[0006] 完成上述发明任务的技术方案是：一种用于天文望远镜双冗余望远镜跟踪装置，包括俯仰轴系和方位轴系，其特征在于：所述的俯仰轴系和方位轴系，均分别采用两套驱动系统，分别构成了方位轴的双冗余驱动系统和高度轴的双冗余驱动系统；所述的两套跟踪系统由控制系统自动切换；俯仰轴系中的两套驱动系统共同驱动高度轴，共用一套反馈系统，共用一套高度限位
制动系统；方位轴系中的两套驱动系统共同驱动方位轴，共用一套反馈系统，共用一套方位限位制动系统。
[0007] 所述的两套冗余跟踪系统的组成是：一套多相冗余力矩
电机组成的跟踪系统与一套双电机驱动系统；或者是两套双电机驱动系统。
[0008] 换言之，本发明的用于天文望远镜双冗余望远镜跟踪装置，所述的跟踪装置采用双电机系统和多相冗余力矩电机组成了望远镜方位轴系和俯仰轴系的双冗余跟踪系统。正常运行时，由多相冗余力矩电机直接驱动，当出现故障或者需要切换到双电机驱动模式，由控制系统自动切换。在对
能量有严格要求的极端环境下，可以采用由两套双电机系统组成的双冗余跟踪系统。方位轴系采用双列角
接触轴承作为支撑；高度轴采用成对角接触轴承作为支撑；方位轴系和俯仰轴系均采高精度的圆光栅作为反馈，并经过
信号细分
电路以得到更高的精度。整个装置采用多学科的优化方法设计。
[0009] 所述的望远镜双冗余跟踪机架主要有双冗余方位轴系、双冗余高度轴轴系、叉臂、支撑机构、制动限位装置等组成，如图1所示。
[0010] 方位轴系支撑整个系统，具有极高的回转运动精度以及良好的稳定性，通过方位底座与地基相连接。支撑结构采用高精度的双列角接触轴承ZKLDF650支撑整个望远镜的重量。驱动机构由双余度多相力矩电机和双电机机构组成双余度驱动系统；正常运行时，由多相冗余力矩电机直接驱动，当出现故障或者需要切换到双电机驱动模式，控制系统自动切换。对能量有严格要求的极端环境下，采用两套双电机系统组成的双冗余跟踪系统；位置反馈主要由密封结构、转接结构、高
分辨率的圆光栅及其
信号处理电路组成。位置反馈的信号经过处理后可以作为双电机驱动系统或者多项冗余力矩电机驱动系统的位置反馈信号，也可以作为多相冗余力矩电机的自动寻相的信号。制动限位装置可以同时实现方位轴系的运动范围的调整、紧急制动以及防止机械冲击等功能。参见图1。
[0011] 所述的双电机系统组成的双冗余驱动系统如图2.a、图2.b所示，其中图2.a中，
驱动电机1，3组成一套双电机系统，驱动电机2，4组成一套双电机系统，两套双电机系统组成方位轴的双冗余驱动系统；其他结构与图1.a相同，以满足特殊环境条件下的应用。图2.b为高度采用两套双电机系统组成的双
冗余度系统。高度
驱动轴1，2上各安装一套双电机驱动系统，组成双冗余驱动系统，两套系统共同驱动高度轴，共用一套反馈系统，共用一套高度限位制动系统。
[0012] 高度轴和方位轴采用的双电机驱动机构通过传动齿轮3与方位大齿轮相连，由上位控制系统控制双电机系统驱动方位轴系。传动齿轮3通过涨紧套2与
传动轴4连接，通过
锁紧螺钉9锁紧将传动轴与电机
转子直接相连，
伺服电机10通过螺钉固定在传动箱1上。
[0013] 所述的反馈系统在于通过螺钉7将读数头安装定位轴与方位底座联接见图1，圆光栅固4定在圆光栅方位连接座9上，然后通过
编码器方位
主轴联接板13与方位主轴联接，当方位轴运动时，圆光栅与方位主轴仪器运动，而四个读数头把位置信息传递给信号处理器进而可以控制处理该信息转化为方位轴系的位置、角速度、
角加速度等。
[0014] 参见图4：反馈机构采用了密封结构设计以防止灰尘、
水分、油渍进入安装圆光栅的空间。编码器方位主轴连接板13是旋转运动部件，在该零件的下面，密封板2采用迷宫结构设计；同样，在读数头安装座12上设计了迷宫结构，以防止灰尘、油渍、水分进入。光栅方位轴连接座9采用因
钢材料，防止热胀冷缩对圆光栅精度造成影响。采用四个读数头均布对称布置，消除系统偏心和椭圆对系统精度的影响，也可以根据望远镜系统要求采用八个读数头来进一步提高系统的精度。
[0015] 所述的多相冗余力矩在于方位轴采用双余度多相冗余力矩电机为80极的双余度六相力矩电机，高度轴采用64极的双余度六相力矩电机。电机经优化设计成双余度的六相力矩电机。为适应望远镜的大功率、高可靠性、高容错性、转矩脉动小的运行要求，采用了双Y型的六相电机设计。
[0016] 电机
定子外壳上设计有冷却槽，两侧有密封槽，通
过冷却系统可以提高电机的输出功率。电机的定子外壳设计有定位槽，可以将两个电机线圈可以严格同相定位，并用环
氧树脂填充。降低电机噪声，同时定子外壳上还设计有走线孔，可以将两个电机线缆安装在同一侧。转子上通过自动设备均匀的粘贴有80
块永磁体（高度64块），两个线圈共用一套永磁体。
[0017] 参见图6：所述的限位制动机构通过传动齿轮与望远镜跟踪系统的驱动系统的大齿轮相连，将望远镜的运动传递给限位制动机构，传动齿轮2通过涨紧套与传动轴1连接，传动轴1上设计了梯形
螺纹或者是滚珠
丝杠结构，限位挡块8通过梯形螺纹或者是滚珠
丝杆与传动轴1连接，当主轴旋转时，限位槽板9上设计有一个矩形槽，将限位档位8限定在沿传动轴1轴向方向前后直线移动，限位挡块8上固定安装了
磁性元件1，2，磁性元件1，2 随限位档8位往返做直线运动，当磁性元件接近相应的接近
开关时，将反馈相应的信号给上位
控制器，并控制系统做出相应的动作。如图6所示
传感器1，2，3，4，5，6分三组固定于可沿传动轴轴向移动的限位调整片10，11，12上。调整零位限位调整片11可以将制动限位机构与望远镜的零位相对应。调整正向限位调整片12，可以调整望远镜正向运动范围，调整负向限位调整片9，可以调整望远镜负向运动范围。传动轴1转动时，带动限位挡块8旋转，当到达传感器1、2时，到达最大的正向调整范围，由 1，2传感器发出信号，反馈给上位机控制器，控制系统采取相应的动作。当到达传感器3、4时，到达零位，发出零位位置信号；当到达传感器5、6时，到达最大的负向调整范围，由 5，6传感器发出信号，反馈给上位机控制器，控制驱动系统采取相应的动作。
[0018] 本发明的多相冗余力矩电机直接驱动可以实现定位精度高、调速范围广：过低速时达到0.05″/s，高速时可达到20°/s，且低速运转时无爬行现象。制动限位机构可以同时实现紧急制动、旋转范围可调以及机械冲击保护，旋转范围在正负0~360°范围甚至更大范围内可调；系统能够对任意方向进入的目标进行连续跟踪，本发明也可以应用到其它重型高精密的旋转设备上。
附图说明
[0019] 图1.为望远镜双冗余跟踪机架三维原理图；
[0020] 图2.a为两套双电机组成的方位轴双冗余系统原理图；
[0021] 图2.b为两套双电机组成的高度轴双冗余系统原理图；
[0022] 图3. 为天文望远镜双电机驱动机构三维原理图；
[0023] 图4. 为方位位置反馈机构及控制系统原理图；
[0024] 图5. 为双冗余六相力矩电机原理图；
[0025] 图6-1、图6-2、图6-3为望远镜限位制动机构三维原理图；
[0026] 图7. 为天文望远镜双冗余跟踪实验平台。
具体实施方式
[0027]
实施例1，用于望远镜驱动综合实验平台。主要技术指标：调速范围广：低速时达到0.05″/s，高速时可达20°/s，低速运转时无爬行现象。整体仪器可靠性高、故障率低；系统能对任意方向进入的目标进行连续跟踪，旋转范围在正负0~360°范围甚至更大范围内可调。
[0028] 望远镜双冗余跟踪机架主要有双冗余方位轴系、双冗余高度轴轴系、叉臂、主镜室、中间快、桁架、副镜室及其控制系统组成，如图7所示。
[0029] 方位轴系支撑整个系统，且具有极高的运动精度和良好的稳定性，通过方位底座与地基相连接。支撑结构采用高精度的双列角接触轴承来承受整个望远镜的重量，方位轴系的轴向跳动和径向跳动＜0.01mm；驱动机构由双余度多相力矩电机和双电机机构成双余度驱动系统；正常运行时，由多相冗余力矩电机直接驱动，当出现故障或者需要切换到双电机驱动模式，控制系统自动切换。位置反馈主要由密封结构、转接结构、高分辨率的圆光栅ERA4282C及其信号处理电路组成。位置反馈的信号经过处理后可以作为双电机驱动系统或者多相冗余力矩电机驱动系统的位置反馈信号，同时作为多相冗余力矩电机的寻相信号。制动限位装置同时实现方位轴系和俯仰轴系的运动范围的调整、紧急制动以及防止机械冲击等功能。
[0030] 图1中，高度驱动轴A1-1，叉臂1-2，方位轴大齿轮1-3，方位轴双电机驱动机构1-4，方位轴系1-5，高度轴大齿轮1-6，高度轴制动装置1-7，高度轴双电机驱动机构1-8，高度驱动轴B1-9，方位限位制动装置1-10。
[0031] 图2a中，驱动电机A2-1，驱动电机B2-2，驱动电机C2-3，驱动电机D2-4，传动齿轮3-1，传动轴3-2，限位制动装置1-10。
[0032] 图2b中，高度轴双电机驱动机构A1-8a，高度轴双电机驱动机构B1-8b，高度驱动轴A1-9a，高度轴大齿轮1-6，高度轴制动装置1-7，高度驱动轴A1-1，高度驱动轴B1-9b。
[0033] 参照图3：高度轴和方位轴采用的双电机驱动机构通过传动齿轮3-1与方位轴大齿轮1-3相连，由上位控制系统控制双电机系统驱动方位轴系。传动齿轮3-1通过涨紧套3-9与传动轴3-2连接，通过锁紧螺钉3-7锁紧将传动轴与电机转子直接相连，伺服电机
3-8通过螺钉固定在传动箱3-10上。图3中，轴承端盖A3-3，轴承端盖B3-6，
圆锥滚子轴承3-4、3-5。
[0034] 参照图4：反馈系统在于通过螺钉4-7将读数头安装定位轴与方位底座联接，圆光栅4-10固定在圆光栅方位连接座4-5上，然后通过编码器方位主轴联接板4-9与方位主轴联接，当方位轴运动时，圆光栅与方位主轴仪器运动，而四个读数头4-14、4-15、4-16、4-17把位置信息传递给信号处理器进而可以控制处理该信息转化为方位轴系的位置、角速度、角加速度等。
[0035] 反馈机构采用了密封结构设计以防止灰尘、水分、油渍入安装圆光栅的空间。编码器方位主轴连接板4-9是旋转运动部件，在该零件的下面用密封板A4-6采用迷宫结构设计，同样在度数头安装座4-8、密封板B4-12上也设计了迷宫结构，这样可以防止灰尘、油渍、水分进入。圆光栅方位轴连接座4-5采用因钢材料，防止热胀冷缩对圆光栅精度造成影响。读数头采用四个读数头均布对称布置，可以消除系统偏心和椭圆对系统精度的影响，也可以根据望远镜系统要求采用八个读数头来进一步提高系统的精度。
[0036] 图4中，度数头安装固定架4-1，连接
螺栓4-2、4-3、4-11、4-13，度数头安装定位轴4-4，运动控制器4-18，细分电路4-19。
[0037] 方位轴采用双余度多相冗余力矩电机为80极的双余度六相力矩电机，高度轴采用64极的双余度六相力矩电机。电机经优化设计成双余度的六相力矩电机。为适应望远镜的大功率、高可靠性、高容错性、转矩脉动小的运行要求，采用了双Y型的六相电机设计。
[0038] 电机定子外壳上设计有冷却槽，两侧有密封槽，通过冷却系统可以提高电机的输出功率。电机的定子外壳设计有定位槽，将两个电机线圈严格同相定位，并用
环氧树脂填充。降低电机噪声，同时定子外壳上还设计有走线孔，可以将两个电机线缆安装在同一侧。转子上通过自动设备均匀的粘贴有80块永磁体（高度64块），两个线圈共用一套永磁体。
[0039] 参照图6-1、图6-2、图6-3：限位制动机构通过传动齿轮3-5与望远镜跟踪系统的驱动系统的大齿轮相连，将望远镜的运动传递给限位制动机构，传动齿轮3-5通过涨紧套3-12与传动轴3-6连接，传动轴3-6上采用梯形螺纹（方位轴）或者是滚珠丝杠结构（高度轴）形式，限位挡块6-10通过梯形螺纹（方位轴）或者是
滚珠螺母（高度轴）与传动轴3-6连接。当主轴旋转时，限位槽板6-10上有一个矩形槽，将限位档块6-10限定在只能沿传动轴
3-6轴向方向前后直线移动，限位挡块6-10上固定有磁性元件6-14、6-15，磁性元件6-14、
6-15，随限位档位往返做直线运动，当磁性元件与相应的
接近开关接触时，将反馈相应的信号给上位控制器，并反馈给系统做出相应的动作。如图6所示：接近开关（传感器）6-2、6-3、
6-4、6-5、6-5、6-7分三组固定于可沿传动轴3-6轴向移动的限位调整片6-12、6-13、6-16上。调整零位限位调整片6-13可以将制动限位机构与望远镜的零位相对应。调整正向限位调整片6-12，可以调整望远镜正向运动范围，调整负向限位调整片6-16，可以调整望远镜负向运动范围。传
转轴3-6转动时，带动限位挡块6-10旋转，当到达传感器6-2、6-3时，到达最大的正向调整范围，由传感器6-2、6-3发出信号，反馈给上位机控制器，控制驱动系统采取相应的动作；当到达传感器6-4、6-5时，到达零位，发出零位信号信息；当到达传感器6-5、6-7时，到达最大的负向调整范围，由传感器6-5、6-7发出信号，反馈给上位机控制器，控制驱动系统采取相应的动作。
[0040] 图6-1、图6-2、图6-3中，正向吸能元件6-1，负向吸能元件6-8，电磁
离合器6-9，限位机构
基座6-11，限位槽板6-17。
[0041] 望远镜双余度跟踪实验平台采用多学科优化设计方法设计。整个系统易于加工、装配，运输，维护成本低；承载能力强、摩擦力低，功耗小，传动效率高，回转定位精度高、调速范围广：过低速时达到0.05″/s，高速时可达到20°/s，低速运转时无爬行现象。整体仪器可靠性高、故障率低；系统能对任意方向进入的目标进行连续跟踪；旋转范围在正负0~360°范围甚至更大范围内可调。
