大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡子鏡單元微位移促動(dòng)器綜述

劉炎森,張景旭,楊 飛,安其昌

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡有單塊主鏡和拼接主鏡兩種形式,單塊主鏡受加工精度、制造成本、鏡面變形以及運(yùn)輸安裝等因素影響,口徑在達(dá)到一定程度后便無(wú)法再繼續(xù)增大。目前最大單塊主鏡望遠(yuǎn)鏡口徑達(dá)到8 m級(jí)。拼接鏡面主鏡是由小塊的子鏡按順序排列而成,通過(guò)子鏡主動(dòng)支撐技術(shù)完成各自位置的調(diào)整。因其制造和應(yīng)用等方面的可行性,使其能夠支持望遠(yuǎn)鏡向更大口徑發(fā)展。目前涉及到該技術(shù)的大型望遠(yuǎn)鏡包括已經(jīng)建成的10m級(jí)望遠(yuǎn)鏡W.M.Keck telescope(Keck),KeckⅡ,Hobby-Eberly Telescope(HET),Southern African Large Telescope(SALT),Gran Telescopio Canarias(GTC)[1-8]和我國(guó)的4 m級(jí)望遠(yuǎn)鏡Large sky Area Multi-Object Spectroscopic Telescope(LAMOST)[9],正在建設(shè)當(dāng)中的包括25 m級(jí)望遠(yuǎn)鏡Giant Magellan Telescope(GMT)、30 m級(jí)望遠(yuǎn)鏡Thirty Meter Telescope(TMT)和European Extremely Large Telescope(E-ELT),以及6 m級(jí)太空望遠(yuǎn)鏡James Webb Space Telescope(JWST)[10-13]。

微位移促動(dòng)器是拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡子鏡支撐系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,起到支撐和調(diào)節(jié)子鏡位姿的作用。促動(dòng)器通過(guò)高精度的伸長(zhǎng)或縮短,控制每塊子鏡按照設(shè)計(jì)要求排列在指定位置,從而實(shí)現(xiàn)各子鏡的共焦和共相。拼接鏡面光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡的促動(dòng)器均需達(dá)到納米級(jí)分辨率和毫米級(jí)的行程。隨著望遠(yuǎn)鏡口徑的不斷增大,其所受重力和風(fēng)載等影響導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)的變形量更大,所需促動(dòng)器的行程因此變得更高。而大行程和高精度在實(shí)際應(yīng)用中很難同時(shí)實(shí)現(xiàn),已建10米級(jí)望遠(yuǎn)鏡中應(yīng)用的促動(dòng)器無(wú)法直接應(yīng)用于未來(lái)30米級(jí)或更大口徑的望遠(yuǎn)鏡中[14]。國(guó)外已經(jīng)嘗試采用粗精結(jié)合的方式,即將促動(dòng)器的功能分成卸載系統(tǒng)和精調(diào)兩部分,來(lái)提高促動(dòng)器的行程。并且針對(duì)促動(dòng)器的抗擾性能,分別提出采用柔性促動(dòng)器和對(duì)剛性促動(dòng)器增加主動(dòng)阻尼兩種方案[15-16]。但隨著新問(wèn)題的出現(xiàn),各種促動(dòng)器結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步優(yōu)化。國(guó)內(nèi)也曾對(duì)應(yīng)用于拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡的微位移促動(dòng)器及其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試[17-19],均獲得不錯(cuò)的測(cè)試結(jié)果,但相比更大口徑望遠(yuǎn)鏡促動(dòng)器的使用要求,還需要開展更深入的研究。本文旨在通過(guò)分析各種促動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式,結(jié)合促動(dòng)器的發(fā)展要求,總結(jié)位移促動(dòng)器的發(fā)展趨勢(shì),為未來(lái)大口徑望遠(yuǎn)鏡促動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供參考。

本文首先闡述微位移促動(dòng)器的功能和原理,然后介紹各種微位移促動(dòng)器的結(jié)構(gòu),接下來(lái)將其分類和匯總,并對(duì)比各種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)劣,最后針對(duì)大型光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展需要,對(duì)促動(dòng)器的發(fā)展趨勢(shì)做出總結(jié)。

2 微位移促動(dòng)器發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 微位移促動(dòng)器的性能要求

微位移促動(dòng)器的主要作用是調(diào)節(jié)子鏡位姿。子鏡沿鏡面法向的旋轉(zhuǎn)以及在鏡面所在平面內(nèi)的移動(dòng)由被動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)約束,移動(dòng)量很小且不會(huì)對(duì)望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。而子鏡沿鏡面法向的移動(dòng)(離焦)和相對(duì)鏡面的偏轉(zhuǎn)則會(huì)嚴(yán)重破壞望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量。為了控制子鏡的離焦和偏轉(zhuǎn),通常在每塊子鏡背面布置三個(gè)促動(dòng)器,通過(guò)子鏡邊緣的位置傳感器檢測(cè)子鏡間位置誤差,并將誤差信號(hào)反饋給促動(dòng)器,對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償,從而保持各子鏡間相對(duì)位置的精確。

根據(jù)望遠(yuǎn)鏡的成像要求,可推算出各子鏡間相對(duì)位置的最大誤差要求,也即微位移促動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)精度要求。望遠(yuǎn)鏡在不同的俯仰角工作或在跟蹤觀測(cè)目標(biāo)時(shí)會(huì)由于重力而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形,促動(dòng)器需要具有一定的行程以補(bǔ)償望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的變形。同時(shí)促動(dòng)器的負(fù)載能力應(yīng)該大于鏡面對(duì)促動(dòng)器的壓力。此外促動(dòng)器還應(yīng)具有快速的反應(yīng)能力以及一定的壽命和可靠性[20]。

由于各望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)對(duì)象和成像要求不同,導(dǎo)致對(duì)促動(dòng)器的分辨率要求不同。例如HET,SALT和LAMOST的使用要求均為光譜觀測(cè)[21-23],只需要滿足光線的共焦要求,促動(dòng)器達(dá)到幾十納米的分辨率即可。而其他需要對(duì)觀測(cè)目標(biāo)成清晰影像的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,則要求同時(shí)滿足光線的共焦和共相,促動(dòng)器應(yīng)具有幾納米的分辨率。同時(shí)受望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)和觀測(cè)環(huán)境等影響,使促動(dòng)器的使用條件不同。如各拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡的子鏡大小不同,所需促動(dòng)器的負(fù)載能力就不同。故不同的望遠(yuǎn)鏡都對(duì)其使用的微位移促動(dòng)器提出各自的性能要求。

2.2 已建成望遠(yuǎn)鏡中應(yīng)用的促動(dòng)器

2.2.1 Keck和KeckⅡ促動(dòng)器

Keck促動(dòng)器主要由伺服電機(jī)、滾柱絲杠和液壓裝置組成，如圖1所示。旋轉(zhuǎn)編碼器監(jiān)測(cè)伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度,其分辨率決定了促動(dòng)器的最小步長(zhǎng)。滾柱絲杠和輸出軸采用了兩種不同的導(dǎo)向裝置,滾柱絲杠的運(yùn)動(dòng)范圍較大,通過(guò)滑動(dòng)導(dǎo)軌支撐,而輸出軸的行程很小,用撓性膜片支撐,既簡(jiǎn)單又實(shí)用。經(jīng)測(cè)試,促動(dòng)器的平均分辨率大約為4.15 nm左右,平均定位精度為7 nm[24]。KeckⅡ望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)與Keck望遠(yuǎn)鏡相同,僅在軟件和電腦硬件系統(tǒng)等方面做出改進(jìn)[8]。

圖1 Keck促動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)[24]

2.2.2 HET和SALT促動(dòng)器

HET在觀測(cè)時(shí)主鏡保持55°仰角恒定,只做方位運(yùn)動(dòng),使望遠(yuǎn)鏡子鏡支撐系統(tǒng)受力方向和大小保持恒定。子鏡位姿由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的商用線性促動(dòng)器搭載撓性杠桿控制。由桁架提供支點(diǎn),利用杠桿將子鏡和促動(dòng)器相連，如圖2所示。杠桿提供11.9∶1的縮放,以提高商用促動(dòng)器的精度和負(fù)載能力。商用促動(dòng)器由TS Products(Post Falls,Idaho)提供,為2200型直線驅(qū)動(dòng)設(shè)備。該促動(dòng)器具有25 mm的行程和218 nm的分辨率。整個(gè)系統(tǒng)最終可獲得1.83 mm的行程和18 nm的分辨率[25]。

圖2 HET子鏡支撐結(jié)構(gòu)[25]

SALT為與HET對(duì)應(yīng)放置在南半球的望遠(yuǎn)鏡,其設(shè)計(jì)以HET為基礎(chǔ),并根據(jù)觀測(cè)需求、科技進(jìn)步和HET的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)等方面做出改進(jìn)[21]。SALT促動(dòng)器同樣以商用促動(dòng)器為基礎(chǔ),搭配縮放比為12∶1的杠桿提高運(yùn)動(dòng)精度。其促動(dòng)器由Physic Instrumente公司提供,具有20 mm行程和360 nm的分辨率[26]。

2.2.3 GTC促動(dòng)器

GTC促動(dòng)器原理與Keck促動(dòng)器相似,同樣由電機(jī)、滾柱絲杠和液壓裝置組成。通過(guò)帶有編碼器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾柱絲杠,將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向運(yùn)動(dòng),再以液壓裝置對(duì)軸向位移進(jìn)行縮放,保證輸出端的運(yùn)動(dòng)精度和負(fù)載能力。該促動(dòng)器精度為1.19 nm,行程可達(dá)到1.6 mm左右[27]。

2.2.4 LAMOST促動(dòng)器

LAMOST反射改正板MA選擇使用商用促動(dòng)器搭配柔性杠桿。促動(dòng)器選用美國(guó)Diamond Motion(原TS Products)公司的TS 2200型直線設(shè)備,行程25 mm,分辨率50 nm。杠桿縮放比為10∶1,并設(shè)計(jì)成柔性結(jié)構(gòu),如圖3所示。杠桿通過(guò)一副垂直布置的高強(qiáng)度不銹鋼片作為支點(diǎn),即杠桿扭轉(zhuǎn)部分,能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)空回和無(wú)摩擦。杠桿橫梁末端布置兩副平行的鋼片,分別對(duì)促動(dòng)器進(jìn)行側(cè)向解耦和軸向解耦,以保護(hù)促動(dòng)器免受過(guò)度側(cè)向力[28]。

圖3 LAMOST柔性杠桿[28]

2.3 未來(lái)30 m級(jí)望遠(yuǎn)鏡促動(dòng)器設(shè)計(jì)方案

2.3.1 TMT促動(dòng)器初期結(jié)構(gòu)

TMT促動(dòng)器設(shè)計(jì)成一種柔性結(jié)構(gòu),由重力卸載機(jī)構(gòu)和音圈電機(jī)組成。重力卸載機(jī)構(gòu)旨在平衡鏡面重力,即提供支持力,并為促動(dòng)器提供行程。音圈電機(jī)對(duì)輸出軸施加額外推力,進(jìn)行精密調(diào)節(jié)。如圖4所示。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)線軸,繞過(guò)定滑輪為彈簧施加拉力,然后通過(guò)杠桿推動(dòng)輸出軸。杠桿支點(diǎn)采用商用的C-Flex撓性軸承,可提供足夠的軸向和徑向剛度,并減小摩擦和空回。音圈電機(jī)為中空結(jié)構(gòu)。輸出軸纏有線圈,從電機(jī)磁體中穿過(guò)。該結(jié)構(gòu)步長(zhǎng)不能確定,需要在輸出軸安裝位置傳感器檢測(cè)促動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)量[14]。

2.3.2 E-ELT促動(dòng)器初期結(jié)構(gòu)

E-ELT初期設(shè)計(jì)的促動(dòng)器同樣采用柔性結(jié)構(gòu)。如圖5所示。重力卸載機(jī)構(gòu)提供 μm級(jí)的移動(dòng)精度,音圈電機(jī)提供nm級(jí)的精度,兩段結(jié)合以實(shí)現(xiàn)大行程和高精度。促動(dòng)器以無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng),由行星齒輪減速,通過(guò)精密絲杠結(jié)構(gòu)推動(dòng)平板彈簧外側(cè),兩片平板彈簧成對(duì)使用,輸出軸連接在板簧內(nèi)側(cè)。音圈電機(jī)磁體和線圈分別安裝在輸出軸和卸載機(jī)構(gòu)上,協(xié)助彈簧為輸出軸施加推力。試驗(yàn)證明其鏡面定位誤差的平均值小于3 nm[29]。

圖4 TMT初期促動(dòng)器[14]

圖5 E-ELT促動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)[29]

2.4 其他促動(dòng)器結(jié)構(gòu)

其他一些被討論、設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)過(guò)的微位移促動(dòng)器對(duì)該技術(shù)的發(fā)展同樣具有參考價(jià)值。包括部分拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡促動(dòng)器的前期設(shè)計(jì),如Keck望遠(yuǎn)鏡早期未采用液壓裝置的精密滾柱絲杠促動(dòng)器設(shè)計(jì)[20,30]、LAMOST帶有平衡重作為重力卸載結(jié)構(gòu)的促動(dòng)器設(shè)計(jì)[31-32]、CELT帶有主動(dòng)卸載和被動(dòng)卸載裝置結(jié)合的柔性促動(dòng)器設(shè)計(jì)[33]。CELT(即TMT前身)曾對(duì)促動(dòng)器技術(shù)做了系統(tǒng)的調(diào)查,總結(jié)了促動(dòng)器的性能要求,提出和對(duì)比各種促動(dòng)器可行方案,并介紹了促動(dòng)器相關(guān)技術(shù)[34]。大型地基拼接望遠(yuǎn)鏡GMT,采用稀疏口徑布局設(shè)計(jì),并非傳統(tǒng)意義上的拼接鏡,其單塊子鏡直徑已達(dá)8.4 m,使其子鏡質(zhì)量和所受風(fēng)載以及重力的影響均和上述拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡有很大差別。不同于其他拼接鏡面主動(dòng)支撐系統(tǒng),其主動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)采用硬點(diǎn)定位技術(shù)[35]。空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡JWST,因其工作環(huán)境不受重力影響,因此其子鏡支撐系統(tǒng)以及對(duì)促動(dòng)器的性能要求均不同于地面望遠(yuǎn)鏡,其促動(dòng)器形式同樣有所不同[36-37]。

2.5 微位移促動(dòng)器最新進(jìn)展

TMT曾對(duì)剛性促動(dòng)器和柔性促動(dòng)器進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試,柔性促動(dòng)器在抑制震動(dòng)方面表現(xiàn)更好,進(jìn)而開展了深入的研究。促動(dòng)器結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化,改用精密絲杠和杠桿作為卸載機(jī)構(gòu),音圈電機(jī)也通過(guò)杠桿和輸出軸相連,以減小音圈電機(jī)的負(fù)載,如圖6所示。該促動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)大于5 mm的行程和小于5 nm的分辨率[10,15]。E-ELT在主鏡裝配測(cè)試中采用三個(gè)基于壓電陶瓷的剛性促動(dòng)器。并嘗試在剛性促動(dòng)器上應(yīng)用正位置反饋對(duì)系統(tǒng)震動(dòng)做主動(dòng)抑制,經(jīng)過(guò)測(cè)試證明,該方法能夠在極低的成本下實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能[16]。E-ELT也曾對(duì)柔性促動(dòng)器中粗精結(jié)合的動(dòng)作方式進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析,并設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng),最終使促動(dòng)器的定位誤差保持在1.4 nm[38]。目前E-ELT已經(jīng)對(duì)子鏡總體支撐系統(tǒng)做出了進(jìn)一步的改進(jìn)和測(cè)試[39-40]。

圖6 TMT促動(dòng)器[10]

印度為了提高在大型光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡方面的技術(shù)水平,開展了1.5 m口徑拼接望遠(yuǎn)鏡Prototype Segmented Mirror Telescope(PSMT)的測(cè)試。PSMT采用了柔性促動(dòng)器結(jié)構(gòu),如圖7所示。該望遠(yuǎn)鏡的口徑較小,其子鏡直徑僅有60 cm,對(duì)促動(dòng)器的行程要求僅為±1.5 mm。其設(shè)計(jì)的碟形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可有效防止輸出軸徑向偏移,且成本低,占用空間小。通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的優(yōu)化,PSMT促動(dòng)器在測(cè)試中的穩(wěn)態(tài)誤差和追蹤誤差僅為5.73 nm和10.15 nm[41-43]。

圖7 PSMT促動(dòng)器模型及剖視圖[42]

國(guó)內(nèi)在大型拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡促動(dòng)器技術(shù)上也做了相關(guān)探索。例如結(jié)合LAMOST項(xiàng)目,設(shè)計(jì)了一種精密絲杠形式促動(dòng)器,其分辨率到達(dá)(201±48)nm[17]。針對(duì)大型拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡,研制了基于巨磁致伸縮材料的促動(dòng)器,如圖8所示。

圖8 子鏡主動(dòng)支撐系統(tǒng)及促動(dòng)器簡(jiǎn)圖[18]

經(jīng)測(cè)試分析,其有能力在600N的負(fù)載下實(shí)現(xiàn)2 mm的行程并達(dá)到6 nm的分辨率[18,44]。在促動(dòng)器的控制方面,設(shè)計(jì)了一種基于音圈電機(jī)促動(dòng)器的自抗擾控制器,可有效改善系統(tǒng)的追蹤誤差和抗擾性能[19]。對(duì)于子鏡位姿的偏轉(zhuǎn),針對(duì)壓電陶瓷促動(dòng)器開展了子鏡控制系統(tǒng)的研究[45]。國(guó)內(nèi)在其他用途望遠(yuǎn)鏡促動(dòng)器技術(shù)上的研究也可作為此領(lǐng)域的參考。例如針對(duì)110 m口徑的新疆奇臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)的高精度位移促動(dòng)器[46-47],基于南極低溫環(huán)境下射電望遠(yuǎn)鏡研究的微位移促動(dòng)器[48],以及應(yīng)用于環(huán)形太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的微位移促動(dòng)器和應(yīng)用于空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的音圈力促動(dòng)器[49-50]。

2.6 微位移促動(dòng)器參數(shù)對(duì)比

綜合考慮已建和在建大型地基光學(xué)紅外拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡的基本情況,對(duì)其采用的促動(dòng)器的兩個(gè)主要參數(shù),即精度和行程進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。表中促動(dòng)器參數(shù)為設(shè)計(jì)值。

表1 促動(dòng)器主要參數(shù)對(duì)比

3 微位移促動(dòng)器分析

3.1 位移促動(dòng)器結(jié)構(gòu)分類

為便于理解促動(dòng)器的工作原理和動(dòng)作方式,按照力或力矩的傳遞過(guò)程,將微位移促動(dòng)器分解成不同機(jī)構(gòu),并對(duì)相似結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸類,總結(jié)出4種類型,分別為采用液壓縮放裝置的液壓促動(dòng)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的商用線性促動(dòng)器搭載杠桿、基于粗精結(jié)合方式的音圈電機(jī)促動(dòng)器和應(yīng)用磁致伸縮原理的巨磁致伸縮促動(dòng)器。如表2所示。

表2 微位移促動(dòng)器分類

液壓促動(dòng)器由電機(jī)、精密絲杠和液壓缸三部分組成，如圖9所示。由驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生扭矩,通過(guò)精密絲杠將扭矩轉(zhuǎn)換為軸向推力,經(jīng)過(guò)液壓缸將推力放大后傳遞到輸出軸。液壓裝置運(yùn)動(dòng)平順,且能夠提供較大的縮放比,可以使絲杠在較小負(fù)載下工作。但在促動(dòng)器需要較大行程時(shí),絲杠必須提供足夠的位移量,這將造成系統(tǒng)累積誤差增大。如Keck促動(dòng)器的液壓裝置縮放比為24∶1,若將其行程由1.1 mm增大至5 mm,需要精密絲杠的位移量達(dá)到120 mm左右。

圖9 液壓促動(dòng)器

商用促動(dòng)器不是針對(duì)拼接鏡面子鏡主動(dòng)支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)的,在精度和負(fù)載方面,商用促動(dòng)器都不能達(dá)到拼接鏡的使用需求。利用杠桿放大精度和負(fù)載,在一定程度上解決了問(wèn)題,如圖10所示。但經(jīng)過(guò)杠桿縮放,導(dǎo)致總體的行程較小,很難滿足未來(lái)望遠(yuǎn)鏡的大行程要求,因此限制了商用促動(dòng)器的應(yīng)用。

圖10 商用促動(dòng)器

音圈電機(jī)促動(dòng)器可分為卸載裝置和音圈電機(jī)兩部分。通過(guò)卸載裝置對(duì)鏡面提供支撐和位移,使音圈電機(jī)在小負(fù)載下工作。音圈電機(jī)的力可視為施加到了卸載彈簧上,通過(guò)協(xié)助彈簧伸長(zhǎng)或壓縮,使輸出軸精密的移動(dòng)。如圖11和圖12所示。因而促動(dòng)器的精度取決于音圈電機(jī)的出力精度和彈簧的彈性系數(shù)。其中TMT促動(dòng)器和E-ELT促動(dòng)器相比,在驅(qū)動(dòng)器和輸出軸之間安裝了杠桿機(jī)構(gòu),使驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載更小,能夠減少功耗和成本。但杠桿結(jié)構(gòu)占用空間,且使輸出位移非線性,對(duì)促動(dòng)器的行程會(huì)有一定影響。

巨磁致伸縮促動(dòng)器是我國(guó)的一個(gè)研究項(xiàng)目,是針對(duì)拼接鏡面子鏡單元設(shè)計(jì)的[13]。如圖13所示。它的動(dòng)作可分為兩個(gè)階段。先利用兩個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)位移的磁致伸縮促動(dòng)器串聯(lián),經(jīng)過(guò)杠桿將位移放大,使促動(dòng)器具有一個(gè)滿意的行程,再由高分辨率的磁致伸縮促動(dòng)器進(jìn)行精密的調(diào)節(jié)。

圖11 E-ELT,PSMT促動(dòng)器

圖12 TMT促動(dòng)器

圖13 巨磁致伸縮促動(dòng)器

3.2 位移促動(dòng)器結(jié)構(gòu)對(duì)比

微位移促動(dòng)器通過(guò)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生力或轉(zhuǎn)矩,經(jīng)過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到輸出軸,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)也承擔(dān)著放大力和縮小位移的作用,使促動(dòng)器精度更高,負(fù)載更大。各機(jī)構(gòu)在促動(dòng)器實(shí)際應(yīng)用中的主要性能表現(xiàn)如表3和表4所示。對(duì)于采用音圈電機(jī)的柔性促動(dòng)器,音圈電機(jī)屬于附加的用于精密調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。壓電陶瓷材料和巨磁致伸縮材料既可以作為精密調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),也可以通過(guò)杠桿將其行程放大,作為主要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。各種結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)均有優(yōu)劣,無(wú)法找到一個(gè)完美的機(jī)構(gòu)使其完全適用于微位移促動(dòng)器的各項(xiàng)要求。在做促動(dòng)器的設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)將優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的機(jī)構(gòu)搭配使用。如將液壓裝置和滑動(dòng)絲杠結(jié)合,既解決了機(jī)構(gòu)自鎖問(wèn)題,也可使機(jī)構(gòu)運(yùn)行更加平順。將壓電陶瓷和杠桿結(jié)合,以解決其行程不足的問(wèn)題。同時(shí)也可以考慮機(jī)構(gòu)的優(yōu)化,如對(duì)液壓機(jī)構(gòu)優(yōu)化,改善其漏液?jiǎn)栴},以減少后期維護(hù)。

表3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)比

表4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)比

3.3 微位移促動(dòng)器輔助機(jī)構(gòu)

除驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以外,在設(shè)計(jì)微位移促動(dòng)器時(shí)還應(yīng)考慮移動(dòng)部件的導(dǎo)向問(wèn)題、轉(zhuǎn)動(dòng)部件的軸向固定問(wèn)題、系統(tǒng)的密封問(wèn)題和預(yù)緊問(wèn)題等。如輸出軸或滑動(dòng)絲杠的螺母在軸向移動(dòng)時(shí),會(huì)因負(fù)載而產(chǎn)生徑向偏移,降低促動(dòng)器精度；滑動(dòng)絲杠在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),如果不增加止推裝置則會(huì)使電機(jī)因承受軸向力而縮短壽命；同時(shí),為防止滑動(dòng)絲杠產(chǎn)生空回和液壓裝置產(chǎn)生負(fù)壓,需要對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行一定的預(yù)緊。

3.4 剛性促動(dòng)器和柔性促動(dòng)器對(duì)比

通常把應(yīng)用音圈電機(jī)的、在不通電的情況下剛性很小的促動(dòng)器稱為柔性促動(dòng)器,如TMT促動(dòng)器和E-EL促動(dòng)器。相對(duì)于柔性促動(dòng)器,將傳統(tǒng)的液壓促動(dòng)器、絲杠形式的商用促動(dòng)器和巨磁致伸縮促動(dòng)器等稱為剛性促動(dòng)器。應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)和子鏡支撐系統(tǒng)的閉環(huán)控制可有效抑制由重力、溫度變化和風(fēng)載引起的擾動(dòng),而無(wú)法減緩由機(jī)械震動(dòng)帶來(lái)的高頻率擾動(dòng)[51]。TMT促動(dòng)器在改進(jìn)過(guò)程中,曾對(duì)剛性促動(dòng)器和柔性促動(dòng)器做出測(cè)試對(duì)比,應(yīng)用音圈電機(jī)的柔性促動(dòng)器能夠更好的抑制內(nèi)部震動(dòng),應(yīng)用壓電陶瓷的剛性促動(dòng)器則在抑制風(fēng)載干擾方面表現(xiàn)更好。但考慮柔性促動(dòng)器最差的表現(xiàn)優(yōu)于剛性促動(dòng)器最差的表現(xiàn),進(jìn)而選擇柔性進(jìn)行后續(xù)研究。而應(yīng)用壓電陶瓷的剛性促動(dòng)器由于采用了力反饋機(jī)制,同樣可滿足其可靠性評(píng)估要求,將作為備選設(shè)計(jì)[15]。E-ELT在剛性促動(dòng)器上采用正位置反饋對(duì)系統(tǒng)震動(dòng)做主動(dòng)抑制,在極低的成本下實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能[16],證明剛性促動(dòng)器同樣具有一定的發(fā)展空間。

參考以往的促動(dòng)器試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),對(duì)剛性促動(dòng)器和柔性促動(dòng)器的優(yōu)缺點(diǎn)做出對(duì)比,如表5所示。

表5 剛性促動(dòng)器和柔性促動(dòng)器對(duì)比

剛性促動(dòng)器雖然抑制震動(dòng)能力差,但加以應(yīng)用適當(dāng)?shù)姆答仚C(jī)制以及合理的算法控制,可改善其抗擾性能。受促動(dòng)器整體剛度的影響,負(fù)載變化會(huì)引起促動(dòng)器結(jié)構(gòu)伸長(zhǎng)或縮短,使促動(dòng)器輸出位移偏大或偏小。而柔性促動(dòng)器依靠位置傳感器確定步長(zhǎng),其動(dòng)作量只服從傳感器信號(hào),不受促動(dòng)器變形影響,故理論上處于絕對(duì)剛性。

3.5 微位移促動(dòng)器的測(cè)試

微位移促動(dòng)器在試制完成后要經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)試,以檢測(cè)其是否滿足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)促動(dòng)器的分辨率,可多次測(cè)量促動(dòng)器最小步長(zhǎng)然后求平均值,或在檢測(cè)分辨率不足的情況下,每次測(cè)量最小步長(zhǎng)的若干倍,最后計(jì)算分辨率。對(duì)促動(dòng)器的平均定位精度,應(yīng)多次測(cè)量任意方向、任意步長(zhǎng)的定位誤差,最后計(jì)算其平均值作為平均定位誤差。對(duì)于柔性促動(dòng)器,因其為閉環(huán)控制,故其定位結(jié)果在設(shè)定值左右波動(dòng),應(yīng)對(duì)其穩(wěn)定時(shí)的平均波動(dòng)誤差和運(yùn)動(dòng)時(shí)的平均波動(dòng)誤差進(jìn)行測(cè)試。此外,隨著望遠(yuǎn)鏡口徑的增大,還應(yīng)考慮風(fēng)載帶來(lái)的擾動(dòng)和望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的震動(dòng),所以應(yīng)對(duì)促動(dòng)器進(jìn)行風(fēng)載和震動(dòng)的抗擾性測(cè)試。

4 結(jié)論及展望

目前10米級(jí)望遠(yuǎn)鏡微位移促動(dòng)器的行程均在2 mm以內(nèi),且均為剛性促動(dòng)器。若將其行程擴(kuò)大,將會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的縮放比過(guò)大,或?qū)е驴s放之前的行程過(guò)大,以致累積誤差增大。而杠桿由其縮放比例和杠桿大小相關(guān),且過(guò)大的縮放比例也會(huì)導(dǎo)致輸入和輸出位移的非線性,使其進(jìn)一步應(yīng)用受到限制。然而多年的實(shí)際應(yīng)用證明,傳統(tǒng)的剛性促動(dòng)器具有相當(dāng)優(yōu)異的可靠性,對(duì)于機(jī)構(gòu)固有的摩擦、滯后、爬行和變形等影響,可通過(guò)在輸出軸增加位置傳感器的方式加以改善,以期實(shí)現(xiàn)未來(lái)望遠(yuǎn)鏡所需要的大行程。而對(duì)于抑制望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)問(wèn)題,可選擇應(yīng)用主動(dòng)阻尼技術(shù),或改用結(jié)合音圈電機(jī)的柔性結(jié)構(gòu)。音圈電機(jī)由其具有高精度、高靈敏度和高帶寬等性質(zhì),使其能夠解決機(jī)械振動(dòng)和風(fēng)載等帶來(lái)的擾動(dòng),適合在微位移促動(dòng)器中開展更深入的應(yīng)用。

隨著望遠(yuǎn)鏡口徑的不斷增大,對(duì)促動(dòng)器性能要求也變得更高。既要求其滿足超高的精度要求和超大的行程要求,又要同時(shí)兼顧功耗要求和預(yù)算要求,以及一定的抗擾能力。同時(shí)因其維修和更換的不便性,使系統(tǒng)應(yīng)具有更高的可靠性及更長(zhǎng)的壽命。設(shè)計(jì)符合發(fā)展要求的微位移促動(dòng)器仍然具有很大挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)在拼接鏡面微位移促動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)不多,考慮到未來(lái)自主大口徑望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展,應(yīng)該在促動(dòng)器方面做進(jìn)一步的探索。