拼合镜面望远镜的低温微位移促动器研究

发布时间：2016-04-11 23:10

第 1 章  绪   论

在主动反射面技术中，反射面由多块子面板拼合而成，一般的，每个子面板都由3个以上的微位移促动器进行支撑和调节，实现子面板的俯仰、偏摆和平动。微位移促动器作为子面板的支撑和调节机构，是一种精密的直线位移输出装置，需要具有高分辨率（微纳米级）、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。图1-3为上海65米射电望远镜的单台微位移促动器安装示意图和主反射面背架上的微位移促动器阵列，以及安装好的2块子面板。在主动反射面技术中，微位移促动器的尺寸、结构以及性能参数要与子面板的尺寸、重量、形式等相匹配。目前，世界上采用主动反射面技术的射电望远镜采用的微位移促动器几乎都是自行研制。随着天文学的发展，天文学家将对更高分辨率的射电望远镜提出需求，射电望远镜的口径将越来越大。届时，由于子面板数量增多，对微位移促动器的需求将急剧增大。同时，由于南极天文学对大型天文望远镜的需求，使得低温微位移促动器的研制尤为重要。

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第 2 章  低温微位移促动器的设计方案与分析

2.1  低温微位移促动器概述

微位移促动器的结构主要包括驱动元件、位移缩放机构、导向机构和预紧机构。驱动元件为促动器的动力源，并控制促动器的位移输出。位移缩放机构是微位移促动器的核心部分，具有协调促动器的行程和精度的功能，其需要具有缩放比稳定、摩擦磨损小、回程间隙小等特点。导向机构则负责保证位移促动器输出直线位移，并具有一定的防转功能，主要有直线轴承、柔性导向机构、膜片导向机构。预紧机构则是用于消除或减小机械传动部分的回程间隙和轴向跳动，弹性元件是最常用的预紧机构。 由技术指标可知，本课题研制的微位移促动器属于小型、大行程、耐低温位移促动器，其尺寸限制比较严格。综合目前所掌握的国内外微位移促动器资料，结合设计指标，确定了两种低温微位移促动器的结构方案，如表2-1所示：

2.2  低温微位移促动器结构材料分析

低温对材料性能的影响是多方面的，包括机械性能和热物理性质，即材料的机械强度、弹性模量、泊松比、塑性和韧性、比热容、热导率以及热膨胀率等在一定程度上都受温度的影响。一般来说，温度下降时，常用的固体材料的机械强度、弹性模量和硬度都会有所增加，但是殷钢比较特殊，其弹性模量随温度降低而减小。对于不存在低温塑性-脆性转变的材料，温度降度，塑性会略有增加，对于存在低温塑性-脆性转变的材料，其延伸率在低温脆变断裂时会降低到 2~3%左右。对于固体材料的热膨胀系数，温度下降时，常用的固体材料的热膨胀系数会越来越小，但是合金会受到组分的影响，而非金属材料的热膨胀系数具有明显的各向异性[30]。本课题重点考虑低温对金属材料的机械强度、韧性以及热膨胀系数和弹性模量的影响。

第 3 章  低温微位移促动器的热力耦合分析 ........ 23 

3.1  热分析和热力耦合分析的基本理论 ............. 23
3.2  单元的选取与材料参数设定 ................. 25 
3.3  南极使用环境下的促动器热分析 .............. 26
3.4  本章小结 .................... 39
第 4 章  低温微位移促动器的安装调试与性能测试 .................. 40 
4.1  低温微位移促动器的装配.............. 40 
4.2  低温微位移促动器的控制系统搭建 ........ 41 
4.3  室温环境下的促动器性能测试 ................ 41
4.4 -40°C 低温环境下的促动器性能测试 ................. 47
4.5 -70°C 低温环境下的促动器性能测试 ............. 50 
4.6  本章小结 ............ 52 
结   论 .............. 53

第 4 章  低温微位移促动器的安装调试与性能测试

4.1  低温微位移促动器的装配

由本文 2.1.2 节知，差动促动器的低温步进电机和驱动杆安装于滚动直线导轨上，并且驱动杆还与左侧端盖配合，差动螺旋机构的螺母 B 安装于基座上，因此安装时必须要保证电机轴、驱动杆、螺母 B 以及左侧端盖的同轴度，否则将影响促动器的输出精度，甚至将丝杠卡死。直驱促动器的驱动杆、支撑轴承、低温步进电机和左侧端盖的同轴度由零件的加工精度予以保证，装配时需要仔细调节轴承与电机之间的轴向距离，使其与壳体相配合，否则会使轴承和电机受到额外的轴向载荷，影响促动器输出精度，甚至将轴承卡死。 两种低温微位移促动器的位移缩放机构都是基于梯形螺旋传动原理，螺杆是促动器中的重要零件，并且两种促动器的螺杆的螺牙都较小，因此在装配时需要格外小心，不能损坏螺杆的螺纹，以免影响传动精度。

4.2  低温微位移促动器的控制系统搭建

促动器的控制系统需要能够实现步进电机的转速设定、转向设定、转动角度设定。步进电机无法像普通的直流电机和交流电机那样在常规下使用，需要步进电机驱动器进行驱动。本文所选用的步进电机驱动器为国产斯达特 MS-2H057M 两相混合式步进驱动器。本文的步进电机控制系统由电脑、松下 PLC、步进电机驱动器、24V 稳压直流电源组成，如图 4-2 所示。控制程序的编制采用 VC++ 6.0和松下 PLC 通用的梯形图编程工具，软件界面如图 4-3 所示，功能能够满足促动器性能测试的要求。

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结   论

本文所做工作的主要结论归纳如下：（1）研制了差动促动器和直驱促动器，并采用有限元方法对其静、动力学特性进行了分析。静力学分析结果表明两种促动器关键零件的强度满足要求，并且促动器的轴向刚度比较稳定，随温度降低有所增加；模态分析结果显示两种促动器的一阶固有频率都比较高，说明两种促动器都具有较高的刚度和稳定性；有限元分析结果表明，差动促动器的静、动力学特性优于直驱促动器。（2）建立了南极低温环境下两种微位移促动器的热力耦合分析的有限元模型，对促动器的温度场、应力、变形以及对子面板的支撑精度进行了分析。热力耦合分析结果表明：两种促动器的强度满足要求，直驱促动器的结构较为灵活；在南极使用环境中，直驱促动器的升温速度较快，产生的应力较小。（3）室温环境中，在 60N 轴向负载作用下，，差动促动器和直驱促动器的步进精度分别达到 和 ，重复精度分别达到±2.1 和±2.4 ，定位精度分别为 3.83 和 9.60 ，最小二乘线性度分别达到 1.186%和 0.945%。

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参考文献（略）

本文编号：37975