（机械电子工程专业论文）lamost小焦面系统误差初步分析.pdf

摘要 “大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜” ( l a r g es k ya r e am u l t i - o b j e c t o p t i c a ls p e c t r o s c o p i ct e l e s c o p e ，l a m o s t ) 是我国正在进行的一项重大科学工 程项目，建成后将成为世界上最大视场兼口径的光学天文望远镜。 针对l a m o s t 中要在直径为1 7 5 米的焦面板上精确定位4 ，0 0 0 根光纤的定 位难题，中国科学技术大学精密机械与精密仪器系邢晓正教授开创性提出了基 于分区思想的并行可控式光纤定位方案。由于该方案在技术上有着系列突出 优点，从而被工程指挥部确定为最终工程实施方案，并且光纤定位实验室已于 2 0 0 3 年成功地研制了中试系统。 中试系统的成功验收，离最终要建立起大焦面系统，其中仍有许多问题急 待待解。为此自2 0 0 6 年2 月份开始，我们着手于搭建包含有2 5 6 个定位单元的 l a m o s t 光纤定位小焦面试验系统( 文中简称：小焦面系统) ，作为过渡到 l a m o s t 光纤定位大焦面系统。小焦面系统涉及到了诸多可能会在今后大焦面 系统中出现的问题，如测量系统的精度和稳定性问题、定位单元机械误差补偿 及结构改进问题等等。我们在这一系列的问题上做了许多有益的尝试，提出了 相应的解决办法。小焦面系统在2 0 0 7 年2 月2 7 日通过了项目专家组的鉴定。 本文作者主要的研究工作包括以下几个方面： 1 小焦面系统所需单元头的跑合，单元机构的可靠性及寿命的研究，单元 机构的分析、改进，以及单元机构制造误差及装配误差的分析。 2 小焦面系统的搭建，测量系统稳定性分析，以及小焦面系统的各单元两 轴重复定位误差、标定曲线测试，分度误差、二维运动误差、小焦面系 统随机走点定位误差的测试。 3 小焦面测试数据的处理，分析，总结。以及协助其他成员完成系统通讯 性能、稳定性和抗干扰性测试。 本文对小焦面系统研制中的定位误差的两个主要来源：单元机械结构方面 及测量方面，从理论上和实践上进行了深入的研究和探讨。通过实验数据全面 地分析了影响定位精度相关因素；提出基于标定思想的误差补偿方法；对c c d 测量系统实验室相关条件下稳定性作了相关分析研究。这些研究将会对 l a m o s t 大焦面系统的研制工作有着重要的理论和实践参考价值。 关键词：l a m o s t ；光纤定位；小焦面系统；定位精度；误差分析 t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef i n a il a m o s tf i b e rp o s i t i o n i n gs y s t e md e v e i o p m e n t k e y w o r d s ： l a m o s t ；f i b e rp o s i t i o n i n g ；s m a l ls y s t e m ；p o s i t i o n i n gp r e c i s i o n ；e 1 1 r o r a i l a l y z e 1 i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即： 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 年月日 第一章绪论 “大天区面积多目标光纤光谱望远镜”项目( l a 玛es k ya r e am u l t i o 巧e c t o p t i c a ls p e c t r o s c o p i ct e l e s c o p e ，简称l a m o s t 项目) 是我国正在进行的一项 大型科学工程项目【1 1 。 l a m o s t 工程急需解决两大技术难题：一是主动光学部分，如何使得被观 测星体通过望远镜的光学系统准确成像在焦面板上；二是光纤定位部分，如何 使得焦面板上布置的4 ，0 0 0 根光纤按星相坐标位置要求快速准确地实现定位。 解决好这两大关键难题，才能采集到被观测星体的光谱信息。本课题是 l a m o s t 光纤定位部分的子课题，是l a m o s t 光纤定位研究过程中的一个必 要环节。 在本章中，首先介绍了l a m o s t 项目的基本构造和重大科学意义，重点描 述了l a m o s t 焦面定位系统，进而引出小焦面系统研制的必要性、重要意义 和已取得的成果，最后介绍本文的研究内容和行文安排。 1 1l a m o s t 项目简介 l 蝴o s t 是一架横卧南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。其主要技术 指标如下：有效通光口径为4 米，焦距为2 0 米，视场角直径为5 平方度，光谱 覆盖范围为3 7 0 9 0 0 纳米，光谱分辨率为1 0 2 5 纳米，观测天区为赤纬从1 0 度 到+ 9 0 度的2 4 ，0 0 0 平方度。它建成后将成为大口径兼大视场光学望远镜的世界 之最，在大视场天文学研究上，居于国际领先的地位。 1 1 1l a m o s t 的总体结构 l a m o s t 总体结构如图1 1 所示，它由在北端的反射施密特改正板m a ， 在南端的球面主镜m b 以及在中间的焦面机构构成。球面主镜搭鑫诵薹霪霞黧 绁鹳；釜蟊臻探滢焉羹反难缚阿皖薹醣鲜剌醚雌丝零二磊罄舞世兰铁酥裂羹露 x 第一苹绪论 回转单元上的两个电机运转，从而使得光纤可以定位于直径为3 3 m m 的圆内的 任意个位置；光纤位置检测装置用来测量光纤端部的几何位置以检验系统的 定位误差；控制软件主要实现与下位机通讯控制电机的运转以及安排星像的观 测次序两方面的作用。 图1 2 ：l a m o s t 焦面板的分区规划 偏心回转轴 + 二竺蔗 中心回转轴卜- 、一 图1 3 ：双回转定位单元结构示意图 该系统有很多优点：定位快速、可实时补偿温度及大气折射等引起的误差、 光纤端部可直接对准星像、观测无盲区、4 0 0 0 个定位单元具有相同的组件加工 可靠性高。而且系统通过引进测量装置对整个系统进行标定和实时测量，同时 将测量数据适时反馈给系统，以便系统进行误差补偿，这样可大大降低焦面板 第一章绪论 在第二章中介绍了小焦面系统的构造，其中详细说明的各个部分的功能和 具体实现。接下来在第三章中阐述了定位单元的机械机构，分析了机械结构的 制造误差和装配误差。然后在第四章中讨论了实验室环境下影响c c d 检测系 统静态误差的因素，并就几种特定因素进行了简单分析。第五章描述了小焦面 系统的测试方法和测试结果，并提出一种新的补偿机械加工和装配误差的方法。 最后在第六章中总结了本文的工作，并对将来需要开展的工作进行了展望。 本章小结 本章简要介绍了l a m o s t 焦面光纤定位系统，进而对l a m o s t 小焦面系 统研制的必要性、重要性以及已取得的成果做了叙述，最后阐述了本论文的研 究内容和本论文的内容安排。 第二章l a m o s t 小焦面系统的构造 我们于2 0 0 3 年成功研制出由1 9 个双回转光纤定位单元组成的l a m o s t 光纤 定位中间试验系统【5 】。按照l a m o s t 指挥部的要求，接下来的任务是要构造一个 由2 5 6 个双回转光纤定位单元组成的l a m o s t 光纤定位小焦面系统，作为到最 终实现l a m o s t4 0 0 0 根光纤定位系统的一个过渡阶段，在本论文中不引起混淆 的情况下简称小焦面系统。 本章主要介绍小焦面系统的构造，首先说明系统的总体结构设计、系统工 作流程，然后逐个分析系统各组成部分的功能及具体实现。 2 1小焦面系统的总体构造及工作流程 本节首先介绍小焦面系统的总体结构，整个系统由六个主要部分组成：光 纤定位单元，小焦面板，控制部分，测量子系统，连接电缆，以及导光光纤和 光源。随后介绍小焦面系统的工作流程。 2 1 1小焦面系统的总体构造 小焦面系统总体构造如图2 1 所示，主要组成如下： c 翻莨鞭漕苫三 一脚 茎 煞 光拜渗 露 器 匕= =板 二= 镇拟憩筒 支题 曳浮、j 二台 雾稳嚣滔：。浮磐e 薯嬲霸渊“。t 秽鬻鬻爨 图2 1 ：l a m o s t 小焦面系统总体结构示意图 l 、2 5 6 个双回转光纤定位单元； 2 、供安装2 5 6 个单元及参考光纤的小焦面板； 7 2 2光纤定位单元 3 、控制部分：包括控制主机、c a n 总线、单元控制器、驱动器以及相应的 控制软件等； 4 、测量子系统：包括测量计算机，2 k 面阵c c d 相机及相应的图像采集卡， s i g m a 的变焦镜头； 5 、连接控制驱动箱和单元上的微型步进电机的驱动电缆； 6 、导光光纤和光源，光纤端部由可调稳压电源点亮的积分球照明。 焦面板连同安装在其上的单元头与测量c c d 安装在同一个气浮平台上，整 个光纤线缆和驱动线缆从模拟l a m o s t 焦面机构的旋转轴的圆管中间穿过后 分别连接积分球和驱动箱。 2 1 2 小焦面系统的工作流程 完成小焦面系统的搭建后，小焦面系统可以完成以下工作流程： 控制主机进行观测规划、数据安排，通过c a n 总线通讯网络发送数据到单 元控制器，单元控制器根据数据产生脉冲，经过功率放大分别驱动安装在2 5 6 个双回转单元上的5 1 2 个步进电机，从而带动各个单元头的中心轴、偏心轴运 转到相应的位置，实现光纤定位。 定位完毕后，控制主机通知测量计算机，测量计算机通过图像采集卡对焦 面板上发光的光纤端部进行图像采集，再由测量计算机用光重心法计算出各个 光斑的位置以表征各光纤的位置【引，从而确定小焦面系统2 5 6 个单元的定位精 度( 各个光纤的实测位置与理论位置的距离偏差) 。 2 2光纤定位单元 光纤定位小焦面系统单元采用的双回转光纤定位单元结构简图如图2 2 所 示，光纤定位单元是整个小焦面系统的核心部件，也是光纤定位的最终执行机 构1 9 1 。单元中心轴是一个空心轴，这样光纤与驱动电线可以从空心轴的孔中穿 过焦面板。空心轴由两个滚动轴承装在套筒里，单元总成由套筒通过配合形式 插在焦面板的孔中。套筒上设计有一个片簧，它的径向尺寸略大于套筒尺寸， 插入安装孔中后受到挤压，单元位置得以固定住。 中心回转步进电机通过中间级齿轮带动中心轴齿轮使整个单元产生o 。 3 6 0 。范围的中心回转：偏心支架与空心轴连成一个整体，其上装有偏心回转轴， 由偏心回转步进电机通过两级单齿一多齿斜齿轮驱动作0 。1 8 0 。范围的旋 转，从而使其上的光纤架带动相应的光纤进行定位。 为消除传动过程中出现的回程误差，以保证光纤运动中的位置精度，在传 8 第二二章l a m o s t 小焦面系统的构造 动机构中设置了消隙机构。我们在中心回转采用的是摩擦消隙，偏心回转采用 的是弹簧消隙，两个回转都采用单向传动以消除齿轮侧隙。为了消除光纤定位 的累积误差中心回转及偏心回转均设置了电零位装置，用以消除每次定位累积 误差【1 0 1 。光纤定位单元的设计要点及结构分析将在第三章给以详细介绍。 1 2 3 4 567891 01 11 2 1 31 41 5 1 2 5 5 批l l 。中心回转步进电机2 中心减速器3 中心轴齿轮4 焦面板5 空心轴 6 套筒7 中心轴承8 消隙机构9 偏心轴齿轮l o 一偏心轴1 1 一偏心支架 1 2 偏心回转步进电机1 3 一消隙弹簧1 4 偏心轴套1 5 光纤架 图2 2 双回转光纤单元结构简图 2 3小焦面板 小焦面系统2 5 6 个单元安装在小焦面板中，小焦面板图纸如图2 3 所示。小 焦面板加工设备采用得是五轴数控加工中心。由于是单件试生产，为保证小焦 面板加工后是可用的，小焦面板图纸除子系统的技术指标外，其余技术指标的 标注均比实际可用指标提高1 2 级精度( 9 j 。小焦面板的设计、制造均已经过 l 蝴o s t 指挥部组织的专家验收通过。 图2 4 为小焦面系统焦面板和定位单元的实物图。 9 图2 3 ：l a m o s t 小焦面板图纸 l o 第二章l a m o s t 小焦面系统的构造 图2 4 ：小焦面系统小焦面板和定位单元实物图 2 4控制子系统 控制系统设计必须满足对2 5 6 个单元的并行控制，同时要满足定位时间、相 对温升、零位响应以及位置保持等要求。我们认为控制系统的总体设计应当采用 分布式控制模式，即将2 5 6 个单元分成若干组，每组控制一部分单元，组和组之 间在电气上相互隔离，避免他们之间的相互干扰，这些相互独立的组通过网络与 控制计算机连接。 2 4 1控制系统的总体构造 小焦面系统需要控制2 5 6 个单元，5 1 2 个步进电机并行工作。由于控制的电 机较多，控制系统是采用分层设计的理念，共包括三层：最顶层是工作站( w b r k s t a t i o n ) ：中间层是微控制器( m c u ) ；最底层的是步进电机控制器( c o m r o l l e r ) 。 工作站和m c u 之间通过c a n 总线进行通信，步进电机控制器和m c u 之间通 过8 位总线进行通信【1 1 1 。一个m c u 就是c a n 总线上面的一个节点，所有节 点连接到c a n 总线网络上就可以构成整个系统，结构如图2 5 所示。 具体工作如下：工作站( 控制主机) 通过算法演算产生2 5 6 个单元，5 1 2 个 步进电机的电机转动数据，通过c a n 总线将数据发送到相应的m c u ，同时要 求能够及时对数据进行备份。m c u 接收从工作站传来的电机数据，并存储转发 到相应的步进电机控制器，同时还完成底层与上层之间的其他辅助通信。步进 2 4控制子系统 电机控制器接收从m c u 传来的数据，并通过其内部总线把数据转发到各个具 体的步进电机控制单元。 图2 5 ：小焦面系统控制子系统结构示意图 2 4 2 小焦面系统的控制流程 根据光纤定位小焦面系统的工作流程，我们设计控制软件将小焦面系统的 各个部分紧密连接。系统的控制软件分成三个部分：在控制主机上实现的控制 主程序；在单片机上实现的单元控制器程序；在测量计算机上实现的测量控制 程序。控制流程图如图2 6 所示。 控制主机操作系统采用w i n d o w s 系统，向上通过以太网与上层观测控制系 统( o c s ) 相联结，向下通过现场总线c a n 技术向单元控制器发送控制命令和 控制数据。控制主程序的功能包括观测仿真、干涉处理、数据准备、数据处理 等内容。 单元控制器程序接收控制主程序的控制命令和数据，产生脉冲序列，且返回 执行信息。 测量计算机与控制主机之间通过串口通信，在小焦面系统中所采用的图像 采集卡附带了b i t f l o w s d k 软件开发工具，用户可自行开发自己的c c d 控制程 序。我们在v i s u a lc + + 控制程序中调用a p i 接口f 即b i t f l o w s d k 提供的一些接 口函数) 实现对c c d 和图像采集卡的主动控制，包括c c d 的驱动、图像采集、 图像实时显示等。此外，开发了图像计算程序来对采集程序得到的c c d 图片进 行数值计算，以得到每幅图片中光斑的位置。由于计算过程中涉及大量的矩阵 1 2 第二章l a m o s t 小焦面系统的构造 运算，故选择m a t l a b 承担数值计算工作，最终用混合编程技术将两部分连接 【1 2 】1 1 3 1 o 控制蕾程序 单元援翻器程序 图2 6 ：小焦面系统控制流程图 2 5测量子系统 由于定位单元存在机械加工和装配误差、控制电机丢步等各种因素的影响， 需要测出各个光纤定位单元的精度，为此我们搭建了一套测量系统。测量系统 一方面用来测定系统运行所需的若干参数以及各种误差因素对系统定位精度的 影响，另一方面可以动态检测系统的运行情况。由于l a m o s t 光纤定位子系统 安装好后不能接触、不能移动、需实时在线检测，小焦面系统中采用面阵c c d 拍摄的图像信息来测定光纤点的位置【1 4 】。 我们采用的测量方式是：光源对准光纤的尾部，这样各个安装在单元光纤 架上的光纤头部就有光线出射，光线经过光学系统在c c d 靶面上形成光斑，最 终用光斑的光学重心来代表光纤的位置【j 。所以测量系统的硬件部分主要包括 光源、c c d 摄像机、图象采集卡、以及通过n i k o n f c 口转换器接在摄像头前 面的光学镜头l6 1 。 2 5 1光源 光源设计时需要考虑特定的检测，能使光斑以尽可能高的分辨率得到复现， 2 5测量子系统 特别是光源的均匀性和强度必须满足高的要求，这直接影响图像质量和检测性 能。 积分球是一种理想的扩散器，它可以对辐射通量进行空间上积分。其内部 是个空心球的内表面涂有反射率很高的涂层，如高反射率陶瓷材料或硫酸钡 ( b a s 0 ) 涂料。当光进入积分球后不断被反射和漫射，经均匀调制过程，在输出 孔得到的光线为相当均匀的漫反射光束，而且入射光的入射角度、空间分布及 极化都不会对输出光束的光强度及均匀度产生影响。常用作光学连接器或光度 计、色度计的光源。也可以作为光学测量系统提供稳定光源使用【1 6 】【1 7 】。小焦面 系统中采用了安徽光机所研制的新型积分球，它采用国产聚四氟乙烯悬浮树脂 作为积分球涂层。该积分球反射性好，涂层粘性好，不易破裂与起皱，小巧、 亮度高、输出均匀稳定。 2 5 2 摄像机及采集卡 小焦面系统采用的摄像机是加拿大d a l s a 公司的d s 2 1 0 4 m 1 5 型高精度 工业级面阵c c d 以及与之相配的高速图像采集卡，其性能指标如表2 1 所示。 d a l s a 公司针对其图像采集卡，提供了驱动程序和软件开发包，有丰富的库函 数可以实现对其硬件板卡的采集模式进行设置，便于图像的获取、存储和显示 控制。 表2 一ld a l s ad s 2 】0 4 m 15 性能指标 r e s o l u t i o n 2 0 4 8 2 0 4 8 d a t a r a t e2 4 0 m h z m a x l i n e f r a m er a t e1 6f p s p i x e ls i z e7 4 u m 7 4 u m d a t a f o r n l a t 2 8 0 r 2 1 0 b i tb a s ec 锄e r al i n k l e n sm o u n t f m o u n t ，m 4 2 l r e s p o n s i v i t y 2 2 9 d n ( n j c m 2 ) 5 3 0 n m d y n a m i cr a n g e 4 4 9 ：1 n o m i n a lg a i nr a n g eo 1 5 d b s i z e5 6 5 6 5 6 m m m 雒s 1 8 4 9 o p e r a t i n gt e m p 0 4 0 0 c 1 4 第二章l 舢“o s t 小焦面系统的构造 p o w e rs u p p l yi l t 0 2 5 v p o w e rd i s s i p a t i o n 6 w 1 2 v 7 1 w 2 4 v r e g u l a t o 叮c o m p l i a n c e c e c o n t r o im d r 2 6c 锄e r al i n k d a t as h a r e dw i t hc o n t r o l p o w e rh i r o s e 6p i n e x a m p l ep a r tn u m b e r d s 2 1 0 4 m 1 5 图像文件是以r a w 格式来写入数据的。r a w 格式就是一种纯数据流格式， 是最简单的图形数据格式。r a w 图形文件既没有文件头，也没有数据压缩格式， 只要直接将图像灰度的数据矩阵按照行列顺序依次写入图形文件即可。c c d 光 敏阵列芯片的像元深度为1 0 比特，由于数据输出时是以整字节输出的，所以图 形数据矩阵中一个数据元素占两个字节。c c d 摄像头输出的图形是2 0 4 8 2 0 4 8 的矩阵，由此我们可以推算出由程序采得的一幅r a w 格式的图片大小约为4 m 字节【6 1 【18 1 。 2 5 3 光学镜头 为了能很方便地得到不同的视场，我们使用的镜头是s i g m a 的变焦镜头， s i g m a 定焦镜的焦距为5 0 m m ，镜头直径是5 5 m m ，光圈l ：2 8 1 ：3 2 。由于变焦 镜头的接口为f 口，而c c d 的接口为c 口，所以我们采用一个n i k o nf c 口 转换器来进行了转接。 2 6 线缆与光纤 小焦面系统2 5 6 个单元5 1 2 个步进电机需要驱动线缆，2 5 6 个单元上还需要 安装2 5 6 个光纤。如何将如此数目众多的线缆以及易折断的光纤从焦面板引出， 并且连接到各自相应的驱动板和积分球中，亦是需要认真考虑的重要问题。 2 6 1线缆 每个单元头通过一根电缆与控制柜连接，相邻八个单元头的连接电缆编成 一组。电缆和单元头通过电连接器连接，插座装在单元头上，无需外场焊接， 插拔连接方便。电连接器如图2 7 所示。 2 6 线缆与光纤 电连接器锁紧可靠，插拔方便。连接线选用1 1 芯屏蔽电缆和聚四氟乙烯绝 缘电线。芯线分色配置，端子号合理分配，焊接、 维修方便；外径细，重量轻，带屏蔽，满足环境 条件要求。插座和连接线固定采用一体化无泡胶 封工艺。插头和连接电缆的固定经改进也变得简 单牢靠。电缆在控制器端用普通电连接器与控制 器连接。 电连接器、线缆、单元头的电连接情况采用 自行研制的智能检测器检测。简单可靠，直观方 便f 引。 2 6 2 光纤 图2 7 ：电连接器示意图 光纤线缆由北京l a m o s t 工程指挥部提供。2 5 6 根光纤成一束穿在金属蛇 皮管中，蛇皮管端口用一个专门制作的夹头夹持住，固定在位于小焦面板后面 距离约5 0 0 m m 处的管口处，然后光纤线缆从圆管中穿过，光纤线缆出射端出夹 头后散开，每个光纤穿入小焦面板的各个单元安装孔中，出焦面板前端面约 1 5 0 m m ，头部作有标准陶瓷套管，留待安装单元。 由于积分球可以提供一个均匀稳定的光源，光纤由积分球提供光源。整束 光纤线缆端部塞入积分球，以得到较均匀的光强。 本章小结 本章对l a m o s t 小焦面系统的总体结构进行了介绍，并阐述了其工作流程。 系统主要由光纤定位单元，小焦面板，控制部分，测量子系统，连接电缆，以 及导光光纤和光源等部分构成。 1 6 第三章光纤定位单元设计精度分析及制造精度测试 正如前文所述，采用双回转结构的光纤定位单元是光纤定位系统的核心部 件，因此定位单元的设计及制造精度很大程度决定了整个小焦面系统最后的定 位精度，有必要在此其作详细介绍与分析。 定位单元是光纤定位系统的最终执行机构，它的稳定性、可靠性和主要技 术参数( 臂长、回转中心等) ，将是进行焦面安装、调试的基础。因此，定位单 元的机械跑合、测试跑合是小焦面系统研制过程中的必要环节。 3 1光纤定位单元机构设计要点 光纤定位单元的设计过程是个逐渐优化的过程。针对单元在样机试制及中 试系统研制过程中出现的加工、材料、装配、工艺等方面的问题，同时结合生 产厂家加工设备、工装夹具和加工特点等因素，小焦面系统研制过程中对单元 零件的结构、加工和装配工艺进行了进一步的改进。现将设计要点介绍如下【9 l ( 单元结构图参见图2 2 ) ： 1 光纤定位单元整体设计( 除光纤架) 限制在巾2 5 5 m m 的圆柱内，由于 相邻单元间距2 5 6 m m ，所以单元本体运动时相互之间不会干涉。由于 每个光纤定位区域为巾3 3 m m ( 为了观测无盲区，且形成可以提高观测 效率的重叠区) ，所以光纤架运动时互相之间会有干涉，此问题将由控 制程序的防干涉计算来防止。 2 单元中的回转轴系除中心轴采用滚动轴承，其余轴系均采用滑动轴承， 回转轴采用无心磨削的光轴。这样降低了加工及装配难度和单元制造成 本；光轴圆度、表面粗糙度及尺寸的一致性均很好；滑动轴承也较有利 于防尘。回转轴均采用简支结构，这样可提高轴系刚度，降低温升对定 位精度的影响。 3 光纤定位单元的中心回转轴设计成空心轴，以便使光纤及偏心电机所需 引线自空心轴的孔中穿过焦面板。光纤定位单元整体通过空心轴5 及两 个滚动轴承7 支撑在套筒6 中，单元通过套筒6 安插在焦面板4 上的光 孔中。单元上的光纤及电机引线等从空心轴的内孔中穿过焦面板，这样 单元可以非常容易从焦面板的孔中抽出，便于维修与更换。 4 光纤端部伸出足够距离来保证光纤有足够的弯曲半径，以保持星光传输 效率。 3 2 光纤定位单元传动精度分析 5 单元的基体零件将中心回转空心轴5 与偏心支架1 1 分开，空心轴5 与 偏心支架1 1 采用螺钉连接成一体，这样就可以大大降低零件的加工难 度，并且容易保证加工精度与质量，降低制造难度与成本。 6 光纤定位单元的中心轴回转轴线与偏心回转轴线设计时须保持平行，这 样，光纤头进行定位时方能保持光纤端部不离焦。另外，偏心回转半径 须等于偏心轴与中心轴线的间距，方能保证光纤定位不会在中心轴线处 出现圆形盲区。 7 由于电机减速器的大减速比( 1 ：1 0 2 4 ) 加之步进电机定子为永磁式， 自身有一定的保持力矩，可以获得近乎自锁的效果，在定位完毕后，可 以保持光纤的正确位置。步进电机用螺钉固定在减速器上。 8 偏心回转机构采用二级空间单齿一多齿螺旋齿圆柱齿轮啮合，这是因为 光纤定位单元属于极轻负荷传动，单元传动的阻力极小，采用这种齿轮 啮合方式模拟了滚齿原理( 单齿螺旋齿轮相当于滚齿刀) ，有利于提高 齿轮传动精度。 9 为了消除啮合间隙，一方面我们采用单边传动方式，让齿轮始终靠一个 方向的齿面接触传动；另一方面对末级齿轮，我们还采用对中，心轴采用 摩擦消隙、偏心轴采用弹簧消隙。为减少累积误差，在单元上设计机械 电零位装置作为单元运动的基准起点。 1 0 为了便于安装，我们设计了专用的电机接口盘，在电机接口盘和电机端 面在加胶的基础上，再加工两个m 1 2 3 的螺孔，用两个m 1 2 连接螺 钉将接口盘与电机可靠连接。 1 1 设计电机减速器输出轴通过个小齿轮，驱动个中间轴齿轮，中间轴 齿轮再驱动末级齿轮带动单元中心空心轴转动。整个中心减速器座尺寸 限制在巾2 1 m m 以内，这样减速器座就可以与单元一起前插拔了，便于 单元装拆维修。 1 2 润滑问题：由于望远镜工作条件的限制，轴承不好随时添加润滑油脂。 偏心回转轴与轴承采用的是滑动轴承，所以选用烧结金属轴承( 含油轴 承) 作为偏心回转轴轴径的轴承。两齿轮副啮合处的润滑选用二硫化钼 固体润滑剂。 3 2 光纤定位单元传动精度分析f 1 9 l 光纤定位单元传动精度主要由它的传动链误差决定，传动链的传动误差是 各个齿轮传动误差的综合，而各个齿轮的传动误差主要是由齿轮本身和所在的 1 8 第三章光纤定位单元设计精度分析及制造精度测试 轴、轴承等零件的制造误差、装配误差所产生。 齿轮传动精度一般由传动误差与回程误差决定。对于回程误差，光纤定位 单元分别采取了：偏心回转采用扭簧消隙、中心回转采用摩擦消隙；采用单向 传动定位的方式( 即正向定位时步进电机直接带动光纤端部到位，反向传动时 先由步进电机带动光纤架多走步，再反过来正转步) 。同时，偏心回转轴和 中心回转轴均设置了电零位，用以消除积累误差。因此光纤定位单元回程误差 对定位精度影响不大，这里主要讨论齿轮传动链的正向传动误差。 3 - 2 1偏心回转齿轮传动链的精度分析 偏心回转传动链是一个两级齿轮传动机构，如图3 1 所示。偏心轴步进电机 轴上的单齿斜齿轮带动偏心中间轴上1 6 个齿的偏心中间轴多齿斜齿轮，再由同 轴上的一个偏心中间轴单齿斜齿轮带动偏心轴上一个2 4 齿的偏心轴斜齿轮，从 而带动偏心轴上的光纤架及光纤端部定位。 图3 1 ：偏心回转齿轮传动简图 基于齿轮加工的滚齿原理，采用单齿多齿斜齿轮的啮合方式，尽可能 避免了原理性误差。同时光纤柔软，负荷很轻，所以对这种齿轮啮合没有太大 的妨碍。两个单齿斜齿轮材料为淬火钢，并且用4 0 。夹角砂轮的螺纹磨床磨制， 相对精度较高，硬度也高，它与较软的黄铜制造的多齿斜齿轮啮合跑合时，类 似于珩齿的作用，提高了齿轮传动精度。偏心轴采用滑动轴承支撑( 配合间隙 为o 0 1 ) ，电机轴齿轮与电机轴间用螺钉紧定，故没有间隙。 影响偏心回转齿轮传动精度的因素主要有： 一、齿轮加工误差：齿轮的运动精度可任选下列一种检验组来验收【2 0 儿2 。 1 9 3 2 光纤定位单元传动精度分析 切向综合公差( f ) ：此为动态综合精度指标，为周节累积公差只与齿 形公差e 之和，即f = 只+ e ； 周节累积公差( 只) 此为静态综合精度指标； 径向综合公差( e ”) 与公法线长度变动公差( e ，) ； 齿圈径向跳动公差( e ) 与公法线长度变动公差( e ) ； 我们采用切向综合误差来度量，由此分析传动链的传动误差。切向综合误 差配7 是由机床一刀具一工件系统的长、短周期误差综合引起。切向综合误差 长周期误差又有大小周期之分。大周期误差是由齿轮在加工时齿坯内孔与齿轮 机床工作台心轴间的间隙而引起的几何偏心，以及由机床传动链末端蜗轮的偏 心而引起的运动偏心所造成的。或者说它是由几何偏心和运动偏心合成的综合 偏心所造成，主要是周节累积误差。这个误差在齿轮误差中占主要份额，它属 于固定的可重复的系统误差，容易通过补偿法大大减轻乃至消除它的影响。另 一部分是小周期误差，它是由切齿刀具的制造误差、安装误差、加工方法误差 以及机床传动链的其它误差所造成的。这一部分在切向综合误差中所占的比例 很小，且机构跑合时可以大大减轻它的影响，它也属于固定的系统误差，也能 够通过补偿的方法予以补偿。短周期误差主要是齿形误差。 二、轴和齿轮孔的配合间隙覆：配合间隙将引起附加几何偏心，从而带来 传动误差。 三、齿轮安装轴对轴承的径向跳动壤：此径向跳动也相当于产生一个附加 几何偏心。 综上所述，第k 个齿轮传动误差观的计算公式为： 吼亏2 4 z ( z ，) 2 + ( 皖) 2 + ( 反) 2 ( 3 1 ) 其中：覆为该齿轮内孔与轴配合间隙的公差，由于定位单元齿轮内孔与轴 均属于固定的过盈配合，故谚= 0 。反为该齿轮轴的径向圆跳动公差及轴承间隙 瞑2o 0 1 0 u m 整个齿轮传动链的传动误差可由下式计算： 瞎瓜丽。一k 个赫最名一一2 ， 由于单齿斜齿轮是4 0 。牙型的丝杆在螺纹磨床上磨出，所以影响传动精度 的主要是丝杆的螺距误差，而单齿斜齿轮由于各种原因造成的偏心对于齿轮运 2 0 第三章光纤定位单元设计精度分析及制造精度测试 动误差影响并不大( 不敏感) ，所以我们将螺距误差( 3um ) 分解到整个分度 圆上即可以得到单齿斜齿轮的切向综合公差互。只= 3 8 2 4 i im 。 偏心轴传动链的传动误差计算结果如表3 1 。其中1 ：电机轴单齿斜齿轮；2 ： 中间轴多齿斜齿轮；3 ：中间轴单齿斜齿轮；4 ：偏心轴齿轮。 表3 一l 偏心传动链传动误差计算结果 齿轮序号 1234 齿数z l1 612 4 转数比， 3 8 42 4 2 4l 模数 0 30 3o 30 3 精度等级 66 6 6 分度圆直径d ( m m ) 3 8 2 44 8 1 4 83 8 2 47 2 2 2 3 切向综合公差只( um ) 3 8 2 42 23 8 2 42 3 圆跳动及间隙公差( pm )1 01 01 01 0 单个齿轮传动误差吼7 ( p m ) 2 4 8 11 5 1 72 4 8 18 3 3 4 折算到偏心轴上的值( 7 ) 0 0 6 50 6 3 21 0 3 48 3 3 4 传动链传动误差慧8 4 2 2 7 ( o 1 4 0 。) 以上偏心齿轮轴传动链角度误差约为o 1 4 0 。，引起光纤定位误差为 6 蝙：q ：! 兰q 兰! ：! ! 兰至：2 1 4um 。o 蝙2 士2 z 1 4um o 1 8 0 分析计算结果可知，末级齿轮的加工误差对整个偏心轴传动链的影响最大， 占整个误差源的9 8 以上。所以设法提高末级齿轮的加工精度有利于提高整个 传动链精度，但是齿轮批量很大，加之齿轮模数很小( m = o 3 ) ，再提高齿轮精 度难度很大。根据前面分析误差是可以补偿的，所以实验室通过采取误差补偿 的方式来提高定位精度( 。 3 2 2中心回转齿轮传动链的精度分析 中心回转传动链是一个两级齿轮传动机构，如图3 2 所示。首先由中心电机 轴上的电机齿轮带动中间销轴上的中间齿轮，再由中间销轴上的中间齿轮带动 2 l 第三章光纤定位单元设计精度分析及制造精度测试 3 2 3 光纤定位单元传动链的精度分析 光纤定位单元定位误差民为偏心轴与中心轴的合成误差： j v 广 吒2 靠2 + 2 _ 5 1 8 2 5 u m 从以上分析计算结果来看，这个定位误差偏大。如前所述，误差主要来源 有两项：一是齿轮各种原因造成的偏心的长周期误差：另外，由于齿型误差引 起的短周期误差，其中偏心形成的长周期误差占主要份额。这些齿轮误差不论 是长周期误差还是短周期误差均属于系统误差，可以测出各点的误差值并予以 补偿，在光纤定位中间实验系统的研制中，采用这种补偿的方法可以将中心回 转和偏心回转的角度误差降低到0 1 。以下，从而达到提高定位精度的要求。 同时从计算分析结果也可以看出，未级齿轮对转动误差影响是最大的，提高末 级齿轮的加工精度及装配精度可以大大提高光纤定位单元的定位精度【5 1 。 3 3 光纤定位单元的制造 任何新产品在完成产品设计和工艺准备后，都必须进行试制、实验，并进 行全面的技术经济评价，以便进一步优化使产品达到最佳化；最后，经过评审 定型后，才能投入正式生产。没有前期准备就投入生产，往往由于设计和工艺 上的缺陷没有及时发现和消除，保证不了产品的质量，造成人力、物力的浪费， 反而拖延了新产品试制期限。 光纤定位单元与其他新产品试制过程一样分为：样品试制、小批试制、批 量生产三个阶段。实验室中试系统研究阶段已经完成了单元的试制工作。小焦 面系统研制主要进行单元的小批量生产。实验室委托四家生产厂家，分别进行 1 0 0 套小批试制。通过投入小批产品来试验和调整所设计的工艺和工艺装备， 并进一步对产品设计进行必要的校正和工艺性审查。与此同时，考察各生产厂 家，为日后招标确定4 0 0 0 套单元生产厂家，铺平了道路。 小批量生产过程中我们也发现了不少单元结构设计、工艺设计不合理的地 方，及时地修改图纸并与厂家保持经常性沟通共同探讨更加合理的方案。我们 又对单元从方便安装、可靠性等方面，优化了单元的设计，使单元更可靠，更 实用，操作性更好。最后，终于制造出来了基本合格的定位单元。 3 4 定位单元的机械跑合 大多数产品的故障率是时问的函数，典型的故障曲线通常称之为“浴盆” 曲线，即呈现两端高、中问低的形状，故障具有明显的阶段性。早期称为跑合 3 4 定位单兀的机械跑合 阶段，故障率较高。第二阶段称为稳定磨损阶段，是故障率低且相对稳定的正 常使用寿命期。第三阶段为崩溃磨损阶段，是零件工作中磨损太大，出现冲击， 零件精度很快失效【2 2 1 。 早期故障率较高的主要原因有新元件( 尤其是配合副) 之间缺少良好的贴 合；装配存在缺陷；经过一段时间元件之间才能寻找到新的平衡等。早期故障 率较高可以通过对新产品进行试运转来解决。 3 4 1 机械跑合目的 定位单元零件的加工基本都靠不同的刀具将零件切削到合适的尺寸，切削 过程会在加工表面留下来的粗大锯齿体。所以，光纤定位单元在出厂后、使用 前需要对装配完成的定位单元进行一段时间的机械跑合，确保每个定位单元都 能可靠地定位，同时使运动副得到较好的磨合以提高单元的定位精度。 机械跑合的目的是：提高单元工作的稳定性和可靠性；提高齿轮的啮合精 度，提高单元的回转精度；剔除性能不稳定、质量不合格的单元。同时，光纤 定位单元的驱动和控制系统也需要通过试运行验证其稳定性和可靠性。 3 4 2 机械跑合流程 机械跑合时光纤定位单元不带光纤运转，机械跑合具体流程为： 1 首先将工厂装配完成的单元装上电机，上电试运转，观察其运转情况。 将明显运转异常的单元( 如运动卡壳阻滞不灵活的、运转振动声音过大 的、零点有问题的) 予以剔出。 2 展开运动：中心轴、偏心轴从初始零位开始匀速转动，中心轴转3 6 0 。， 偏心轴转1 8 0 。，达到完全展开状态； 3 回零运动：中心轴、偏心轴展开后进行回零运动，即中心轴、偏心轴从 完全展开状态反向转动，回到初始零位。 为了保证中心轴、偏心轴回零可靠，两轴在零位均设置零位触点。当中心 轴、偏心轴回到零位时，设置的静、动触点相碰，驱动电机停止完成一次循环。 粗跑合的时间设定为1 2 0 小时。 3 4 3 机械跑合结果 通过对光纤定位单元的跑合，接触面相互磨擦和受负载压力而挤压，锯齿 体之间形成平滑的表面。这样表面使零件之间增加了接触面积，使微观受力更 加均匀；同时由于挤压作用，也增加了表层强度，使零件表面更加耐磨。 2 4 3 5 光纤定位单元的测试跑合 光纤另一端照明，光纤端面成为一个小面光源。经过光学系统成像于c c d 面上。 计算光学像的重心，得到光纤的位置。测试方法及原理的详细描述与小焦面测 试相类似，论文第五章将对小焦面的测试作详细论述，这里不再作重复介绍。 测量跑合结果：测试重复精度小于1 5 微米认为是合格单元，可以作为合 格品往小系统上安装；单元合格率约8 0 。 本章小结 本章详细介绍了定位单元的设计要点，分析了机械结构的传动误差，并介 绍了单元的生产制造情况，最后详细阐述了单元的机械跑合，并对单元的测试 跑合做了简单的介绍。 2 6 第四章静态光纤位置检测的稳定性 正如前文所述，为了评定小焦面系统定位单元的定位误差，实验室构建了 c c d 测量系统，用来检测光纤位置。对光纤位置检测来说，稳定性是一个非常 重要的指标，良好的测量稳定性是保证高质量检测的前提和基础。影响c c d 测 量稳定性的因素很多，如c c d 本身的性能、环境的温度、振动情况、光源稳定 性、光学系统误差的影响、数据采集和数据处理带来的误差，甚至待测光纤本 身的传光性能同样会对其造成影响。稳定性不好就不可能得到准确可靠的检测 结果，为了精确地得到光纤位置必须对它的测量稳定性进行一定的分析【2 5 1 。 在l a m o s t 中试系统的研究中我们曾经发现：正常实验室条件下，静止光 纤目标的坐标检测具有较好的稳定性，但是在有些实验室条件下稳定性会变差。 在本章中我们设计了一些特定实验室条件下稳定性试验，以期找到降低稳定性 误差的最佳实验室环境。 4 1静态光纤位置检测系统构成 静态光纤位置检测系统如图6 1 所示，系统主要有以下几个部分组成：双回 转光纤定位单元；面阵c c d ( 本实验采用的c c d 型号为p u l n i x ，l k x l k ) 及 相应的图像采集卡，s i g m a 的变焦镜头；供安装单元的三维安装台和供安装相 图4 1 ：静态光纤位置检测系统总体结构示意图 机的三维位移台；导光光纤和光源，光纤由可调稳压电源点亮的积分球照明： 4 2 静态光纤位置检测稳定性 数据处理主机等【2 6 1 。 静态光纤位置检测的对象是离散的目标光纤，光纤固定在定位单元上。为 了固定定位单元，我们设计了图4 2 ( 左) 所示的三维安装台。为了固定相机 并且可以调节相机与目标光纤之间的距离我们设计了三维位移台，相机安装在 三维位移台后实物图如图4 2 ( 右) 所示。 图4 2 ：三维安装台与三维位移台实物图 测试时，光源出射光进入光纤，通过检测固定在单元上的光纤出射光斑的 特征点，以表征光纤所在位置，单元头安装在三维安装台上，并与相机安装的 三维位移台在同一个气浮平台上。数据处理主机通过图像采集卡进行c c d 采集 图像。采用光重心法计算出像面坐标，再经由转换方程变换为物面坐标。 4 2 静态光纤位置检测稳定性 静止光纤的稳定性检测是指时间上的稳定性，即对静止的光点持续进行测 试，算出其所在位置的具体坐标值，看看测量结果的重复性，它是高精度检测 的前提【27 1 。 测量的标准差表示同一被测量的各个独立测量测得值的分散性，即测量结 果的波动性、稳定性，因此我们利用它来定量评估检测稳定性【2 8 】。根据标准偏 差公式有： q =q = ( n 表示测量的次数) ( 4 1 ) 标准差的数值越小表示测量的可靠性就越大，即测量精度就越高。 2 8 第四章静态光纤位置检测的稳定性 测量相关参数如下：镜头焦距用5 0 m m ，物距9 1 0 姗，物象缩放比就是1 6 3 8 微米像元，物面大小1 6 5 1 l m 1 6 5 1 l 咖。 4 2 - 1实验室空调机的影响 c c d 组件对其本身的工作环境温度要求非常严格，过高或过低的环境温度 都会降低其光电转换的能力。一个相对稳定的工作温度对c c d 组件来说是非常 重要的，因为温度波动过大会产生热噪声，c c d 暗电流信号的几个主要成分均 与温度有关，环境温度对c c d 相机的成像质量的影响很大【2 9 1 。所以，c c d 在 工作过程中保持良好的温度均匀性，才能保证得到高质量的图像。 现在的实验室一般都是通过空调机控制实验室