專利名稱：高精度大口徑天文望遠鏡薄鏡面磨制的主動支撐控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種加工制作天文望遠鏡的設備，特別是一種高精度大口徑天文望遠鏡鏡面磨制的主動支撐控制裝置。
背景技術：
傳統(tǒng)的天文望遠鏡鏡面磨制工作是采用被動支撐，或稱為靜態(tài)支撐，即把鏡面材料(光學玻璃)放置在承重臺上，用機械磨制。磨制中需要另外用檢測設備不斷對鏡面進行檢測。傳統(tǒng)鏡面一般材料的厚度較大，其剛性足以克服外力造成的材料形變。而現(xiàn)代天文望遠鏡的發(fā)展趨勢是采用大口徑薄鏡面。大口徑薄鏡面的天文望遠鏡具有口徑大、自重輕等很多優(yōu)勢，但是由于這種大口徑薄鏡面的材料厚度薄，抗形變的能力很差，磨制過程中的加工機械會使鏡面材料變形，這種變形會嚴重影響鏡面的加工精度。鏡面被加工磨制的同時，加工設備中的光學檢測系統(tǒng)，不斷對鏡面進行檢測，人們再根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整磨制工作，以消除形變。但是這種形變是動態(tài)的、隨著加工步驟不斷變化的，所以在傳統(tǒng)的被動支撐的基礎上，很難采用對應的技術措施來及時消除或?qū)圭R面的變形現(xiàn)象。如何克服大口徑薄鏡面材料在磨制過程中的材料形變，能控制磨鏡機磨制出滿足現(xiàn)代大型天文望遠鏡要求的薄鏡面的技術是一個重大難題。
01113668.5號中國發(fā)明專利公開了一種“大型天文望遠鏡鏡面位移控制系統(tǒng)”；01113669.3號中國發(fā)明專利公開了“大型天文望遠鏡中力促動器的電控系統(tǒng)”，雖然該技術屬于天文觀測控制領域，不屬望遠鏡加工制造技術上需要的薄鏡面控制技術，但對解決上述難題有著積極的借鑒作用。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種高精度大口徑天文望遠鏡鏡面磨制的主動支撐控制裝置，該裝置將傳統(tǒng)的被動支撐改為主動支撐，同時把支撐與檢測結(jié)合在一起，使用這種裝置磨制大口徑薄鏡面，就可以動態(tài)的、邊磨制邊檢測、邊調(diào)整支撐體系，隨時防止鏡面材料在磨制過程中產(chǎn)生形變，以保證大口徑薄鏡面天文望遠鏡的制造精度。
完成上述發(fā)明任務的方案是高精度大口徑天文望遠鏡薄鏡面磨制的主動支撐控制裝置，設有承重臺面，另外設有光學檢測系統(tǒng)，其特征在于在承重臺面上設有若干鏡面支撐器，所述的支撐器由固定支撐器和主動支撐(以下稱之為力促動器)構(gòu)成，其中固定支撐器不少于三支，所述的力促動器上設有步進電機，光學檢測系統(tǒng)的輸出接計算機，計算機通過驅(qū)動器接步進電機。
鏡面在磨制中產(chǎn)生形變時，光學檢測系統(tǒng)隨時檢測到形變產(chǎn)生的部位及其大小，并隨時將檢測結(jié)果傳輸給計算機，計算機通過控制接口控制步進電機驅(qū)動器，再由步進電機驅(qū)動器分別控制力促動器加(拉)力，以此對抗或消除鏡面的形變。
本實用新型有以下優(yōu)化方案在計算機與步進電機驅(qū)動器之間，設置有若干數(shù)字輸出控制接口卡，計算機的輸出分別接各數(shù)字輸出控制接口卡，數(shù)字輸出控制接口卡再分別接各個步進電機驅(qū)動器。優(yōu)化方案增加了計算機的輸出通道，使主控計算機對所有力促動器的控制可以同步進行，不必再采用分時控制技術。例如在主動支撐裝置中采用七塊數(shù)字輸出控制接口卡，每塊數(shù)字輸出控制接口卡的數(shù)字量輸出為32個通道，七塊數(shù)字輸出控制接口卡的數(shù)字量輸出為224個通道。其中一套力促動器使用四個數(shù)據(jù)通道。即最多可以控制56套力促動器運行，可以滿足目前高精度大口徑天文望遠鏡薄鏡面磨制過程中檢測與調(diào)整支撐的需要。
本實用新型的另一個優(yōu)化方案是所述的力促動器，是加力范圍定標為±30N的力促動器。即在安裝前，力促動器先使用了力傳感器作為加(拉)力閉環(huán)控制的反饋器件，逐套促動器進行分別定標。對標定的要求52套促動器中的任一套的加力的范圍為±30N。
本實用新型將天文望遠鏡薄鏡面磨制的被動支撐，改為多點動態(tài)支撐，并將單純的固定支撐，改為支撐與檢測一體化，可以動態(tài)的、邊磨制邊檢測、邊調(diào)整支撐體系，隨時防止鏡面材料在磨制過程中產(chǎn)生形變，以保證大口徑薄鏡面天文望遠鏡的制造精度。同時，本實用新型的控制系統(tǒng)將支撐系統(tǒng)的開環(huán)控制與光學檢測系統(tǒng)聯(lián)系在一起，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以很好地完成控制任務。結(jié)合軟件的設計，計算機對主動支撐的控制精度可以達到萬分之五，均方根值≤50mN。
圖1為本實用新型電原理框圖；圖2為控制軟件示意圖；圖3為力促動器分布示意圖。
具體實施方式
實施例1，國家自然科學基金重點項目，高精度大口徑天文鏡面磨制技術是為我國建造大型天文光學望遠鏡的需要而開展的研究課題，其中首次采用高精度大口徑天文望遠鏡薄鏡面磨制的主動支撐裝置，薄鏡面光學檢測系統(tǒng)鏡的直徑為1035mm，厚度為25mm，在這塊鏡子的背面放置55套促動器；其中3套為固定支撐和52套力促動器。力促動器上設有步進電機，光學檢測系統(tǒng)的輸出接計算機，計算機通過驅(qū)動器接步進電機。參照圖1約定接口地址和相關的控制字寄存器在主動支撐光學檢測電控系統(tǒng)中采用了七塊數(shù)字輸出控制接口卡。每塊數(shù)字輸出控制接口卡的數(shù)字量輸出為32個通道。七塊數(shù)字輸出控制接口卡的數(shù)字量輸出為224個通道。每套力促動器使用四個數(shù)據(jù)通道。即最多可以控制56套力促動器運行。在安裝前，力促動器先使用了力傳感器作為加(拉)力閉環(huán)控制的反饋器件，逐套促動器進行分別定標。對標定的要求52套促動器中的任一套的加力的范圍為±30N。結(jié)合軟件的設計，計算機對主動支撐的控制精度可以達到萬分之五，均方根值≤50mN。其中力促動器控制接口的地址分配和寄存器定義見表1、表2表1 力促動器控制接口的地址分配表
其中B偏移地址對應的數(shù)據(jù)寄存器約定為Rn。
例如當A＝300H；B＝02H時，即實際物理地址為A+B＝302H。
約定力促動器控制字寄存器Rn(i)。
表2 R0(0)寄存器的定義
表2中的0～3為低半字節(jié)，它是一套力促動器的控制字。
表2中的4～7為高半字節(jié)，它是另一套力促動器的控制字。
也就是說用一個字節(jié)可以控制二套力促動器。
其中CP1＝“0”時，為低電平；CP1＝“1”時，為高電平。
U/D1＝“0”時，力促動器逆時針方向運行；U/D1＝“1”時，力促動器順時針方向運行。
FREE1＝“0”時，力促動器處于脫機狀態(tài)；FREE1＝“1”時，力促動器處于在線狀態(tài)。
HOLD1＝“0”時，力促動器處于低壓維持狀態(tài)；HOLD1＝“0”時，力促動器處于高壓運行或維持狀。
其中，高半字節(jié)的定義和低半字節(jié)相同。
表2是Rn(i)中的一套力促動器控制字寄存器。根據(jù)表1和表2可知i＝B為0～3；Rn(i)力促動器控制字寄存器可表示如下R0(i)，R1(i)------ R7(i)。
以上的i的取值都是0～3。
例如第k套力促動器運行、保持或停止時，它所對應的表達式Rn(i)＝Rn(fi(k))假定k＝10時，Rn(i)＝R1(fi(10))又i＝B＝1；則n＝1它的物理地址是A+B＝300H+01H＝301H。
即控制字寄存器R1(1)為R1(f1(10))所對應的物理地址是301H。其中f1(10)是第10套力促動器的控制變量。
表3 力促動器控制字真值表
表4 力促動器控制狀態(tài)真值表
其中表4的離線一欄中對應的控制字為F，“×”為任意狀態(tài)。也就是說，離線控制字除了F之外，還可以使用5，6，7，C，D和E。
軟件控制方法根據(jù)光學檢測后給出的加力數(shù)據(jù)可以寫出控制方程組如下Y→=KX→+B→----(1)]]>其中；Y→=y1y2···y52----(2)]]>K=k11k12...k1nk21k22...k2n......km1km2...kmn----(3)]]>
X→=x1x2···x52----(4)]]>B→=b1b2···b52----(5)]]>其中當m＝n時是預先測的K值，這個值是從m＝n＝1，2，...，52以數(shù)據(jù)文件的方式存在計算機中；其余K值為0。B是計算機中存放的促動器的前一次的加力值。X是從檢測中得到的數(shù)組。計算機通過解算求出數(shù)組Y的值，根據(jù)Y的值控制促動器運行。
由于本系統(tǒng)是開環(huán)控制，在安裝前對52套力促動器進行了嚴格的定標檢測；定標的數(shù)據(jù)如表5所示。
表5 力促動器的定標、檢測實驗數(shù)據(jù)
軟件編程計算機開機后，首先進行初始化，使所有的力促動器處于待命狀態(tài)。然后根據(jù)光學系統(tǒng)的要求，得到該系統(tǒng)一組力促動器的加力值。
計算機通過解算轉(zhuǎn)換成每套力促動器中的步進電機實際要控制的步數(shù)和加力的方向。同時控制52套力促動器工作。在控制中根據(jù)解算，如果出現(xiàn)超過正(負)限位，計算機立即報警并停止執(zhí)行。如果在正常范圍內(nèi)工作，第K套力促動器運行到解算值后，計算機立即發(fā)出低壓維持控制命令，從而使得第K套力促動器處于維持狀態(tài)。
本實用新型不限于以上公開的實施方案，本實用新型將覆蓋在專利權(quán)利要求書中所描述的范圍，以及權(quán)利要求范圍的各種變型和等效變化。
權(quán)利要求1.一種高精度大口徑天文望遠鏡薄鏡面磨制的主動支撐控制裝置，設有承重臺面，另外設有光學檢測系統(tǒng)，其特征在于在承重臺面上設有若干鏡面支撐器，所述的支撐器由固定支撐器和作為主動支撐的力促動器構(gòu)成，其中固定支撐器不少于三支，所述的力促動器上設有步進電機，光學檢測系統(tǒng)的輸出接計算機，計算機通過驅(qū)動器接步進電機。
2.按照權(quán)利要求1所述的高精度大口徑天文望遠鏡薄鏡面磨制的主動支撐裝置，其特征在于在計算機與步進電機驅(qū)動器之間，設置有若干數(shù)字輸出控制接口卡，計算機的輸出分別接各數(shù)字輸出控制接口卡，數(shù)字輸出控制接口卡再分別接各個步進電機驅(qū)動器。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的高精度大口徑天文望遠鏡薄鏡面磨制的主動支撐裝置，其特征在于所述的力促動器，是定標為加力的范圍±30N的力促動器。
專利摘要高精度大口徑天文望遠鏡薄鏡面磨制的主動支撐控制裝置，設有承重臺面，另外設有光學檢測系統(tǒng)，其特征在于在承重臺面上設有若干鏡面支撐器，所述的支撐器由固定支撐器和作為主動支撐的力促動器構(gòu)成，其中固定支撐器不少于三支，所述的力促動器上設有步進電機，光學檢測系統(tǒng)的輸出接計算機，計算機通過驅(qū)動器接步進電機。優(yōu)化方案是在計算機與步進電機驅(qū)動器之間，設置有若干數(shù)字輸出控制接口卡，計算機的輸出分別接各數(shù)字輸出控制接口卡，數(shù)字輸出控制接口卡再分別接各個步進電機驅(qū)動器。本實用新型可以動態(tài)的、邊磨制邊檢測、邊調(diào)整支撐體系，隨時防止鏡面材料在磨制過程中產(chǎn)生形變，控制精度可以達到萬分之五，均方根值≤50mN。
文檔編號G02B23/02GK2684218SQ200420025620
公開日2005年3月9日 申請日期2004年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月23日
發(fā)明者張振超, 崔向群, 王佑, 李新南 申請人:中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所