2 m望远镜塔台的构建

分析了国内外地基大口径望远镜的站址选择和塔台建设,对2m口径望远镜的塔台建设进行了研究。首先,讨论了望远镜的视宁度和塔台高度之间的关系,通过对该望远镜所在地的大气视宁度等因素的衡量,确定塔台高度为13m。然后,根据Φ2m级口径望远镜塔台建设的需求,建立了计算机仿真模型,采用有限元软件Ansys进行仿真分析,提出了一种载荷为30t的情况下,谐振频率达到30Hz,并且能够承受5级地震灾害和一定风载的塔台和地基建设方案。分别采用谱分析和随机振动的方法研究了设计的塔台在地震、风载等自然条件下的响应,结果证明该方案能满足Φ2m级口径望远镜的站址建设要求并对下一步开展的Φ4m级口径地基大口径望远镜的塔台和地基建设具有参考作用。     

谐波分析方法在提高精密转台回转精度中的应用

为了提高某精密转台的测角精度和改进结构设计,对其方位轴系角位置测量精度进行了检测,该误差包括轴系误差、编码器误差及其他误差项。在数据处理中,采用傅里叶谐波分析方法,用不同阶次的简谐波进行拟合,去掉低阶误差,可提高位置测量精度,同时分析了各误差的来源。建立的误差查询表格可用于对后期测量结果的修正。结果证明,角位置测量误差修正后的值是修正前的1/4左右,幅值不超过0.8,极大地提高了角位置测量精度。此实验研究了使用谐波分析来提高转台位置测量精度的方法;同时分析了各误差来源,便于采取相应措施对轴系进行改进。     

30 m望远镜的三镜Rotator组件轴承概念设计

针对美国30 m望远镜(TMT)三镜系统在工作时的特殊要求,对三镜系统的Rotator组件轴承进行了设计,提出了在载荷连续变化条件下轴系的设计方法.通过分析该系统独特的运动和受力方式并对比现有大型望远镜结构形式,确定了三排滚柱支撑的轴系方案及轴承结构参数.计算中将天顶角定义为变量,确定了轴承的最恶劣工况及此时的望远镜指向.采用了数值计算和有限元仿真的方法对这一条件下的轴承变形和应力同时进行校核,两种方法得到的结果符合得很好,证明了模型的正确性.结果表明,天顶角为0°～65°时,轴承在x、y、z方向上的变形不超过0.015 mm,轴承倾角不超过1.7×10-5 rad,满足设计要求,并留有很大裕度.     

基于模糊PID控制的望远镜伺服控制系统

为了满足某种望远镜传递函数时变、速度精度要求高、位置定点时间长的控制要求,在分析经典PID的基础上,提出了一种模糊控制方案。通过构造模糊控制规则,模糊PID控制器能够根据误差和误差变化对控制器的比例、积分增益进行实时的调整。针对某望远镜模型,仿真验证了模糊PID控制与经典PID的控制性能,并在该望远镜上实验验证了速度控制及位置定点实验,速度为138.8°/s时最大稳态误差为0.4°/s,位置定点最大误差为0.0002°。仿真结果和实验结果均表明:模糊PID控制能满足该望远镜的观测要求。     

TMT三镜系统Rotator组件轴承设

以TMT三镜系统为对象，对其中的Rotator组件用轴承进行了设计，并对轴承关键参数的选取进行了探讨。首先，通过分析三镜系统的运动模式确定了系统的受载状态；接着基于Hertz弹性变形理论，建立了双列角接触球轴承的载荷-变形公式，采用牛顿迭代法对轴向、径向、角位移量进行求解，得到每个钢球受载和变形的精确解；最后对该轴承设计中的一些关键参数选择对承载能力的影响进行了讨论。计算分析表明，在三镜工作角度范围内，光轴方向最大变形为0.022 mm，滚道面内各个方向变形小于0.042 mm，最大角变形量为3.5，满足三镜系统的设计要求，并留有较大的设计裕度。建立的载荷分布方程及提出的参数选择原则对双列角接触球轴承的设计具有通用性，可适用于各种工况。     

基于谱分析的30m望远镜三镜支撑结构地震分析

为了满足30 m望远镜 （TMT）三镜系统（M3S）对抗震性能的要求,对在返回周期为200年和1000年的地震载荷条件下的三镜支撑结构的性能进行了分析。首先,根据三镜支撑结构的特点,对TMT整体的地震响应谱进行了修正,得到了适用于三镜支撑结构的地震响应谱。然后,分析了三镜支撑结构在不同等级地震激励下的位移、应力和加速度响应。分析结果显示,当返回周期为1000年的地震从水平面内两个正交方向及竖直方向同时传递到三镜支撑结构中时,系统响应最大;此时,三镜支撑结构中各部件的最大加速度为2.844g,最大位移为1.544 mm,最大应力为552.316 MPa,三镜上最大应力为1.401 MPa。根据材料力学性能可知,侧支撑杆会发生破坏,需要采取地震防护措施对三镜进行保护。本文在进行谱分析时较完整地考虑了各项因素,结果数据精确可靠,可为三镜系统的详细设计提供指导。