大型天文望遠(yuǎn)鏡拼接鏡面子鏡的裝卸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種裝卸方法。具體涉及一種大型天文望遠(yuǎn)鏡拼接鏡面子鏡裝卸方 法，是適用于郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAM0ST)拼接主鏡的子鏡的裝卸方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為一個(gè)國(guó)家的國(guó)力和科技力量的體現(xiàn)，天文望遠(yuǎn)鏡集中了大型光學(xué)玻璃的澆 鑄、精密光學(xué)加工與檢測(cè)、大型機(jī)械裝備的高精度加工、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及光電接收系統(tǒng)等 當(dāng)代高新技術(shù)的最新成果。集光口徑是望遠(yuǎn)鏡最主要的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展很大 程度上體現(xiàn)為口徑的不斷加大。為了突破光學(xué)鏡面澆鑄加工的瓶頸，在新一代大望遠(yuǎn)鏡的 研制工作中，拼接鏡面主動(dòng)光學(xué)已經(jīng)成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它的出現(xiàn)不但使得更大望遠(yuǎn)鏡的 建造在技術(shù)上可行，也打破了望遠(yuǎn)鏡造價(jià)和口徑的2. 7次方成比例的規(guī)律，使其具備了現(xiàn) 實(shí)的意義。
[0003] 20世紀(jì)90年代以來世界范圍內(nèi)研制完成的大型地面光學(xué)和紅外望遠(yuǎn)鏡，共有十 多架，其中采用拼接鏡面的有6架，分別為KECKI、KECKII、HET、GTC、SALT和LAM0ST。而 國(guó)際上已經(jīng)提出的架下一代大望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃包括E-ELT、TMT、GMT、CFGT、JELT中，無一例外的 采用了拼接鏡面的技術(shù)。
[0004] 隨著大口徑望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展，望遠(yuǎn)鏡的主鏡安裝問題也越來越凸現(xiàn)出來，拼接鏡面 望遠(yuǎn)鏡的鏡片很多，比如現(xiàn)有的大口徑望遠(yuǎn)鏡中GTC，KECK有36塊子鏡，HET，SALT有91塊 子鏡，設(shè)計(jì)中的下一代望遠(yuǎn)鏡中其包含的子鏡數(shù)量更多，比如TMT有492塊子鏡，E-ELT有 906塊子鏡，GMT則由7塊8. 4米的子鏡組成，而我國(guó)計(jì)劃中的CFGT設(shè)計(jì)中將由1120塊子 鏡拼接組成。如此多的子鏡數(shù)量如果采用人手工安裝，且不說安裝的精度如何，單是如此大 量的子鏡安裝工作，本身就是一項(xiàng)浩大的工程，需要耗費(fèi)大量的人力物力和時(shí)間；另外由于 拼接鏡面包含多塊子鏡，所以子鏡，子鏡室及其后的桁架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手工單塊拆卸將十分困 難，拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡的主鏡裝卸必須使用特殊的裝卸工具。
[0005] 中國(guó)已經(jīng)落成的大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡LAMOST(LargeSkyArea Multi-ObjectFiberSpectroscopicTelescope)是一架中星儀式反射施密特望遠(yuǎn)鏡。球 面主鏡MB由37塊對(duì)角線長(zhǎng)1. 1米厚度75毫米的六角形球面子鏡組成。鏡面在工作了一 個(gè)階段之后，反射膜將產(chǎn)生老化現(xiàn)象，反射率降低，這時(shí)需要將老化了的膜層去除干凈并重 新鍍膜。這就需要經(jīng)常將主鏡子鏡拆下鍍膜后再重新裝上。
[0006] 目前國(guó)際上的各大拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡都配有專用的安裝裝置，采用全計(jì)算機(jī)控制， 運(yùn)動(dòng)精度高，安裝效率也高。
[0007] HET和SALT的主鏡單元安裝方法類似，因?yàn)樗麄兊闹麋R是固定朝上放置的，安裝 子鏡鏡片時(shí)都是把鏡片首先固定安裝在鏡室的支撐上，根據(jù)鏡室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一套特殊的裝 夾工具，然后使用安裝在圓頂上的吊車將子鏡單元裝置整個(gè)吊到鏡面上方，然后向下放到 鏡架上的裝夾工具上，松開吊車，通過裝夾工具慢慢下降調(diào)整，將子鏡單元移動(dòng)到位。SALT 的子鏡支撐和子鏡單元的安裝工具都是由位于亞利桑納Tuscon的EOS Technologies制造 的。
[0008] Keck和GTC是地平式望遠(yuǎn)鏡，可以將主鏡旋狀到水平位置，然后用類似上述方法 安裝子鏡單兀。
[0009] 目前中國(guó)國(guó)內(nèi)拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡還僅有郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAM0ST) -架，其球面主鏡 MB是一個(gè)6. 05米X6. 67米的由37塊子鏡構(gòu)成的組合系統(tǒng)，主鏡整體的球面曲率半徑40 米，整個(gè)MB及其支撐桁架都處于和地平向下傾斜25°角的位置，每塊子鏡是對(duì)角線長(zhǎng)為 1. 1米的正六角形，正面是半徑為40米的球面，背面是平面的柱形體，中心厚度75毫米。
[0010] 可以看到由于LAM0ST獨(dú)特的設(shè)計(jì)，MB既有一般大望遠(yuǎn)鏡主鏡共同的特點(diǎn)，又具備 有自身鮮明的特色具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
[0011] 1.在觀測(cè)的過程中固定不動(dòng)；
[0012] 2.整個(gè)主鏡MB是呈25度向下傾斜的；
[0013] 3.沒有一般望遠(yuǎn)鏡的機(jī)架與跟蹤部分，但仍然需要為鏡室桁架提供穩(wěn)定的向下傾 斜的支撐；
[0014] 這些特點(diǎn)導(dǎo)致LAM0ST主鏡的子鏡單元安裝方式與其它大型拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡的子 鏡單元安裝方式有很大的不同。另外由于望遠(yuǎn)鏡鏡片的特殊性，在操作的過程中鏡片不能 承受太大的外力和加速度，所以鏡片單元的安裝又與其它望遠(yuǎn)鏡組件的安裝不同。
[0015] 現(xiàn)有的子鏡安裝方式是用升降車把鉗工送到鏡面附近手工操縱夾具，把子鏡送到 安裝位置?，F(xiàn)有方法中采用肉眼判斷鏡面距離，手工操縱手輪進(jìn)給，地面升降車的操作也采 用人工，方法比較原始，精度不高，安全性也得不到保證?，F(xiàn)有技術(shù)中不存在相關(guān)的技術(shù)方 案。
[0016] 由于拼接式天文望遠(yuǎn)鏡的口徑越來越大，拼接鏡面子鏡的安裝裝置必須兼有大位 移和高精度兩個(gè)特點(diǎn)。根據(jù)一般機(jī)械常識(shí)，在設(shè)計(jì)上要兼顧這兩點(diǎn)是存在矛盾和困難的；兼 顧大位移和高精度的要求，也給控制系統(tǒng)帶來困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的提供一種大型天文望遠(yuǎn)鏡拼接鏡面子鏡 裝卸方法，即，郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAM0ST)拼接主鏡的子鏡裝卸方法、研制一個(gè)郭守敬望遠(yuǎn)鏡 (LAM0ST)子鏡裝卸專用裝置，代替原有的手工操作，實(shí)現(xiàn)LAM0ST主鏡子鏡的裝卸，能夠滿 足望遠(yuǎn)鏡主鏡要求的高精度高可靠度的鏡面拼接。同時(shí)對(duì)大口徑拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡的鏡面裝 卸方式進(jìn)行一些探索，為今后大望遠(yuǎn)鏡的鏡面安裝提供一些經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)中國(guó)望遠(yuǎn)鏡事業(yè)的 發(fā)展。
[0018] 完成上述發(fā)明任務(wù)的技術(shù)方案是，采用一種適合大型拼接鏡面天文望遠(yuǎn)鏡的子鏡 裝卸設(shè)備，該子鏡裝卸設(shè)備是由高速度、大位移機(jī)器人與小位移、高精度定位機(jī)器人組成的 串聯(lián)機(jī)器人，所述的高速度、大位移機(jī)器人采用液壓升降伸縮裝置；所述的小位移、高精度 定位機(jī)器人采用電機(jī)絲杠裝置；該電機(jī)絲杠裝置上設(shè)有三爪機(jī)械手；其特征在于，安裝步 驟如下：
[0019] (1).工作開始時(shí)，把所述子鏡裝卸設(shè)備移入光路；
[0020] ⑵.將所述高速度、大位移機(jī)器人的兩節(jié)伸縮臂的末端移動(dòng)到待安裝子鏡的存放 位置附近；
[0021] ⑶.啟動(dòng)所述小位移、高精度定位機(jī)器人的豎直轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、豎直升降裝置、水平移 動(dòng)裝置與俯仰機(jī)構(gòu)，將三爪機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)待安裝子鏡；
[0022] ⑷.利用三爪機(jī)械手抓起待安裝子鏡；
[0023] (5).將所述高速度、大位移機(jī)器人的兩節(jié)伸縮臂的末端移動(dòng)到待安裝子鏡的安裝 位置附近；
[0024] (6).啟動(dòng)所述小位移、高精度定位機(jī)器人的豎直轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、豎直升降裝置、水平移 動(dòng)裝置與俯仰機(jī)構(gòu)，將三爪機(jī)械手上的待安裝子鏡對(duì)準(zhǔn)其安裝位置；
[0025] (7).利用三爪機(jī)械手將待安裝子鏡安放到其安裝位置；
[0026] ⑶?人工固定待安裝子鏡；
[0027] ⑶.重復(fù)步驟⑵-重復(fù)(8)，直至所有的待安裝子鏡安裝到位；
[0028] _ .工作完成后把所述子鏡裝卸設(shè)備移出光路；
[0029] 拆卸子鏡的過程步驟如下：
[0030] ⑴_(tái)b.工作開始時(shí)，把所述子鏡裝卸設(shè)備移入光路；
[0031] ⑵_b.將所述高速度、大位移機(jī)器人的兩節(jié)伸縮臂的末端移動(dòng)到待拆卸的位置附 近；
[0032] ⑶_b.啟動(dòng)所述小位移、高精度定位機(jī)器人的豎直轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、豎直升降裝置、水平 移動(dòng)裝置與俯仰機(jī)構(gòu)，將三爪機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)待拆卸子鏡；
[0033] ⑷_b?人工松開待拆卸子鏡；
[0034] (5) _b.利用三爪機(jī)械手抓起待拆卸子鏡；
[0035] (6) -b.將所述高速度、大位移機(jī)器人的兩節(jié)伸縮臂的末端移動(dòng)到該子鏡的存放位 置附近；
[0036] (7) -b.啟動(dòng)所述小位移、高精度定位機(jī)器人的豎直轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、豎直升降裝置、水平 移動(dòng)裝置與俯仰機(jī)構(gòu)，將三爪機(jī)械手上的子鏡對(duì)準(zhǔn)其存放位置；
[0037] ⑶-b.利用三爪機(jī)械手將該子鏡安放到其存放位置；
[0038] ⑶-b.重復(fù)步驟⑵-重復(fù)⑶，直至所有的待拆卸子鏡拆卸完畢；
[0039] (W)-b.工作完成后把所述子鏡裝卸設(shè)備移出光路。
[0040] 在優(yōu)化方案中，各工作步驟有以下細(xì)化操作：
[0041] 步驟⑵的具體操作是：液壓升降伸縮裝置的臂收至最短、降至最低高度，通過傾斜 調(diào)整俯仰角度初步對(duì)準(zhǔn)需要安裝的子鏡。
[0042] 步驟⑷-步驟(7)的具體操作是：機(jī)械手通過旋轉(zhuǎn)、位移和傾斜精確對(duì)準(zhǔn)待安裝子 鏡并用三個(gè)爪子抓住子鏡室的三個(gè)起吊孔，然后由液壓升降伸縮裝置將機(jī)械手連同子鏡一 起初步運(yùn)到待安裝位置，機(jī)械手精確調(diào)整位置，將子鏡連同子鏡室送至預(yù)先安裝好的子鏡 接收裝置上，松開三個(gè)爪子移開，子鏡接收裝置將子鏡連同子鏡室一同帶到桁架上進(jìn)行聯(lián) 結(jié)安裝。
[0043] 每個(gè)步驟均采用光柵編碼器作為