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中图分类号：T96 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0359-01
一、望远镜调整机构的性能要求
望远镜调整机构应从调整自由度、调整范围、调整精度、次镜口径及载荷等多方面考虑，最终确定所采用的方案。以卡塞格林反射望远镜为例来分析次镜调整机构的性能要求，主要包括以下几方面。
（1）自由度要求：除去次镜绕自身光轴的转动外，其余五个自由度的运动都
会改变主次镜之间的相对位姿。因此，要求次镜调整机构至少具有五个自由度。
（2）精度要求：高质量的成像对主次镜之间的相对位姿要求非常高，精度要
求达到微米级和角秒级。
（3）行程要求：为了满足主次镜在装调和工作中的相对位姿误差，一般要求
次镜调整机构的行程能够达到毫米级和角分级。
（4）遮拦面积要求：除去次镜本身及其支撑结构不可避免的发生遮拦外，尽
可能地减小次镜调整机构的遮拦，即要求次镜调整机构小型化。
根据望远镜项目的研制要求，结合次镜调整机构的性能要求，本文设计了一套五自由度次镜调整机构，其中Z向离焦及绕X， Y轴的倾斜功能可以实现自动调整。采用二维XY移动平台和三自由度Tip/Tilt/Focus平台组合的方式来实现次镜的五自由度调整。
二、多自由度调整平台
近年来，随着计算机技术、数字控制及精密机械的迅速发展，宇航工业、材
料科学、生物工程等领域对定位系统的精度提出了越来越高的要求。因此，作为执行机构的多自由度调整平台在其中发挥着越来越重要的作用。根据多自由度调整平台的结构方式，一般可分为串联式、并联式以及串并联混合式。
传统的多自由度调整机构大都采用串联式。它具有结构简单、工作空间大、动作灵活等优点，在工业上有着广泛的应用。作为一般的应用环境，它己经作为一种成熟产品可以直接购买，例如国内的赛凡光电公司生产的串联式六自由度调整平台。它是由三个电动平台和三个电动角位台组合而成。串联式多自由度机构的缺点是刚度差、累计误差大、承载能力小。
针对串联式调整机构的上述缺点，特点正好与其相反的并联式调整机构应运而生。并联式多自由度调整平台可以定义为：调整平台与基平台之间用两个以上分支相连，机构具有两个或两个以上的自由度，且其驱动器分布在不同支路上的机构。相对于串联式多自由度调整机构而言，并联式调整机构具有以下优点：
（1）刚度大，結构稳定紧凑，承载能力强。
（2）工作空间较小。
（3）无累积误差，精度较高。
（4）运动惯性小，动态响应好。
（5）完全对称的并联机构具有较好的各向同性。
串联式和并联式调整机构是对立统一的，在应用上不是替代而是互补的关系，可以说，并联式调整机构的出现大大扩大了调整机构的应用范围。
在大口径望远镜次镜系统中应用比较广泛的一种并联式多自由度调整机构叫Stewart平台，它由六个驱动器和两个平台组成，通过六个驱动器的伸缩能够
实现上下两个平台间六个自由度的运动。 Stewart平台是1965年由德国学者Stewart首次将它作为飞行模拟器机构提出来的。随后相关研究大量涌现，之后Stewart平台成功应用于大功率装配机器人、步行机器人、机器人手腕等。经过多年的研究，Stewart平台机构的位置正解问题、典型机构的速度分析、加速度分析、误差分析和受力分析等都得到了解决，对机构学理论及控制理论也进行了系统深入的研究，为Stewart平台的应用奠定了基础。
对于六自由度调整机构来说，Stewart平台是个很理想的选择。但是，Stewart平台的六自由度间具有很强的祸合性，控制过程比较复杂，而且造价昂贵。对于只需要实现五个或者更少自由度的调整时，使用Stewart平台不免会增加机构与控制的复杂性。因此，在望远镜或其他领域中，人们渐渐地开始探索各种新型的少自由度调整机构。相对于六自由度并联式调整机构，少自由度调整机构具有驱动件少、工作空间大、运动祸合较弱、控制简单方便和价格低廉等优点。
由于主镜结构的庞大，在次镜结构中加入多自由度调整机构将是很有必要的。
三、次镜调整机构仿真分析
（一）有限元模型的建立
有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。作为一种近似模拟现实和替代复杂实验的技术，对于机械结构设计来说，是一种有效地研究方法。与复杂的实验相比，有限元分析从能量守恒的角度出发，充分考虑结构中每一部位的弹性变形，在对实际模型进行节点和单元离散化处理的基础上根据实际边界条件的变化对问题进行各种情况的分析，可以比较准确、全面地反映机构的可行性。
针对次镜结构系统特点及其连接关系，本文采用MSC Patran对机构进行有限元网格划分，详细地建立相应的有限元模型。为了更精确进行有限元分析，根据各部分结构的特点，对不同部件采用不同的单元简化。例如，轻量化次镜采用壳单元，并对镜面和肋板赋予不同的厚度值；考虑到柔性铰链区域存在应力集中问题，对其应该进行适当的网格加密划分；其他大部分组件均采用体单元（五面体、六面体）等表示。结构中采用的材料包括微晶玻璃（次镜）、锢钢（支撑部件）、被青铜（柔性铰链）、轴承钢（螺杆）以及45钢（基座组件）等等。
（二）静力学分析
首先对模型添加约束，根据望远镜主光学系统的连接方式，在基座的三个接口处施加固定约束次镜结构受到的载荷主要来源于自身的重量，因此下面将按两种极限状态来分析次镜结构的应力和位移变形。
当次镜光轴与重力平行时，得到次镜结构的变形云图，机构最大变形为2.75 um，当次镜光轴与重力垂直时，得到次镜结构的变形云图机构最大变形为4.52um。
（三）模态分析
模态分析是研究结构动力特性的一种方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有特性，每一个模态都具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。当机构从静止状态受到干扰时，通常会以一定的频率振动，这一频率即为固有频率。对于每个固有频率，机构都呈一定的形状变化。如果机构所承受外界动载荷的频率与其中的一个固有频率相同，则会发生共振。模态分析在机构设计中是至关重要的，为使机构对外界的干扰不敏感，应使机构的固有频率尽量高，一般应控制在100Hz以上，以保证系统有较好的稳定性。这里进行模态分析使用静态分析时建立的模型，可以得到次镜结构的各阶固有频率值，分析时取前3阶，如表1-1所示。通过表中的数据我们可以知道次镜结构系统各阶固有频率值均大于1OOHz，符合设计要求。
根据有限元分析的方法，针对设计的次镜结构系统的结构特点及其连接关系，详细地建立次镜结构系统的有限元模型，分别进行了结构的谐振频率分析和两种极限状态的变形分析，分析结构表明，该结构系统能满足系统要求。
一、望远镜调整机构的性能要求
望远镜调整机构应从调整自由度、调整范围、调整精度、次镜口径及载荷等多方面考虑，最终确定所采用的方案。以卡塞格林反射望远镜为例来分析次镜调整机构的性能要求，主要包括以下几方面。
（1）自由度要求：除去次镜绕自身光轴的转动外，其余五个自由度的运动都
会改变主次镜之间的相对位姿。因此，要求次镜调整机构至少具有五个自由度。
（2）精度要求：高质量的成像对主次镜之间的相对位姿要求非常高，精度要
求达到微米级和角秒级。
（3）行程要求：为了满足主次镜在装调和工作中的相对位姿误差，一般要求
次镜调整机构的行程能够达到毫米级和角分级。
（4）遮拦面积要求：除去次镜本身及其支撑结构不可避免的发生遮拦外，尽
可能地减小次镜调整机构的遮拦，即要求次镜调整机构小型化。
根据望远镜项目的研制要求，结合次镜调整机构的性能要求，本文设计了一套五自由度次镜调整机构，其中Z向离焦及绕X， Y轴的倾斜功能可以实现自动调整。采用二维XY移动平台和三自由度Tip/Tilt/Focus平台组合的方式来实现次镜的五自由度调整。
二、多自由度调整平台
近年来，随着计算机技术、数字控制及精密机械的迅速发展，宇航工业、材
料科学、生物工程等领域对定位系统的精度提出了越来越高的要求。因此，作为执行机构的多自由度调整平台在其中发挥着越来越重要的作用。根据多自由度调整平台的结构方式，一般可分为串联式、并联式以及串并联混合式。
传统的多自由度调整机构大都采用串联式。它具有结构简单、工作空间大、动作灵活等优点，在工业上有着广泛的应用。作为一般的应用环境，它己经作为一种成熟产品可以直接购买，例如国内的赛凡光电公司生产的串联式六自由度调整平台。它是由三个电动平台和三个电动角位台组合而成。串联式多自由度机构的缺点是刚度差、累计误差大、承载能力小。
针对串联式调整机构的上述缺点，特点正好与其相反的并联式调整机构应运而生。并联式多自由度调整平台可以定义为：调整平台与基平台之间用两个以上分支相连，机构具有两个或两个以上的自由度，且其驱动器分布在不同支路上的机构。相对于串联式多自由度调整机构而言，并联式调整机构具有以下优点：
（1）刚度大，結构稳定紧凑，承载能力强。
（2）工作空间较小。
（3）无累积误差，精度较高。
（4）运动惯性小，动态响应好。
（5）完全对称的并联机构具有较好的各向同性。
串联式和并联式调整机构是对立统一的，在应用上不是替代而是互补的关系，可以说，并联式调整机构的出现大大扩大了调整机构的应用范围。
在大口径望远镜次镜系统中应用比较广泛的一种并联式多自由度调整机构叫Stewart平台，它由六个驱动器和两个平台组成，通过六个驱动器的伸缩能够
实现上下两个平台间六个自由度的运动。 Stewart平台是1965年由德国学者Stewart首次将它作为飞行模拟器机构提出来的。随后相关研究大量涌现，之后Stewart平台成功应用于大功率装配机器人、步行机器人、机器人手腕等。经过多年的研究，Stewart平台机构的位置正解问题、典型机构的速度分析、加速度分析、误差分析和受力分析等都得到了解决，对机构学理论及控制理论也进行了系统深入的研究，为Stewart平台的应用奠定了基础。
对于六自由度调整机构来说，Stewart平台是个很理想的选择。但是，Stewart平台的六自由度间具有很强的祸合性，控制过程比较复杂，而且造价昂贵。对于只需要实现五个或者更少自由度的调整时，使用Stewart平台不免会增加机构与控制的复杂性。因此，在望远镜或其他领域中，人们渐渐地开始探索各种新型的少自由度调整机构。相对于六自由度并联式调整机构，少自由度调整机构具有驱动件少、工作空间大、运动祸合较弱、控制简单方便和价格低廉等优点。
由于主镜结构的庞大，在次镜结构中加入多自由度调整机构将是很有必要的。
三、次镜调整机构仿真分析
（一）有限元模型的建立
有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。作为一种近似模拟现实和替代复杂实验的技术，对于机械结构设计来说，是一种有效地研究方法。与复杂的实验相比，有限元分析从能量守恒的角度出发，充分考虑结构中每一部位的弹性变形，在对实际模型进行节点和单元离散化处理的基础上根据实际边界条件的变化对问题进行各种情况的分析，可以比较准确、全面地反映机构的可行性。
针对次镜结构系统特点及其连接关系，本文采用MSC Patran对机构进行有限元网格划分，详细地建立相应的有限元模型。为了更精确进行有限元分析，根据各部分结构的特点，对不同部件采用不同的单元简化。例如，轻量化次镜采用壳单元，并对镜面和肋板赋予不同的厚度值；考虑到柔性铰链区域存在应力集中问题，对其应该进行适当的网格加密划分；其他大部分组件均采用体单元（五面体、六面体）等表示。结构中采用的材料包括微晶玻璃（次镜）、锢钢（支撑部件）、被青铜（柔性铰链）、轴承钢（螺杆）以及45钢（基座组件）等等。
（二）静力学分析
首先对模型添加约束，根据望远镜主光学系统的连接方式，在基座的三个接口处施加固定约束次镜结构受到的载荷主要来源于自身的重量，因此下面将按两种极限状态来分析次镜结构的应力和位移变形。
当次镜光轴与重力平行时，得到次镜结构的变形云图，机构最大变形为2.75 um，当次镜光轴与重力垂直时，得到次镜结构的变形云图机构最大变形为4.52um。
（三）模态分析
模态分析是研究结构动力特性的一种方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有特性，每一个模态都具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。当机构从静止状态受到干扰时，通常会以一定的频率振动，这一频率即为固有频率。对于每个固有频率，机构都呈一定的形状变化。如果机构所承受外界动载荷的频率与其中的一个固有频率相同，则会发生共振。模态分析在机构设计中是至关重要的，为使机构对外界的干扰不敏感，应使机构的固有频率尽量高，一般应控制在100Hz以上，以保证系统有较好的稳定性。这里进行模态分析使用静态分析时建立的模型，可以得到次镜结构的各阶固有频率值，分析时取前3阶，如表1-1所示。通过表中的数据我们可以知道次镜结构系统各阶固有频率值均大于1OOHz，符合设计要求。
根据有限元分析的方法，针对设计的次镜结构系统的结构特点及其连接关系，详细地建立次镜结构系统的有限元模型，分别进行了结构的谐振频率分析和两种极限状态的变形分析，分析结构表明，该结构系统能满足系统要求。