本發明涉及一種定位和支承裝置，用于大型精密光學反射鏡面的支承和定位，尤其適用于大型天文望遠鏡主鏡的支承和定位。

背景技術：

精密光學鏡面需要穩定精密地支承和定位，如天文望遠鏡在對天體進行跟蹤觀測的過程中，鏡面往往需要從最低指向接近地平面開始一直到轉至最高指向天頂方向，即往往需要實現俯仰角從0度到90度的范圍，并且需要在跟蹤過程中保證鏡面的始終保持要求的面形精度和定位精度。這就需要對天文望遠鏡的所有鏡面，特別是主鏡進行良好的定位和支承。為解決這一問題，傳統方法是，望遠鏡主鏡通常多采用被動支承結構，并且往往將軸向支承和側向支承分開實施，如采用杠桿平衡重錘機構(參見圖1)、蹺蹺板(Whiffle-tree)機構(參見圖2)來實現對主鏡的支承；另外，同時還往往需要設置一個中心定位機構來實現對主鏡的定位。

隨著自動控制技術的發展，現代大型望遠鏡主鏡更多地采用的主動支承技術，即主鏡底部設置多個力促動器或位移促動器，在計算機控制下，對鏡面的位姿和面形進行實時控制，從而保證望遠鏡在跟蹤觀測過程中鏡面具有要求的面形精度和定位精度。同樣，仍然需要設置定位機構對鏡面的某幾個自由度進行定位，并需要側向支承，往往也采用杠桿平衡重錘機構或側向支承用蹺蹺板機構來實施。

上述鏡面支承方式的缺點是：基于傳統被動支承的軸向支承及側向支承的結構復雜，受結構限制較大，增加支承點會導致結構層次疊加；而先進的主動支承方式，需要實時檢測，閉環控制，系統復雜，造價較高。

技術實現要素：

為了克服上述精密光學鏡面傳統支承機構定位與支承的不足，同時兼顧造價與實現工藝性兩個方面，本發明提供一種實現精密反射鏡面軸向和側向支承和定位的支承結構方案，允許被支承鏡面作俯仰變化，并且易于精密控制與調整鏡面位置。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種半主動式反射鏡面支承和定位系統，用于支承和定位反射鏡面，包括鏡面支承系統以及鏡面位姿調整系統，反射鏡面，具有六個自由度，包括三個分別沿坐標軸X、Y、Z的軸向平動以及三個分別繞坐標軸X、Y、Z的轉動；所述鏡面支承系統包括軸向支承系統和側向支承系統，而鏡面位姿調整系統則包括軸向鏡面位姿調整系統和側向鏡面位姿調整系統；

所述的軸向鏡面位姿調整系統，包括軸向位姿調整用位移促動器、軸向位移傳感器；

所述軸向位姿調整用位移促動器，至少有三個，均勻布置在反射鏡面底部或邊緣處，作動方向均沿著反射鏡面的坐標軸Z向設置，用于驅動反射鏡面沿坐標軸Z向運動；各軸向位姿調整用位移促動器均集成有軸向力傳感器，該軸向力傳感器用于檢測所處位置處的反射鏡面的重力在軸向上的分量；

所述軸向位移傳感器，至少有三個，均用于檢測反射鏡面在軸向位姿調整用位移促動器的驅動下，其所處位置處的Z向平動位移量，并根據各軸向位移傳感器反饋的Z向平動位移量，解算反射鏡面分別繞坐標軸X、Y的旋轉角位移量R_x、R_y；

各軸向位姿調整用位移促動器的作動直至軸向位移傳感器所反饋的數值滿足要求；

所述的軸向支承系統，用于承擔反射鏡面的重力在軸向上的分量W*sinθ，包括軸向流體力促動器；

所述軸向流體力促動器，根據軸向力傳感器所反饋的數值來作動，直至軸向力傳感器所檢測到的數值為零或小于允許的誤差。

作為本發明的進一步改進，所述側向鏡面位姿調整系統，包括側向位姿調整用位移促動器和側向位移傳感器；

所述側向位姿調整用位移促動器，包括X向位移促動器、Y向位移促動器；X向位移促動器，作動方向沿著反射鏡面的坐標軸X向設置，用于驅動反射鏡面沿坐標軸X向運動；Y向位移促動器，作動方向沿著反射鏡面的坐標軸Y向設置，用于驅動反射鏡面沿坐標軸Y向運動；X向位移促動器、Y向位移促動器均集成有側向力傳感器，該側向力傳感器用于檢測所處位置處的作用力大小；

所述側向位移傳感器，包括X向位移傳感器、Y向位移傳感器，X向位移傳感器，與X向位移促動器配合使用，用于檢測X向位移促動器驅動反射鏡面產生的X軸向平動位移量x；Y向位移傳感器，與Y向位移促動器配合使用，用于檢測Y向位移促動器驅動反射鏡面產生的Y軸向平動位移量y；側向位移傳感器根據X軸向平動位移量x、Y軸向平動位移量y能夠測算出反射鏡面繞坐標軸Z的旋轉角位移量R_z；

側向位姿調整用位移促動器的作動直至側向位移傳感器所反饋的數值滿足要求；

所述側向支承系統，用于承擔反射鏡面的重力在反射鏡面所在平面內的側向分量W*cosθ，包括側向支承用流體力促動器；

所述側向支承用流體力促動器，根據側向力傳感器所反饋的數值來作動，直至Y向位移促動器上的側向力傳感器所檢測到的數值為零或小于允許的誤差。

根據上述的技術方案，相對于現有技術，本發明具有如下的優點：

本發明提供了基于流體壓力控制和驅動的精密光學反射鏡面支承和定位系統方案，可同時實現鏡面的軸向和徑向支承及鏡面的精密定位功能；軸向支承采用三個扇形區域，扇區內流體力促動器共用同一個比例閥控制；而側向支承采用余弦分布的力支承方案，符合精密鏡面側支承原理，且對稱位置的流體力促動器也共用同一個比例閥控制的方案；所有流體力促動器共用一個流體泵站；可根據鏡面的俯仰指向精密調整支承力和鏡面姿態；并由于擁有多個獨立的流體比例閥，在系統建成后，仍然便于根據鏡面支承要求和實際情況，隨時對流體力促動器進行微調，以改善鏡面支承性能；本發明體現了結構較簡單，能耗少，造價低的特點，具有原理清晰、結構對稱和可實施性好、適應性強等優點。

附圖說明

圖1是現有技術中，采用重錘杠桿機構進行鏡面支承的示意圖；

圖1中：反射鏡面1'；杠桿4'；鉸鏈5'；重錘6'；

圖2是現有技術中，采用蹺蹺板機構進行鏡面支承的示意圖；

圖2中：反射鏡面1'；鏡室2'；浮動架3'；杠桿4'；鉸鏈5'；

圖3是本發明所述的鏡面軸向支承系統仰視示意圖；

圖3中：1-反射鏡面，2-軸向流體力促動器，3-軸向支承用流體管道，4-軸向支承用比例閥，5-軸向位移促動器，6-軸向位移傳感器，7-流體泵站；

圖4是本發明鏡面軸向支承系統側視及位置檢測系統示意圖；

圖4中：1-反射鏡面，2-軸向支承用流體力促動器，3-軸向支承用流體管道，5-軸向位移促動器，6-軸向位移傳感器；

圖5是本發明鏡面側向支承原理及力分析示意圖；

圖6是本發明所述鏡面側向支承系統示意圖；

圖6中：1-反射鏡面，7-流體泵站，9-側向支承用流體力促動器，10-側向支承用流體管道，11-側向支承用比例閥；

圖7是本發明所述側向支承系統位置檢測系統示意圖；

圖7中：1-反射鏡面，12-側向位移促動器，13-側向支承用力傳感器，14-側向位移傳感器。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發明及其應用或使用的任何限制。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置。表達式和數值不限制本發明的范圍。同時，應當明白，為了便于描述，附圖中所示出的各個部分的尺寸并不是按照實際的比例關系繪制的。對于相關領域普通技術人員已知的技術、方法和設備可能不作詳細討論，但在適當情況下，所述技術、方法和設備應當被視為授權說明書的一部分。在這里示出和討論的所有示例中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它示例可以具有不同的值。

為了便于描述，在這里可以使用空間相對術語，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用來描述如在圖中所示的一個器件或特征與其他器件或特征的空間位置關系。應當理解的是，空間相對術語旨在包含除了器件在圖中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附圖中的器件被倒置，則描述為“在其他器件或構造上方”或“在其他器件或構造之上”的器件之后將被定位為“在其他器件或構造下方”或“在其他器件或構造之下”。因而，示例性術語“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”兩種方位。該器件也可以其他不同方式定位(旋轉90度或處于其他方位)。

本發明提供了一種半主動式反射鏡面支承和定位系統，用于支承和定位反射鏡面，包括鏡面支承系統以及鏡面位姿調整系統，所述鏡面支承系統包括軸向支承系統和側向支承系統，而鏡面位姿調整系統則包括軸向鏡面位姿調整系統和側向鏡面位姿調整系統，其中：

反射鏡面，具有六個自由度，包括三個分別沿坐標軸X、Y、Z的軸向平動以及三個分別繞坐標軸X、Y、Z的轉動。

反射鏡面的位置，特別是大型天文望遠鏡主鏡往往需要作位姿調整，即需調整其六個自由度上的位移，參見圖3和圖4。其中z、R_x和R_y這三個自由度的調整由軸向鏡面位姿調整系統實現，x、y和R_z由側向鏡面位姿調整系統實現。

所述的軸向鏡面位姿調整系統，包括軸向位姿調整用位移促動器、軸向位移傳感器。

所述軸向位姿調整用位移促動器，至少有三個，均勻布置在反射鏡面底部或邊緣處，作動方向均沿著反射鏡面的坐標軸Z向設置，用于驅動反射鏡面沿坐標軸Z向運動；各軸向位姿調整用位移促動器均集成有軸向力傳感器，該軸向力傳感器用于檢測所處位置處的反射鏡面的重力在軸向上的分量。

所述軸向位移傳感器，至少有三個，均用于檢測反射鏡面在軸向位姿調整用位移促動器的驅動下，其所處位置處的Z向平動位移量，并根據各軸向位移傳感器反饋的Z向平動位移量，解算反射鏡面分別繞坐標軸X、Y的旋轉角位移量R_x、R_y。

各軸向位姿調整用位移促動器的作動直至軸向位移傳感器所反饋的數值滿足要求。

所述的軸向支承系統，用于承擔反射鏡面的重力在軸向上的分量W*sinθ，包括軸向流體力促動器；基于鏡面的反射面的面形精度要求，在鏡面背部設置相應需要數量的支承點，以及每個支承圈的支承點的數量及支承圈的半徑分布；支承圈的數量決定了鏡面面形的徑向變化數，支承圈上的支承點的數量決定了鏡面面形的周向變化數。每個支承點采用流體力促動器，如液壓缸或氣缸，進行支承。

結合鏡面的形狀，將所有的軸向支承點等分為三個扇形區域，每個扇形區域內所有的軸向支承用流體力促動器由一個獨立軸向支承用比例閥控制。參見圖4，設鏡面重力為W，鏡面軸線仰角為θ，則每個扇區軸向支承用流體力促動器各支承鏡面重力的軸向分量W*sinθ的三分之一，即W*sinθ/3，三個軸向支承用比例閥由計算機控制，協調工作，始終保持三個扇區的軸向支承用流體力促動器的輸出力大小的總和等于鏡面重力在軸向上的分量W*sinθ。

為了實現鏡面的精密定位或調整，在鏡面底部或邊緣處，等分布地沿軸向設置三個軸向位移促動器和三個軸向位移傳感器。三個軸向位移傳感器用于檢測和解算鏡面的三個自由度z及R_x和R_y，即軸向平動位移量z及鏡面繞X和Y軸的旋轉角位移量R_x和R_y；而三個軸向位移促動器則用以驅動鏡面按需要的調整量精密調整這三個自由度。軸向位移促動器集成有力傳感器，并由計算機控制三個軸向支承扇區的三個軸向支承用比例閥，配合鏡面的三個自由度的調整，始終確保軸向支承用力傳感器受力為零或小于允許的誤差，即鏡面的重力在軸向上的分量W*sinθ始終由軸向支承用流體力促動器承擔。

通過這樣的布置和控制，就實現了對鏡面的軸向支承及上述三個自由度z、R_x和R_y上位姿的調整。所有的軸向支承用流體力促動器只由一個流體泵站,如液壓站或氣泵，提供流體壓力，即鏡面軸向支承系統需要有一個流體壓力源和三個比例閥。

所述軸向流體力促動器，根據軸向力傳感器所反饋的數值來作動，直至軸向力傳感器所檢測到的數值為零或小于允許的誤差。

所述側向鏡面位姿調整系統，包括側向位姿調整用位移促動器和側向位移傳感器。

所述側向位姿調整用位移促動器，包括X向位移促動器、Y向位移促動器；X向位移促動器，作動方向沿著反射鏡面的坐標軸X向設置，用于驅動反射鏡面沿坐標軸X向運動；Y向位移促動器，作動方向沿著反射鏡面的坐標軸Y向設置，用于驅動反射鏡面沿坐標軸Y向運動；X向位移促動器、Y向位移促動器均集成有側向力傳感器，該側向力傳感器用于檢測所處位置處的作用力大小。

所述側向位移傳感器，包括X向位移傳感器、Y向位移傳感器，X向位移傳感器，與X向位移促動器配合使用，用于檢測X向位移促動器驅動反射鏡面產生的X軸向平動位移量x；Y向位移傳感器，與Y向位移促動器配合使用，用于檢測Y向位移促動器驅動反射鏡面產生的Y軸向平動位移量y；側向位移傳感器根據X軸向平動位移量x、Y軸向平動位移量y能夠測算出反射鏡面繞坐標軸Z的旋轉角位移量R_z。

側向位姿調整用位移促動器的作動直至側向位移傳感器所反饋的數值滿足要求。

所述側向支承系統，用于承擔反射鏡面的重力在反射鏡面所在平面內的側向分量W*cosθ，包括側向支承用流體力促動器。

所述側向支承用流體力促動器，根據側向力傳感器所反饋的數值來作動，直至Y向位移促動器上的側向力傳感器所檢測到的數值為零或小于允許的誤差。

本發明接著提出基于流體力促動器的精密鏡面側向支承方案。如圖5所示原理，為實現鏡面側向支承，沿徑向在鏡體圓柱面上施加等角度分布的支承力。鏡面重力及其方向由W及豎直向下的箭頭表示?？蓪⒅С辛Ψ譃閮山M，一組在鏡面下側向上推鏡面，另一組在鏡面上側向上拉鏡面。根據鏡面側支承的需要，也可僅采用一組支承力來實現鏡面的側向支承。設共有n個支承力，如果采用上下兩組支承力，則γ₀＝2π/n；如果采用一組支承力，則γ₀＝π/n。假設每組支承力大小F_i均按余弦分布，即F_i＝F₀cosγ_i，即F₀最大，往兩側按余弦規律漸減，至鏡面水平直徑左右兩端點處，支承力F_i減為零；參見圖4和圖5，則所有F_i及F₀沿重力方向的分量的合成應與鏡面重力在鏡面所在平面內的分量W*cosθ平衡，所以有：

即可根據上式(1)確定最大支承力的大小及變化規律，進而確定所有側向支承力的大小及變化規律。

圖6給出了一種基于上述側向支承力學原理的并基于流體力促動器的鏡面精密側向支承系統結構示意圖。圖6中采用了一組流體力促動器提供支承力，在鏡面下側實現鏡面側支承。由于系統是左右對稱的，所以左右對稱的側向支承用兩個流體力促動器由同一個側向支承用比例閥控制輸出力。側向支承系統與軸向支承系統共用同一個流體泵站。當鏡面俯仰角發生變化時，由計算機根據上式(1)來控制側向支承用比例閥，從而控制每個側向支承用流體力促動器的輸出力按照要求變化。

上述軸向支承系統考慮了鏡面的z及Rx和Ry的精密定位和調整系統方案，同樣的，參見圖3所定義坐標系，為了實現鏡面的其余三個自由度，即沿X軸和Y軸的平動x和y及繞Z軸的轉動R_z，的精密定位或調整，參見圖6和圖7，在鏡面水平和豎直的直徑的端點A附近的鏡面側面上，并在鏡面所在平面內，各設置一個側向位移促動器和一個側向位移傳感器。水平的兩個位移促動器和兩個位移傳感器用以驅動和檢測鏡面沿X軸的平動位移x，豎直的兩個位移促動器和兩個位移傳感器用以驅動和檢測鏡面沿Y軸的平動位移y，而當四個側向位移促動器同時同方向驅動時，則實現鏡面繞Z軸的轉動位移R_z，并可由四個側向位移傳感器的讀數解算出R_z的大小。側向支承用力傳感器用以監測位移促動器上作用力的大小，特別是豎直反向作用的兩個側向支承用力傳感器，應始終保持為零或小于允許的誤差，即鏡面的重力在鏡面所在平面內的側向分量W*cosθ始終由側向支承用流體力促動器承擔。

通過上述關于精密鏡面的軸向和側向支承系統的布置和控制，可實現對鏡面的所有六個自由度上位姿(x、y、z、R_x、R_y及R_z)的調整。所有的流體力促動器只由一個流體泵站提供流體壓力。由于本發明可根據鏡面的俯仰角主動控制和調整支承元件流體力促動器以及可主動調整鏡面的位置，但并不閉環校正鏡面的面形精度，因此稱為半主動式的精密光學鏡面定位和支承系統。

以下結合附圖詳細地說明本發明的技術方案：

在圖3和圖4中，反射鏡面1背部按要求的位置均勻設置若干軸向支承用流體力促動器2，并等分成三個扇區，每個扇區內的軸向支承用流體力促動器2通過軸向支承用流體管道3相連，分別連至一個軸向支承用比例閥4，再一起連至流體泵站7；在鏡面邊緣或背面，等分地設置三個集成有軸向支承用力傳感器8的軸向位移促動器5，用以精密調整和定位鏡面1的沿Z軸及繞X軸和Y軸的三個自由度；又等分地設置了三個軸向位移傳感器，用以監測鏡面1的沿Z軸及繞X軸和Y軸的三個自由度上的位姿。在圖6和圖7中，鏡面下側面等分地沿徑向按要求設置若干側向支承用流體力促動器9，并將對稱的流體力促動器9，兩兩通過側向支承用流體管道10相連，由同一個側向支承用比例閥11控制，各輸出力按余弦分布，并連至流體泵站7；在鏡體的側面，在鏡面的上下左右四處，設置了四組集成有側向支承用力促動器13的側向位移促動器12和側向位移傳感器14，用以精密調整和監測鏡面1的沿X軸和Y軸及繞Z軸的三個自由度。