大型南极望远镜方位轴的支承系统的制作方法

本发明涉及一种机械转动轴系的支承系统，具体涉及一种新型的大型南极望远镜方位轴支承系统。

背景技术：

南极科考的数据表明：南极地区大气稀薄、寒冷、干燥、尘埃少，大气湍流少、视宁度好，更重要的是在南极地区能够进行长达数月的连续天文观测（极夜），且环境光污染少。这些特点使得南极的天文观察条件是地球上其他地方无法比拟的。所以，国际上天文界都在大力发展南极天文，中国也在南极的domea开始了相关的天文研究，先后在南极domea安装了cstar、ast3等中、小型天文望远镜，这些望远镜口径小，重量轻，采用传统的机械轴承支承即可。随着天文研究的推进，需要在南极建设大型地平式天文望远镜，大型地平式天文望远镜结构示意图如图1所示，望远镜镜筒1通过其两边的高度轴2的支承轴承3支承在两边叉臂4上，两边的两个叉臂4把重量传到方位转台5上，从力学角度而言，方位转台5的承重轴承6的直径d应该与两边叉臂的跨度相当，即承重轴承6应该在两边叉臂的正下方，这样方位转台5的力学性能最好，且有利于其结构设计。方位转台5的径向定位通过一对角接触球轴承8对方位轴9的径向定位来实现。对于大型天文望远镜而言，方位承重轴承6通常采用液体静压轴承，采用这种静压轴承有如下的优点：

1）与传统的机械球轴承相比，液体静压轴承的直径可以做的很大，能够满足上面所说的方位承重轴承大直径的要求。

2）液体静压轴承的摩擦系数只有机械轴承的1/10，这样有利于降低大型天文望远镜方位转动的摩擦转矩，进而降低驱动能耗。

但由于南极的环境温度很低，冬季最低气温达到-89℃。无法使用传统大型望远镜上通常采用的液体静压轴承。为此，需要有一种技术方案，来解决南极大型天文望远镜方位支承面临的如下问题（本申请以望远镜口径3米为例进行说明）：

1）旋转支承直径较大，在4米以上。

2）支承产生的摩擦力矩要小，适应南极能源供应紧张的要求。

3）支承稳定，能够实现南极天文望远镜稳定的跟踪指向。

现有技术中尚未找到能够满足上述要求的技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述4米以上超大直径的支承问题，提供一种大型南极望远镜方位轴的支承系统，该支承系统旋转支承直径较大，在4米以上；该支承系统支承产生的摩擦力矩小，能够适应南极能源供应紧张的要求；该支承系统支承稳定，能够实现南极天文望远镜稳定的跟踪指向。

完成上述发明任务的技术方案是：一种大型南极望远镜方位轴的支承系统，望远镜镜筒通过其两边的高度轴的支承轴承支承在两边叉臂上，两边的两个叉臂把重量传到方位转台上，其特征在于，所述方位转台与底座之间的联结方式是：底座上设有弧形导轨及与之相配的若干个滑块；所述滑块的上部与所述方位转台的底部固定。

换言之，本发明提出了如图2所示的支承方案：采用弧形导轨11和6个与之相配的滑块10组成的支承，来代替图1中方位承重的液体静压轴承6和径向定位的角接触球轴承组8。由于超大直径的弧形导轨整圈可由多个弧段拼接而成，所以图2中直径d可以做的很大。目前现成产品的最大直径可达到6米，整圈由6个60°的弧段拼接而成（如图3所示），通过拼接设备拼接后的整圈跳动量小于50微米（精密级），大大高于3米级口径望远镜对方位支承的要求（3米级口径要求在80～100微米）。由于望远镜上面的重量通过两边的叉臂传到方位转台，所以在两边叉臂的下方各布置2个滑块来承担上面的重量（如图3中0°和180°两个方向），为了提高支承的稳定性和刚性，在90°和270°方向上也分别各布置了1个滑块。滑块10通过联接螺钉12固定于方位转台5，弧形导轨11也通过联接螺钉13固定在底座7上，固定方式如图4所示。根据弧形导轨产品手则，若弧形导轨直径d为4米，则与之相配合的单个滑块的承载重量为14吨，如果每个叉臂下面安排如图3所示的2个滑块，则4个滑块的总承载重量为56吨，而3米级望远镜转动部分的重量在40吨左右，因此，采用这种弧形导轨来作为大型望远镜的支承，无论从承重能力，还是旋转精度，都能满足南极大型望远镜的要求，不但解决了大旋转直径的难题，还省去了图1中径向定位角接触球轴承组和定位方位轴。

本发明的优化方案如下：大型望远镜转动部分的重量很重，如3米级口径望远镜转动部分的重量在40吨左右，这样在导轨和滑块之间就会产生很大的摩擦力，进而产生很大的摩擦转矩。很大的摩擦转矩对大型南极望远镜而言，存在两个问题：一是南极能源紧缺，摩擦转矩大意味着需要很大的驱动能耗，造成能源供应问题；二是摩擦转矩大也意味着在整圈中摩擦转矩的波动量也较大，这样会影响望远镜的跟踪精度，无法实现高精度的跟踪。针对这一问题，本发明提出了如图5所示的方案，在弧形导轨的内圈与外圈分别设置有两对永磁圈，每对永磁圈分别由直径为d1和d2的上永磁体与下永磁体构成（所述d1小于弧形导轨的直径；所述d2大于弧形导轨的直径），所述上永磁体构成永磁圈卸荷转子；所述下永磁体构成永磁圈卸荷定子；所述两对永磁圈的上、下永磁体之间互为斥力，通过永磁斥力进行卸载。两圈永磁斥力卸载的重量为望远镜转动部分重量的80%，20%的重量仍由弧形导轨承担，这样既大大降低了摩擦力矩，又能实现弧形导轨的高精度定位功能。卸载永磁圈都是由转子14和定子15配对组成，定子类似于前面的支承弧形导轨，是一个整圈，但由于现有的加工条件和日后更换维护的考虑，整圈定子是由如图6所示的若干永磁模块拼接而成，拼接模块分别通过固定螺钉16固定在底座7的上表面，内外两圈的拼接方式类似，拼接模块的尺寸可根据直径d1（d2）、卸荷重量以及永磁加工工艺等确定。同样从力学的角度考虑，重量主要是通过两边的叉臂传递到方位转台的，因此，在两边叉臂4的下面分别安装了与永磁圈定子相配对的6个永磁转子14（如图7所示），为了保证稳定性和结构刚度，在两边叉臂垂直的方向上（图7中90°和270°方向）也分别设置了2个永磁转子14。永磁转子模块同样通过螺钉17固定在方位转台5的下表面。永磁力与永磁材料的体积成正比，所以为了提高卸荷力，图6和图7中永磁模块都是采用了1个螺钉固定，为了能够完全限制永磁模块的转动和安装的方便，在底座上表面和方位转台的下表面分别加工有凹环，如图8所示，用来定位永磁模块，凹环的尺寸根据永磁模块的外形尺寸确定。

为了保证本发明方案能够满足望远镜稳定跟踪的要求，采取了两种措施：

(1)永磁模块的形状上做了处理，如图9所示。定子永磁块15和转子永磁块14都采用了“︺”形状，且整个结构相对于oo1轴线左右对称，定子永磁块15和转子永磁块14的充磁方向相反，这样两者在间隙为h的情况下，接合面上产生如图9所示的排斥力f0、f和t，由于结构左右对称，所以两边的磁斥力f和t是相等的，同样由于左右结构对称，所以图中δ角和θ角也相等，这样磁斥力f和t在水平方向上的分力f2和t2，它们大小相等，作用方向相反，相互抵消，不会对系统产生额外的作用力，保证了系统的稳定性。图9中f1、t1和f0三者方向向上，抵抗重力，实现卸荷的目地。

(2)为了保证稳定性，在弧形导轨的两边分别布置了永磁卸荷外圈和永磁卸荷内圈，结构如图5所示。在卸荷外圈和卸荷内圈的共同作用下，消除了永磁卸荷对弧形导轨支承稳定性的影响，进而能够保证望远镜的稳定跟踪。

本发明旋转支承直径较大，在4米以上；支承产生的摩擦力矩小，能够适应南极能源供应紧张的要求；支承稳定，能够实现南极天文望远镜稳定的跟踪指向。与现有技术相比，本发明还省去了径向定位角接触球轴承组和定位方位轴。

附图说明

图1为大型地平式天文望远镜结构示意图；

图2为弧形导轨支承结构示意图；

图3为弧形支承导轨和滑块结构示意图；

图4为弧形导轨和滑块联接结构示意图；

图5为永磁卸荷结构示意图；

图6为卸荷永磁定子圈拼接示意图；

图7为卸荷永磁圈转子安装示意图；

图8为永磁模块安装凹环结构示意图；

图9为永磁块结构示意图。

具体实施方式

实施例1，大型南极望远镜方位轴的支承系统。参照附图：望远镜镜筒1通过其两边的高度轴2的支承轴承3支承在两边叉臂4上，两边的两个叉臂4把重量传到方位转台5上，方位转台5与底座7之间的联结方式是：底座7上设有弧形导轨11及与之相配的若干个滑块10；滑块10的上部通过滑块联接螺钉12与方位转台5的底部固定。弧形导轨11通过导轨联接螺钉13与底座7固定。弧形导轨11的整圈由多个弧段拼接而成。滑块的设置方式是：在两边叉臂的下方：0°和180°两个方向各布置2个滑块；在两边叉臂垂直的90°和270°方向上也分别各布置1个滑块。图中9为方位轴。

在弧形导轨的内圈与外圈分别设置有两对永磁圈，每对永磁圈分别由上永磁体与下永磁体构成，上永磁体构成永磁圈卸荷转子14；下永磁体构成永磁圈卸荷定子15；两对永磁圈的上、下永磁体之间互为斥力，通过永磁斥力进行卸载。两对永磁圈的永磁斥力卸载的重量为望远镜转动部分重量的80%，20%的重量仍由弧形导轨承担。永磁圈卸荷定子15的整圈是由若干永磁模块拼接而成。永磁圈卸荷转子14的整圈是由若干转子永磁模块拼接而成。永磁定子模块通过模块连接螺钉16固定在底座7上。永磁转子模块通过模块连接螺钉17固定在方位转台5底部。方位转台5底部设有方位转台凹环18；底座7上设有底座凹环19，用以定位转子永磁模块和定子永磁模块。凹环的尺寸根据转子永磁模块和定子永磁模块的外形尺寸确定。

本发明可以省去传统技术（图1）中的方位承重轴承6和角接触球轴承8。