高精度大口径天文望远镜薄镜面磨制的主动支撑控制装置 【技术领域】
本发明涉及一种加工制作天文望远镜的设备，特别是一种高精度大口径天文望远镜镜面磨制的主动支撑控制装置。
背景技术
传统的天文望远镜镜面磨制工作是采用被动支撑，或称为静态支撑，即把镜面材料(光学玻璃)放置在承重台上，用机械磨制。磨制中需要另外用检测设备不断对镜面进行检测。传统镜面一般材料的厚度较大，其刚性足以克服外力造成的材料形变。而现代天文望远镜的发展趋势是采用大口径薄镜面。大口径薄镜面的天文望远镜具有口径大、自重轻等很多优势，但是由于这种大口径薄镜面的材料厚度薄，抗形变的能力很差，磨制过程中的加工机械会使镜面材料变形，这种变形会严重影响镜面的加工精度。镜面被加工磨制的同时，加工设备中的光学检测系统，不断对镜面进行检测，人们再根据检测结果调整磨制工作，以消除形变。但是这种形变是动态的、随着加工步骤不断变化的，所以在传统的被动支撑的基础上，很难采用对应的技术措施来及时消除或对抗镜面的变形现象。如何克服大口径薄镜面材料在磨制过程中的材料形变，能控制磨镜机磨制出满足现代大型天文望远镜要求地薄镜面的技术是一个重大难题。
01113668.5号中国发明专利公开了一种“大型天文望远镜镜面位移控制系统”；01113669.3号中国发明专利公开了“大型天文望远镜中力促动器的电控系统”，虽然该技术属于天文观测控制领域，不属望远镜加工制造技术上需要的薄镜面控制技术，但对解决上述难题有着积极的借鉴作用。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种高精度大口径天文望远镜镜面磨制的主动支撑 装置，该装置将传统的被动支撑改为主动支撑，同时把支撑与检测结合在一起，使用这种装置磨制大口径薄镜面，就可以动态的、边磨制边检测、边调整支撑体系，随时防止镜面材料在磨制过程中产生形变，以保证大口径薄镜面天文望远镜的制造精度。
完成上述发明任务的方案是：高精度大口径天文望远镜薄镜面磨制的主动支撑控制装置，设有承重台面，另外设有光学检测系统，其特征在于：在承重台面上设有若干镜面支撑器，所述的支撑器由固定支撑器和主动支撑(以下称之为：力促动器)构成，其中固定支撑器不少于三支，所述的力促动器上设有步进电机，光学检测系统的输出接计算机，计算机通过驱动器接步进电机。
镜面在磨制中产生形变时，光学检测系统随时检测到形变产生的部位及其大小，并随时将检测结果传输给计算机，计算机通过控制接口控制步进电机驱动器，再由步进电机驱动器分别控制力促动器加(拉)力，以此对抗或消除镜面的形变。
本发明有以下优化方案：
在计算机与步进电机驱动器之间，设置有若干数字输出控制接口卡，计算机的输出分别接各数字输出控制接口卡，数字输出控制接口卡再分别接各个步进电机驱动器。优化方案增加了计算机的输出通道，使主控计算机对所有力促动器的控制可以同步进行，不必再采用分时控制技术。例如：在主动支撑装置中采用七块数字输出控制接口卡，每块数字输出控制接口卡的数字量输出为32个通道，七块数字输出控制接口卡的数字量输出为224个通道。其中一套力促动器使用四个数据通道。即最多可以控制56套力促动器运行，可以满足目前高精度大口径天文望远镜薄镜面磨制过程中检测与调整支撑的需要。
本发明的另一个优化方案是：所述的力促动器，是加力范围定标为±30N的力促动器。即在安装前，力促动器先使用了力传感器作为加(拉)力闭环控制的反馈器件，逐套促动器进行分别定标。对标定的要求52套促动器中的任一套的加力的范围为±30N。
本发明将天文望远镜薄镜面磨制的被动支撑，改为多点动态支撑，并将单纯的固定支撑，改为支撑与检测一体化，可以动态的、边磨制边检测、边调整支撑体系，随时防止镜面材料在磨制过程中产生形变，以保证大口径薄镜面天文望远镜的制造精度。同时，本发明的控制系统将支撑系统的开环控制与光学检测系统联系在一起，构成闭环控制系统，可以很好地完成控制任务。结合软件的设计，计算机对主动支撑的控制精度可以达到万分之五，均方根值≤50mN。
【附图说明】
图1为本发明电原理框图；
图2为控制软件示意图；
图3为力促动器分布示意图。
【具体实施方式】
实施例1，国家自然科学基金重点项目，高精度大口径天文镜面磨制技术是为我国建造大型天文光学望远镜的需要而开展的研究课题，其中首次采用高精度大口径天文望远镜薄镜面磨制的主动支撑装置，薄镜面光学检测系统镜的直径为：1035mm，厚度为：25mm，在这块镜子的背面放置55套促动器；其中3套为固定支撑和52套力促动器。力促动器上设有步进电机，光学检测系统的输出接计算机，计算机通过驱动器接步进电机。参照图1：约定接口地址和相关的控制字寄存器：在主动支撑光学检测电控系统中采用了七块数字输出控制接口卡。每块数字输出控制接口卡的数字量输出为32个通道。七块数字输出控制接口卡的数字量输出为224个通道。每套力促动器使用四个数据通道。即最多可以控制56套力促动器运行。在安装前，力促动器先使用了力传感器作为加(拉)力闭环控制的反馈器件，逐套促动器进行分别定标。对标定的要求52套促动器中的任一套的加力的范围为±30N。结合软件的设计，计算机对主动支撑的控制精度可以达到万分之五，均方根值≤50mN。其中力促动器控制接口的地址分配和寄存器定义见表1、表2：
表1力促动器控制接口的地址分配表 序号 A B 说明 1 280H BI/O接口卡基地址 2 290H BI/O接口卡基地址 3 300H BI/O接口卡基地址 4 310H BI/O接口卡基地址 5 340H BI/O接口卡基地址 6 350H BI/O接口卡基地址 7 360H BI/O接口卡基地址 8 370H B 备用其中：B偏移地址对应的数据寄存器约定为Rn。例如：当A＝300H；B＝02H时，即实际物理地址为：
A+B＝302H。约定力促动器控制字寄存器Rn(i)。
表2 R0(O)寄存器的定义 7 6 5 4 3 2 1 0 HOLD2 FREE2 U/D2 CP2 HOLD1 FREE1 U/D1 CP1
表2中的0～3为低半字节，它是一套力促动器的控制字。
表2中的4～7为高半字节，它是另一套力促动器的控制字。
也就是说用一个字节可以控制二套力促动器。
其中：CP1＝“0”时，为低电平；
CP1＝“1”时，为高电平。
U/D1＝“0”时，力促动器逆时针方向运行；
U/D1＝“1”时，力促动器顺时针方向运行。
FREE1＝“0”时，力促动器处于脱机状态；
FREE1＝“1”时，力促动器处于在线状态。
HOLD1＝“0”时，力促动器处于低压维持状态；
HOLD1＝“0”时，力促动器处于高压运行或维持状。
其中，高半字节的定义和低半字节相同。
表2是Rn(i)中的一套力促动器控制字寄存器。根据表1和表2可知：i＝B为0～3；Rn(i)力促动器控制字寄存器可表示如下：
R0(i)，R1(i)------R7(i)。
以上的i的取值都是0～3。
例如：第k套力促动器运行、保持或停止时，它所对应的表达式：
Rn(i)＝Rn(fi(k))
假定k＝10时，Rn(i)＝R1(fi(10))
又i＝B＝1；则n＝1：
它的物理地址是：A+B＝300H+01H＝301H。
即控制字寄存器R1(1)为R1(f1(10))所对应的物理地址是301H。其中f1(10)是第10套力促动器的控制变量。
表3力促动器控制字真值表 HOLD FREE U/D CP OUT 说明 0 0 0 0 0 低压逆时针控制低电平 0 0 0 1 1 低压逆时针控制高电平 0 0 1 0 2 低压顺时针控制低电平 0 0 1 1 3 低压顺时针控制高电平 1 0 0 0 8 高压逆时针控制低电平 1 0 0 1 9 高压逆时针控制高电平 1 0 1 0 A 高压顺时针控制低电平 1 0 1 1 B 高压顺时针控制高电平
表4力促动器控制状态真值表 HOLD FREE U/D CP OUT 说明 0 0 0 0 0 低压逆时针维持 0 0 1 0 2 低压顺时针维持 1 0 0 0 8 高压逆时针维持 1 0 0 1 9 高压顺时针维持 × 1 × × F 离线
其中表4的离线一栏中对应的控制字为F，“×”为任意状态。也就是说，离线控制字除了F之外，还可以使用：5，6，7，C，D和E。
软件控制方法：
根据光学检测后给出的加力数据可以写出控制方程组如下：
Y→=KX→+B→-----(1)]]>
其中；
Y→=y1y2...y52----(2)]]>
K=k11k12...k1nk21k22...k2n......km1km2...kmn-----(3)]]>
X→=x1x2...x52----(4)]]>
B→=b1b2...b52----(5)]]>
其中当m＝n时是预先测的K值，这个值是从m＝n＝1，2，...，52以数据文件的方式存在计算机中；其余K值为0。B是计算机中存放的促动器的前一次的加力值。X是从检测中得到的数组。计算机通过解算求出数组Y的值，根据Y的值控制促动器运行。
由于本系统是开环控制，在安装前对52套力促动器进行了严格的定标检测；定标的数据如表5所示。
表5力促动器的定标、检测实验数据序号 当量 正极限 值KG 负极限值 KG 均方根值 mN 最大误差 mN 备注 1 0.384 6.9039 -6.826 29，39 105，117 带保护传感器 2 0.38199 6.76017 -6.9518 48，52.5 354，196 带保护传感器 3 0.394 7.095 -7.022 41，35 161，143 带保护传感器 4 0.384 6.9066 -6.973 34，34 120，116 带保护传感器 5 0.385 6.83825 -6.9458 34.5 132 带保护传感器 6 0.382 6.8999 -6.55519 22，30 153，126 带保护传感器 7 0.382 6.8432 -6.863 37，40 134，157 带保护传感器 8 0.392 6.9236 -6.9599 44 327 带保护传感器 9 0.386 6.871 -6.947 46，39 132，129 带保护传感器 10 0.374 6.752 -6.79 52 336 带保护传感器 11 0.3815 6.796 -6.985 40，27 1362，87 带保护传感器 12 0.385 6.7518 -6.7728 31 154 带保护传感器 13 0.380 6.7249 -6.7576 35，49 103，154 带保护传感器 14 0.395 7.11 -7.0025 22，18 99，113 带保护传感器 15 0.3905 6.9509 -7.0382 53 345全程 不带保护 16 0.384 6.835 -6.946 41，38 111，155 带保护传感器 17 0.384 6.972 -6.926 38，50.5 163，220 带保护传感器 18 0.383 6.856 -6.922 48，57 198，215 带保护传感器 19 0.379 6.90 -6.708 43，40 167，139 带保护传感器 20 0.384 6.5376 -7.382 51 235 带保护传感器 21 0.378 6.841 -6.849 22，24 94，88 带保护传感器 22 0.385 6.889 -6.95 43，48 199，195 带保护传感器 23 0.381 6.837 -6.745 41，55 156，225 带保护传感器 24 0.3913 7.369 -6.752 50，51 189，185 带保护传感器 25 0.3839 6.8975 -7.038 31.6，44.6 124，184 带保护传感器 26 0.3837 6.8909 -6.9876 58 204 不带保护 27 0.38 6.9004 -6.7178 21 121 带保护传感器 28 0.386 6.942 -6.96 26，13 139，45 带保护传感器 29 0.381 6.9533 -6.6729 43，33 138，116 带保护传感器 30 0.3813 6.949 -6.8006 19，22 67，84 带保护传感器 31 0.383 6.895 -6.934 13，12 47，44 带保护传感器 32 0.382 6.89 -6.874 38，34 160，156 带保护传感器 33 0.384 6.7688 -6.968 28，32 112，106 带保护传感器 34 0.387 6.831 -7.052 36，27 121，114 带保护传感器 35 0.3816 6.839 -6.918 29，24 135，93 带保护传感器 36 0.375 6.6706 -6.7213 25，43 124，135 带保护传感器 37 0.385 6.932 -6.98 45 171 带保护传感器 38 0.389 7.0782 -6.858 36，38 125，158 带保护传感器 39 0.388 6.968 -6.978 46，36 156，166 带保护传感器 40 0.395 7.0526 -7.0538 55 207 带保护传感器 41 0.369 6.66 -6.58 41，27 156，137 带保护传感器 42 0.40 7.099 -7.111 36，21 356，112 带保护传感器 43 0.392 6.791 -7.046 16 88 带保护传感器 44 0.380 6.3618 -7.3367 19 64 带保护传感器 45 0.387 6.944 -6.579 37，42 110，123 带保护传感器 46 0.3864 6.9738 -6.557 43，61 133，193 带保护传感器 47 0.380 7.059 -7.3966 48.8 177 带保护传感器 48 0.37 6.6789 -5.888 26.5，23.7 104，91 带保护传感器 49 0.389 6.5534 -7.407 25，20 101，86 带保护传感器 50 0.384 6.8112 -6.756 25 87 带保护传感器 51 0.3834 6.854 -6.963 19，19 87，137 带保护传感器 52 0.373 6.4921 -6.7659 22 84 带保护传感器
软件编程：
计算机开机后，首先进行初始化，使所有的力促动器处于待命状态。然后根据光学系统的要求，得到该系统一组力促动器的加力值。
计算机通过解算转换成每套力促动器中的步进电机实际要控制的步数和加力的方向。同时控制52套力促动器工作。在控制中根据解算，如果出现超过正(负)限位，计算机立即报警并停止执行。如果在正常范围内工作，第K套力促动器运行到解算值后，计算机立即发出低压维持控制命令，从而使得第K套力促动器处于维持状态。
本发明不限于以上公开的实施方案，本发明将覆盖在专利权利要求书中所描述的范围，以及权利要求范围的各种变型和等效变化。