在太平洋中部,夏威夷岛周围环绕着数千英里的热稳定海洋。The 13,796-foot Maunakea mountain summit has no nearby ranges to roil the upper atmosphere, and for most of the year, this atmosphere is clear, calm, and dry, enabling the W. M. Keck Observatory, with its twin 10-meter-mirror telescopes, to observe our galaxy and beyond at levels special to it since opening in the early 1990s. Now, after the completion of a significant nine-year motion control upgrade project, the Keck Observatory telescopes, each standing 30 meters (almost 100 feet) tall, are offering data and observations with new and impressive nanometer precision. And all changes were made without experiencing any downtime on either telescope.

WM凯克天文台/伊桑·特维迪摄影

“We are now able to blindly point the telescopes to any star in the sky within Keck’s observable area with an accuracy of 1.0 arcsec,” explained Tomas Krasuski, Lead Electronics Engineer at Keck Observatory, who played an important role in the design and implementation of the telescope upgrade project that began in 2009. “That is an accuracy level of one thirty-six-hundredth of one degree.

“这与我们其他一些令人印象深刻的新性能数据一起,使研究人员能够比以往更准确、更快地收集数据。凯克设计、开发并现已完工的新子系统实现了这一级别的精确运动控制,包括重新设计了我们的非常关键的方位角和仰角系统,该系统采用了超精密的HEI-DENHAIN编码器,实现了我们在90年代初没有的真正纳米级测量。”

从一开始

双凯克天文台望远镜是世界上科学产量最高的光学和红外望远镜。每个望远镜的重量超过300吨,拥有一个直径为10米(32.8英尺)的主镜。这些望远镜是目前地球上最大的两个集光镜,以令人印象深刻的纳米级精度运行。

“对于对天文学和天体物理学许多领域感兴趣的研究人员来说,我们是一个极其重要的资源,包括发现系外行星;研究行星、恒星和星系是如何形成的;黑洞的性质;以及宇宙的化学组成和演化,”克拉苏斯基解释道。

当凯克天文台在20世纪90年代初开始科学业务时,它是第一代非常大的地面光/红外望远镜,具有分段的主要镜子。望远镜在当时使用技术非常好,虽然在20年后,一些更换部件难以找到,但在发生重大故障时将望远镜造成风险。此外,所建立的测量系统包括旋转编码器,其受到周期性误差。因此,在过时的研究之后,对装修的需求变得清晰。

当凯克天文台的望远镜控制系统升级(TCSU)项目于2009年推出时,它不仅可以更新系统,还可以改善望远镜指向,跟踪和抵消性能。在接下来的九年内,Keck I(K1)和Keck II(K2)望远镜在包括望远镜控制,旋转器和次镜控制器和安全系统的所有主要元素上进行了升级。由于开发解决方案以在旧和新的控制系统之间使用,而TCSU团队能够在白天使用新组件完成专业升级工作,但在晚上,已建立的系统已切换回来仍然运行。

“TCSU是一个复杂而挑战的项目,涉及多个子系统。我们的团队决定同时升级所有,而不是连续升级,以减少对回归和反复交叉兼容性测试的需求,“Krasuski解释说。整个TCSU团队涉及:EeN James,Ben McCarney,Kevin Tsubota,以及水葵,以及峰会维护人员。“如果没有这支球队的人才和专业知识,这一项目将无法实现,”Krasuski说。“我们面临了一些艰难的挑战,但我们的集体努力和决心帮助我们克服了这些障碍。”

图1. Heidenhain的ERA 84xx磁带编码器。

在TCSU项目的开始时,Keck Observator工程师解释说,该项目的重要部分是基于Heidenhain的40微米光栅卷尺的新望远镜方位角和高度位置编码。用Heidenhain Eib 749盒中插入10纳米的分辨率,这些新的ETA 84xx磁带编码器(图1)承诺,以方位角和1个MAS分辨率在提升方面提供Keck Observatory True 4 MAS(Markiarconds)分辨率。与旧的旋转增量编码器相比,这对凯克观测台的位置感测是一个很大的改善。

“最终,这些新的海德汉磁带编码器表现出色,”克拉苏斯基解释说。“他们的安装需要对我们的机械基础设施进行重大变化,以便容纳它们,因此新的设计是随着时间的推移而发展的。

“这些完全新的机械设计,以及在峰会上高海拔地区工作的事实,使这成为一个特别具有挑战性的项目。从我们的基地到首脑会议,这是两小时的上升,包括每当有人在那里工作时花时间在适应范围内。由于大气压约为60%的海平面,因此在那里运行不同,使冷却系统变得更加艰难。有很多需要考虑的事情。“

设计策略

图2.方位角磁带编码器安装位置。

许多望远镜通过将方位角编码器胶带放置在方位角轴承的直径或附近的专用固定环上,利用光学编码器带。TCSU设计团队而不是这样做,TCSU设计团队决定在位于望远镜轴中心的专用环上追踪更短的编码器胶带(图2)。

这个环有一个O.D.1.15米,可以容纳一款现成的全圈Heidenhain时代8400C编码器,长度为3.6米。这是K1和K2上的可行解决方案,因为移动望远镜管下方的现有配件镜安装结构。这里可以在这里进行与望远镜的连接,这将在方位角中旋转编码器。

在2014年和2016年开始使用两个望远镜上的光学磁带编码器的新设计。该环和胶带固定在钢支撑柱的顶部法兰。通过薄壁不锈钢波纹管管完成从编码器读头环到望远镜结构的连接,使薄壁不锈钢波纹管管将望远镜的旋转运动转移到没有滞后,卷绕,滞后或振动的读头环。

图3.实际方位编码器组件。

现在有四个方位角编码器读头,现在使用望远镜移动(图3)。读头在扁平环上均匀地间隔开,通过新的方式通过无摩擦的空气轴承浮在较大的(固定的)磁带环上。方位角轴承,胶带和读头被透明,密封的空气护罩包围,除了0.5毫米的间隙,屏蔽符合顶部法兰。此外,在该地区安装了两个倾斜仪表。“编码器和倾斜仪是实现大大改善的指向和跟踪性能的主要原因,”Krasuski说。

图4.每个望远镜右侧仰角驱动扇区上条形码表面上的光带编码器。

每个望远镜右侧仰角驱动扇区的条形码表面上也安装了用于仰角轴的HEIDENHAIN光带编码器(图4)。在这里,两个光学读取头安装在每个主轭结构的内侧,靠近该提升驱动组件。胶带安装时带有距离编码参考标记,朝向望远镜的主镜侧。

图5.立面轴磁带编码器安装位置。

通过在铰接机构上携带的一对读头测量高程角度运动。一对滚轮抵靠具有1.5 n的弹簧力的表面,线性级提供控制的径向运动。该系统允许极其精确地提高和降低望远镜(图5)。

使用增量编码器的绝对定位

图6.编码器磁带的距离编码参考标记。

TCSU系统中使用的Heidenhain编码器磁带是增量编码器,中心条标记均匀间隔40微米。它们没有代码绝对位置,直到使用高度下方的Heidenhain提供的距离编码参考标记初始化(图6)。

编码软件必须读取三个参考标记以初始化位置。三个参考标记将包含两个等距标记和一个与其他两个计数数不同的标记。不同计数用于确定磁带上的绝对位置或角度,精度为40微米。一旦知道绝对位置,即参考,则增量磁带用作绝对编码器。”我们发现这非常有效,”Krasuski说。

新的表现

最后,TCSU项目能够实现更好的关键要求的性能:望远镜指向,开环和闭环跟踪,并重新定位(偏移)。

“这意味着我们可以在天空中的任何地方移动这些巨大的望远镜,并有信心我们指着我们选择的明星上的望远镜,精度为1.0 arsec,”Krasuski说。“一些观点领域有许多明星在他们中,因此对我们的天文学家(如行星猎人)非常重要,让我们的望远镜迅速准确地归零于他们的目标。这也有助于跟踪。“

Krasuski补充说,凯克天文台现在能够跟踪89度的高度,同时满足其跟踪精度为0.050 Arcsec RMS(根均值)。他们可以在很长一段时间内以这种准确性跟踪。“有时研究人员将跟踪一个星星六个小时或更长时间,”他说。

最后,重新定位或偏移是指望远镜的微小移动,以实现精细对准、抖动观察或点头。此时,TCSU实现的性能比旧系统高出2倍,从而提高了时间和效率。”我们能够在跟踪一颗恒星1、5和10弧秒的同时重新定位望远镜,并且在小于1秒的时间内仍然满足我们的精度要求,这对于观测非常重要,因为科学家在数据收集过程中经常需要这样做,”Krasuski解释道。

凯克天文台现在提供了比以往任何时候都更独特的宇宙观。”这些安装的编码器工作出色,符合我们从HEIDEN-HAIN那里听到和期望的高标准。这才是大世界和小世界真正的交汇点,”克拉苏斯基说将这些巨型望远镜移动到10纳米的精度绝对令人惊讶。”

本文由伊利诺伊州绍姆堡的海德汉公司提供。有关更多信息,请访问这里.


运动设计杂志

这篇文章首次出现在2019年4月的《金融时报》上运动设计杂志。

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