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牛反远程光轴对焦系统

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!poston!: 2017-10-10 21:49:46
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本帖最后由 gs2c 于 2017-11-23 10:03 编辑

前言:该系统基于本人在2016年申请的一项专利(专利号:ZL 2016 2 0835346.8)改进开发,本开源作品仅提供一种牛反远程控制的思路。爱好者可自行任意改进研究,如需商业应用可与本人联系。

该套系统的作用
1、代替传统电调调焦(不再纠结调焦座)
2、远程实时调控光轴,可做重力刚性光轴变化实时补偿(天文台级别的应用)
3、可精确到0.1℃的恒温控制(最多三路)
4、最多256级可控风扇散热(多级控制一路,常开一路)
5、可控开闭镜头盖(最多两路电机)
6、自动温差补偿对焦
7、可编程的操作系统

该系统的应用环境
1、大口径牛反,主焦点反(样机为12寸牛反)
口径越大该系统优点越突出,因为系统尺寸原因,应用起步最低10寸。新疆20寸HMT巡天镜已采用类似结构

2、用于维护不便的远程台就是因为长期无人值守所以需要全程电控调节,并且可以做重力刚性补偿


3
、替代大口径电动调焦座
大口径电调普遍价格高昂,以羽毛3寸调焦及电调焦对比,采用该方案可节省70%费用


如何实现

一、机械部分  
螺杆锁调节机构
二、电子部分  基于delta结构电控系统的搭建
三、控制部分   固件烧录与控制界面
图片资料
IMG_20171011_213406.jpg

IMG_20171011_213428.jpg

IMG_20171011_213458.jpg

IMG_20171011_213521.jpg

IMG_20171011_213538.jpg
附视频:(稍后附上链接)
光轴实拍测试
32.jpg


一、机械部分   螺杆锁调节机构
该部分比较复杂,大致分为下图几个部分。下面会单独说
基础手调版的方案
未标题-2.jpg
另一种后置主镜的方案(上置主镜反之类推)
22.jpg

防转器:
并不是一个独立的零件,该组合件起到的作用是防止螺杆旋转。本图所例是用插槽插销+防松螺母+弹簧垫片组成。
其实只要保证螺杆不转动就可以了,这个可以自己想办法(简单实现可以用关节轴承穿螺母)


B.jpg
主镜座:
上面安放主镜,根据需要设计是否浮动支撑。另也可将主镜座与底座倒置,可大幅节省电机空间
(本人做的12寸就采用倒置结构)


螺杆:
*推荐采用高强度碳钢加工,不建议采用不锈钢
*该螺杆直径越粗刚性越好,一般不小于 2/3*主镜直径向上取整 单位mm(例 12寸*0.67=8)
*螺距因选用相对应直径的标准螺纹,如下表。另该螺距因与电机步进角对应,追求过细的螺距可能导致加工困难及电机卡死。M8 P1.25 M10 P1.5左右是个恰当的值
luow.jpg
*螺杆与主镜座的接触面应可以随动,(用球面与锥面配合来实现,也可采用万向节轴承,鱼眼轴承等机构来实现)

螺套:
*内螺纹应与螺杆螺距对应
*推荐采用高强度碳钢加工,不建议采用不锈钢
*与螺杆咬合越多,晃动间隙就越小但也越难加工,转起来也越费劲。一般3-4倍螺杆直径即可

润滑轴承:
*这里采用了两个平面推力轴承来夹紧螺套,同时能保证螺套可以轻松转动。
*如做非电控版本,该非受力面可四氟垫片做润滑,好处是手拧锁可以做简单点
*远程台推荐用中高粘度润滑脂,如2号 3号 工业凡士林 锂磷脂等,

手拧锁:
*该手拧与螺套固定,拧动时螺套跟着一起转动,由此带动螺杆升降
*该锁应设计为可以锁死,防止误碰引起转动
*当用电机带动时,可由电机自持力来锁止


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 !thread_author!| !poston!: 2017-10-10 21:51:19
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本帖最后由 gs2c 于 2017-11-19 10:07 编辑

二、电子部分   基于delta结构电控系统的搭建
材料:
1、基于RAMPS1.4针脚定义的3d打印主板
推荐主板(二选一)
A)Makeboard Pro 3D打印机主板
222.jpg
B)ONE+V2.1 Mini   自带屏幕和驱动芯片的主板(适合刚接触硬件的菜鸟移动党)
未标题-1.jpg
其实只要是兼容RAMPS1.4针脚定义的3d打印主板都可以,大家根据自己的需要来吧
2、步进电机驱动芯片(ONE+V2.1 Mini板载自带,其他则根据需要购买)
4988芯片 可调电流大  扭力大   缺点是噪音大
TMC2100芯片 完全静音,输出超平滑 ,扭力尚可  缺点发热厉害,限低温环境用
3、LCD屏幕(可有可无,有的话调试方便点。没有就连着电脑调试)
4、减速步进电机
必须减速步进电机,必须减速步进电机,必须减速步进电机,重要的事情说三遍!
这里推荐两款
1、国产时代超群35YF22GN120R-TF0  直径35mm 全金属齿轮减速电机,最高减速比120(扭矩1.5Nm),减速比越大力越大,步进角度也越细。在安装尺寸与重量允许的情况下首推这款。
2、日本美培亚PG25L-D24减速电机  扭矩小很多,体积也超小。
减速比1:30.3 扭矩0.12Nm 步进角0.495换算下来一圈对应727整步,按螺距1.25mm算。就是每步移动0.00172mm 精度也足够。出力嘛12寸6kg的主镜勉强够用
PS:这个系列也有1:236减速的版本PG25S-D48  可扭矩达到0.5Nm。能搞到的话这款真是极品
小知识:1Nm=100N/cm 相当于在螺杆直径方向1cm的位置放10.2kg的重物造成的扭力(这是很大的力)
5、热敏电阻(温控相关)
NTC10KΩ,测温范围-40~80℃主板需接上这个才能正常工作
6、PTC发热陶瓷(温控相关)
对应自己的副镜大小来选择即可,供电就发热,有了温控系统最高温度并不看重。
7、12-24V电源
主要根据发热陶瓷的功率来配,电压高的发热快些。推荐用24v的。电流有个5A足够
8、限位开关
这个很重要!这个很重要!这个很重要!务必选择大品牌质量好的!
样机用的是欧姆龙 D2HW-C271M IP67级别防水。看重重复定位精度可以用光电的限位开关

三、控制部分   固件烧录与控制界面
名称解释
Marlin     
广为流传的一款3d打印机通用开源固件
Arduino  
一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件(Arduino Mega2560板)和软件(Arduino IDE)
Gcode
一种广泛应用于机械行业的通用执行代码标准。很多控制软件的命令发送内容就是以G代码为基础的
Delta结构,笛卡尔坐标系
我们采用的调节主镜形式就这基于这种三角形原理(Delta结构)
timg.jpg
Marlin固件我这边已经做好一个版本,有需要的可以联系我发邮箱
该固件按样机编写,三轴可移动最大距离为6mm,16细分步进,10K测温电阻,调光轴移动半径10mm  相信可以满足绝大多数需求。只要联USB后用Arduino IDE刷到主板上去就可以了。
ArduinoIDE下载地址
https://www.arduino.cc/en/Main/OldSoftwareReleases#1.0.x

控制与调试用Printrun。全图形化操作,也支持代码输入。方便直观~
image011.png
固件重要代码设置
首先我们要理解这个系统的模型结构,与之即为接近的是3d打印机中的delta机型。如图:
image014.jpg
1、本人已在固件中注释,根据望远镜主镜情况填入即可,如下图 该文件名为myconfig.h
image016.jpg
2、电机移动相关参数设置
打开CONFIGURATION.H文件 其中有一行这样的设置
DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT9308.16  (也就是说理论调整精度达到1/9308=0.000107mm)
讲述的是芯片发多少微步脉冲对于输出1mm的移动,这个是所有运动控制的基准!
计算公式如下:(360/步进角度=单圈步数)*细分数/电机转一圈对于的输出距离
以样机为例
美培亚PG25L-D24电机  24步 驱动芯片16细分 30.3减速比 丝杆螺距1.25         24*16/(1/30.3)/1.25=9308.16
注:为了后期操控方便,我在此故意/10后输入(930.816)
好处是控制软件里的三个调节按钮调节更精细 0.1=0.01 1=0.1 10=1。此后的所有坐标输入输出值都是实际值的10倍(即按10mm 实际移动1mm)
后面高级设置和应用基础不好的童鞋的可以略过

Gcode指令说明
G0:Rapid move 快速移动
G1:Controlled move 可控移动
G28:Move to Origin 归零
G4well Example: G4 P200 延迟停顿 单位为毫秒
T0:切换1号加热位 切换1号电机(之后部分操作只正对该电机或热端有效)
T1:切换2号加热位 切换2号电机(之后部分操作只正对该电机或热端有效)
M1:Sleep 停机休眠
M17:  启动所有步进马达 锁定电机
M18:  关闭所有步进马达 释放电机
M104: 设置加热位温度   M104 T0 S10 (该命令对应主板上Heater0插的发热器件有效,1号加热位加热到10度)
M105:获取当前温度信息
M106:打开风扇  M106 S100 (0代表关闭255代表最大,电压输出为电源电压*N/255 若用24v电源12v风扇请在0-130之间设置)
M114:查询当前坐标
M140:热床温度设置(该命令对应主板上bed heat插的发热器件有效)
更多关于Gcode的说明可以查阅以下手册
http://reprap.org/wiki/G-code/zh_cn
高级应用案例:
A、列如我使用的是一个90°开启的镜头盖或者构图器
用的是42步进电机1.8步进角的,出轴5mm
那么就是5π*90/360=3.925   固件里E的步进设置是3200/5π(计算公式是 每圈脉冲数/输出端周长 脉冲默认3200)
T0切换到一号电机
G1 F150 E3.925    旋转 速度150 E轴移动3.925mm
G1 F150 E0        关闭镜头盖 旋转 速度150E轴移动-3.925mm
B、当因重力造成光轴变化时,可用以下方法做补偿
第一步,将望远镜指向拍摄开始位置,对焦后调整光轴至完美,G114 获取坐标值A
第二步,将望远镜指向拍摄结束的位置,对焦后调整光轴至完美,G114 获取坐标值B
由A与B的值可知光轴在拍摄过程中的变化量,此时只要简单换算一下时间就可得出变化速度。
第三步,望远镜运动到拍摄开始位置,输入代码
G1Fxxx(xxx为经过换算所得的移动速度)Xxx.xxYxxx.xx Zxx.xx
F单位毫米每分钟,时长1小时 就是AB差值/60  然后在后续的拍摄过程中会电机匀速运动到B坐标
C、快速移动到焦点
比如上一次合焦位通过M114查询得到Z50.12,重新开机后G28归零输入
G1Z50.12 那就以默认速度移动到上次的合焦位
D、当需要完成一系列操作时可以连续输入或者编写脚本文件运行
(注:“//”为注解标记 实际不参与执行)
G28    //归零
M104 T0 S10    //加热副镜到10度
M106 S100      //打开风扇到100档
T0             //切换到1号电机
G1 F150 E3.925     //电机旋转 打开镜头盖
G1 X62.4  Y63.8  Z63.02   //将主镜调整到XYZ坐标位置
T1                         //切换到2号电机
G1 F150 E5                 //电机旋转 将构图器旋转到指定位置
G1 F0.001 X62.5  Y63.9 Z63.1  //运行重力补偿程序  
E、温差对焦补偿
通过测试得知当前温度10度 焦点位置Z40.25,5度时焦点位置Z40.6 4度时焦点位置Z40.7
输入以下代码启动温差补偿
M109 T0 S5        等待温度1号测温器到5摄氏度
G1 Z40.6          启动电机移动到坐标Z40.6
M109 T0 S4        等待温度1号测温器到4摄氏度
G1 Z40.7          启动电机移动到坐标Z40.7



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赞一个!GS2C归来~支持项目思路开源和商业应用

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Gs2c的这个思路确实好!我曾经设想过采用汽车电动倒车镜的结构。不过没有Gs2c的这种想法成熟,实用。

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老裴 2017-10-12 23:31
Gs2c的这个思路确实好!我曾经设想过采用汽车电动倒车镜的结构。不过没有Gs2c的这种想法成熟,实用。

在家测试过了,预计下个月进入远程台实战

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