Il sistema di controllo di un telescopio supervisiona:

Lezione n.

Parole chiave:

Corso di Laurea:

Massimo Brescia

Sistemi di Controllo per Telescopi Parte I

10

movimentazione telescopi altazimutali, HBS, accoppiame nti

meccanici, guida, cupola, moto ri, filtri

Corso di Laurea:

Insegnamento:

Email Docente:

A.A. 2009-2010

Laurea magistrale in

Astrofisica e Scienze dello Spazio

Tecnologie Astronomiche

[email protected]

Controllo telescopi

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Il sistema di controllo di un telescopio supervisiona:

• sistema di correzione attiva/adattiva degli specchi

• sistema di autoguida del telescopio

• sistema di refrigerazione dei motori e climatizzazione della cupola

• sistema idrostatico degli assi principali

• sistema di movimentazione della cupola

• sistema di movimentazione degli assi

• Progetto edificio completo

• telescopio

disegno 3D globale

• top ring

• spiders

• M2 box

• serrurier

(tube assembly)

• baffles

• Forcelle laterali

• Altitude axis

(Nasmyth focus entrance)

• Altitude motors

supports

• Center Piece

• Altitude axis

(Nasmyth focus

entrance)

• M1 Box

• M1 Cell

• Cassegrain focus

entrance

• M1 active

support

• quadri elettronici di controllo

• baseplate

• pattini idrostatici

•pilastro

Sistema di idrostatica - HBS

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Il sistema idrostatico consiste in un circuito idraulico in cui olio speciale viene iniettato negli ingranaggi di un asse (AZ/ALT) per minimizzare l’attrito dinamico durante il moto. Svolge quindi il ruolo di un cuscinetto idraulico su cui l’asse è sospeso, garantendo la perfetta linearità di rotazione ed evitando lo strisciamento di parti meccaniche a fronte di possibili difetti costruttivi e/o deformazioni indotte da gradienti termici/gravitazionali.

HBS = Hydrostatic Bearing System

AZ – accoppiamento meccanico - 1

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sul pilastro si posizionano i fixatorenbau, martinetti meccanici con vite senza fine, su cui si colloca il baseplate, che deve essere livellato al micron rispetto al piano (messa in stazione azimutale). La superficie superiore del baseplate è in sostanza la vasca che conterrà i pads idrostatici e l’olio (circuito chiuso con drenaggio per il ricircolo e ripompaggio nei pads dell’olio).

AZ – accoppiamento meccanico - 2

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montaggio AZ box e cuscinetto centrale sul baseplate, su cui si trova il sistema di pattini idrostatici. Il cuscinetto serve come vincolo assiale per la rotazione concentrica.

Dimensionamento HBS

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h = max spessore olio consentito [µm]

Q = flusso impianto (pompa) [l/min] oppure [m³/sec]

N = numero di vasche nei pads

q = flusso olio del singolo pad [l/min]

η = viscosità dinamica olio [pascal x sec]

Dp = caduta di pressione tra pad e ambiente [pascal]

L = larghezza gap del pad [m]

ac = lunghezza lato corto del gap [m]

al = lunghezza lato lungo del gap [m]

b = lunghezza totale del gap [m]

q Q

= N

3

12 q L

h bDp

η

 

=  

 

( )

3 W 1

Kf = ^  h ^  − β

 

b = lunghezza totale del gap [m]

Kf = max rigidezza meato (strato olio) [N/m]

W = carico totale applicato sul meato [N]

β = rapporto pressione pad (tipico 0.7)

( )

4

b = ac + al

Esempio: VST AZ HBS

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h = max spessore olio consentito [µm] = 70.93 N = numero di vasche nei pads = 24

η = viscosità dinamica olio [pascal/sec] = 0.125 Dp = caduta di pressione pad/ambiente = 1200 KPa L = larghezza gap del pad [m] = 0.01

b = lunghezza totale del gap [m] = 1.216

Kf = max rigidezza meato (strato) [N/m] = 5E9 W = carico totale applicato sul meato [N] = 600000 β = rapporto pressione pad = 0.8

2 pompe mandata

1 pompa ricircolo

Installazione e verifica pads

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Controllo HBS

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particolari del sistema SW di controllo dell’HBS nel VST • Controllo pressione pompe (mandata/ritorno)

• Controllo pressione pads

• Controllo temperatura olio nella vasca di ricircolo rispetto all’ambiente esterno (importante per garantire la necessaria viscosità dinamica)

Test HBS –1

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dopo aver applicato tutto il carico (telescopio completo), si procede al raffreddamento dell’olio con monitoraggio ed alle misure di spessore meato (livellamento pressioni pads) con aggiustamento micrometrico dell’altezza dei pads (agendo sui martinetti (fixatorenbau) che livellano l’altezza del baseplate rispetto al pilastro).

Test HBS – 2

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0 5 10 15

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

bar

pad

HBS oil film thickness leveling (AZ box reference)

ref1 @arm with locking pin

ref2@ opposite to ALT inclination

ref3@ arm with manual drive

ref4@ ALT inclination side

distribuzione pressioni sui pads prima dell’aggiustamento del baseplate. Misure con 4 micrometri posizionati a 90 gradi di distanza

0 5 10 15

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

HBS oil film thickness leveling (AZ box reference)

ref1 ref2 ref3 ref4

distribuzione pressioni sui pads dopo l’aggiustamento del baseplate

Test HBS – 3

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0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

micron

deg

oil thickness map of AZ box

pad12 pad1 pad2

Lineare (pad1)

distribuzione spessore meato (altezza tra pads e superficie inferiore AZ box) al termine del livellamento pressioni. Le variazioni sono dovute ai due arms di ALT che scaricano il peso del telescopio in modo disuniforme (per costruzione, quindi non correggibile)

Rotazione telescopio - cupola

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Per proteggere il più possibile il telescopio dal vento e da contaminazione luminosa durante l’esposizione, l’apertura della cupola è minima. Ciò implica che deve ruotare sincronizzata con il telescopio per mantenere il perfetto campo visivo del telescopio. Inoltre la presenza di cavi elettrici tra i cabinets e la struttura implica la necessità di ruotare entrambi per evitare danni.

Ovviamente è sempre la cupola che deve “seguire” il telescopio (mai il contrario!).

Dunque telescopio e cupola sono linkati tra loro per mezzo di un “bridge” meccanico, dotato di sensori di movimento, in grado di “avvertire” la rotazione del telescopio e di “rispondere”

muovendo l’edificio con velocità proporzionale, mantenendo i due assi perfettamente allineati durante la rotazione entro un errore max di +/- 2.5 deg.

Accoppiamento telescopio - cupola

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Dome floor

Vediamo Video VST+VLT

AZ telescope

max displacemente between AZ & Dome angular positions

max ± 2.5°

bridge bumpers

Guida del telescopio - 1

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Un generico telescopio puntando e inseguendo un oggetto solo in base alle coordinate di un catalogo agisce come un cieco in uno stadio: alla lunga (esposizioni prolungate) percorrerebbe traiettorie contorte e confuse, oltre che ai limiti del campo, seguendo involontariamente le asperità del sistema (errori periodici, costruttivi, astrometrici, deformazioni per gradienti termici/gravitazionali).

Inserire un sistema di guida significa dotare il telescopio di un occhio in grado di mantenere l’oggetto puntato al centro del campo, eliminando qualsiasi errore di del campo, eliminando qualsiasi errore di traiettoria dovuto a fattori meccanici e astrometrici

(in particolare errori di deriva dovuti a : perpendicolarità tra assi AZ e ALT, eccentricità e decentramento dei cuscinetti assiali, troncamento e arrotondamento nelle conversioni astrometriche, planarità tra AZ e superficie terrestre).

Guida del telescopio - 2

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In pratica si usa un detector dedicato (technical CCD) che punti un oggetto diverso da quello target, molto brillante, localizzato in una corona circolare prefissata e centrata sull’oggetto target.

Il decentramento dei due oggetti è ovviamente collegato. Il CCD di guida è anche utilizzato nel

“pointing model”, tecnica di puntamento multiplo di oggetti, applicata periodicamente nella vita di un telescopio, per definire

e aggiornare gli “offset”

posizionali di puntamento (inseriti nel software

astrometrico), dovuti all’usura meccanica dello strumento.

meccanica dello strumento.

Controllo Autoguida – Control SW Panel

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Controllo Autoguida - 2

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Seleziono la stella

Acquisisco le immagini (e quindi ne calcolo lo spostamento)

Seleziono la stella

Sposto il probe

Derotazione di campo

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L’asse di derotazione di campo (derotatore) non esiste nelle montature equatoriali (in cui l’asse di ascensione retta è allineato con l’asse polare terrestre), ma deve essere controllato nelle montature altazimutali, in cui il detector deve ruotare nella direzione opposta a quella indotta dalla rotazione terrestre, che provoca il capovolgimento dell’immagine. In una lunga posa appariranno strisciate tanto maggiori quanto più sono distanti dal centro del campo inquadrato Tuttavia, le tolleranze in termini di errore RMS di posizionamento sono molto maggiori rispetto all’errore RMS di tracking degli assi principali.

VST ROT preliminary test

March 2006

Rotator axis position tracking error. RMS Error = 0.35 arcsec

The ROT performances can be relaxed in respect of AZ - ALT cases.

For example: 1 arcsec RMS Error => 0.843 µm on CCD (being 15 µm of pixel size, the error corresponds to much less of 1 pixel; i.e. the spot remains still inside the pixel)

M. Brescia

Controllo assi principali - 1

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Le operazioni primarie di un telescopio sono pointing e tracking. La principale differenza tra le due è il range di velocità che implica bande di autofrequenza del sistema molto differenti:

Velocità tipiche nei grandi telescopi altazimutali sono:

POINTING

AZ = 1.5 deg/sec ALT = 1 deg/sec TRACKING

AZ = dipendente da ALT (mediamente da decine a centinaia di arcsec/sec) AZ = dipendente da ALT (mediamente da decine a centinaia di arcsec/sec) ALT = max fino a qualche decina di arcsec/sec

Le principali analogie sono:

Precisione di posizionamento (entro 0.15 arcsec nel pointing; entro 0.05 arcsec nel tracking);

Fluidità di movimento;

Medesimi sistemi di feedback e di controllo velocità e posizione;

Problema: controllo prestazioni nel salto repentino tra pointing e tracking

Controllo assi principali - 2

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Nel passaggio da pointing a tracking il problema da controllare è la sovraelongazione. Tale difetto consiste nell’oscillazione intorno alla posizione teorica dovuta al cambio repentino di velocità in prossimità della posizione astrometrica dell’oggetto.

Può durare anche minuti, durante i quali non è possibile aprire l’otturatore (downtime osservativo). La legge per eliminare tale fenomeno è la seguente:

Speedcommand = K

poserr

before tuning after tuning

Circa gli assi, ALT è più sensibile di AZ a sorgenti esterne di noise, quali vibrazioni indotte dal vento (invariante per AZ) o delle struttura verticale del telescopio (frequenze proprie) dovute al maggiore braccio (dislocazione e distribuzione delle masse lungo la focale del telescopio).

L’errore totale di tracking per i 2 assi principali è dato da:

( )

( ^cos )

RMS tracking AZ ALT

e

= e ALT + e

VST AZ preliminary test

March 2007 (Italy) & March 2008 (Paranal)

Azimuth axis position tracking error (ALT > 85°, v=67 arcsec/s). RMS Error = 0.028 arcsec.

The real effect on the sky image would be lower because of the cos(ALT) factor

AZ Velocity [arcsec/sec]

POS RMS error [arcsec]

Foreseen Alt angle range [deg]

RMS Error on sky [arcsec]

0 0.013 30-40 <0.011

10 0.016 40-60 <0.012

20 0.029 60-70 <0.014

40 0.056 60-70 <0.028

80 0.073 70-80 <0.025

120 0.089 80-90 <0.015

160 0.111 80-90 <0.018

M. Brescia

Italia

Paranal

VST ALT preliminary test

March 2006

Factory Machines ON Factory Machines OFF Noise Sources in the integration site

• metal working machines

• air compressing pumps

• overhead crane

• wind buffeting

M. Brescia

AZ in position control ( speed 0 arcsec/s, RMS error 0.01 arcsec), ALT in position control (speed 0 arcsec/s, RMS error 0.07 arcsec)

ALT speed Power spectrum

VST ALT preliminary test

March 2007

Altitude axis position tracking error (v=13 arcsec/s). RMS Error = 0.068 arcsec

M. Brescia

Servo-Controllo

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Peculiarità di un servo sistema

Un servo-meccanismo è sempre attuato da un errore, differenza tra un output teorico ed uno reale;

Un servo sistema deve sempre avere un amplificatore di potenza (la potenza erogata in output dal servo è maggiore di quella fornita in input);

La potenza applicata ad un carico è La potenza applicata ad un carico è proporzionale alla combinazione del segnale errore, della sua derivata e del suo integrale;

Nella pratica reale, un servo meccanismo ben tarato è stabile;