План работ и исполнители
Предлагается следующий общий план работ по модернизации телескопа Цейс-2:
Комплексная оценка состояния башни и купола телескопа с использованием средств инструментального контроля. Июнь-июль 2014г. (почти выполнено, результаты в настояшем Проекте и его приложениях)
Составление перечня и сметы материалов для ремонта башни и купола, закупка и подготовка к работам (инструментарий). Июль-сентябрь 2014.
Ознакомление с опытом модернизации монтировок Цейс-600, выбор новой схемы программно-аппаратной системы управления. Июль-август 2014.
Закупка комплектующих, монтаж и наладка экспериментальной системы автоматизации управления купола (параллельно с наблюдениями). Июль-сентябрь 2014.
Закупка элементов новой системы управления монтировки Цейс-600, наладка работы системы «на столе», программирование, отладка. Август-ноябрь 2014.
Выбор, закупка и испытание новой приёмной аппаратуры (ПЗС-камера, блок фильтров, управляющий ПК). Июль-декабрь 2014.
Демонтаж и перенапыление оптики телескопа, капитальный ремонт башни (стены, подкупольные помещения, двери и напольное покрытие). Октябрь-ноябрь 2014.
Монтаж и наладка новой системы управления телескопа, приёмной аппаратуры, компьютерной сети. Декабрь-апрель 2014-15.
Предлагается следующий состав ответственных исполнителей (без учёта рабочих)
Система управления телескопа (аппаратная часть): Багаев Л.А.
Система управления телескопа (программная часть): ? (ГАИШ, привлечение со стороны)
Капитальный ремонт башни: Комиссаров В.Н.
Метрология, установка и юстировка механики и электроники купола: Макаров А.В.i
Приёмная аппаратура: Ирсмамбетова Т.Р.
Контроль работ: ответственный по Цейс-2 Ирсмамбетова Т.Р.
Общее руководство и координация работ и приобретения материалов: Шатский Н.И.
Н.Шатский, Научный, июнь 2014
Контакты по разработке СУ телескопа:
denis.demyanov@gmail.com Разработка систем автогидирования (Windows)
ТВС
Приложения:
Приложение 1: Обследование купола и башни телескопа Цейс-2
Приложение 2: Перечень необходимых ремонтных работ по башне Цейс-2
Приложение 3: К разработке системы управления телескопа Цейс-600
Приложение 4: Фотографии башни и купола телескопа Цейс-2
Приложение 1: Обследование купола и башни телескопа Цейс-2
Конструкция системы вращения купола и её опоры
Башня телескопа Цейс-2 является круглым в плане одноэтажным зданием высотой стен 2.25 м от нулевой отметки до верха, сложенным из местного камня. Нулевая отметка (уровень пола) на высоте 0.5-0.7 м от грунта). Основание под купол составляют 12 несущих бетонных колонн сечением 25х25см расширяющихся вверху до 60х50см, равнораспределённых по кругу. Азимуты колонн, отсчитываемые по отношению к центру башни от севера на восток – 15,45,75,105,135,165,195,225,255,285,315 и 345гр, по этим азимутам мы в дальнейшем адресуем колонны и соответствующие конструктивные элементы купола. Вход с севера (между колонн 345 и 15).
Наверху колонн 15, 75, 135, 195, 255 и 315 установлены 6 опорных подпружиненных катков d350мм шириной 52мм (высота оси над основанием 280мм), два из которых («северный» на колонне 15 и «южный» на колонне 195) приводятся во вращение двигателями 600Вт типа АО-32 через соосные редукторы (табличка не читается). Время полного поворота купола около 200 сек. В отличие от башни Цейс-1, состояние ободов катков можно считать удовлетворительным (неплоскостность/неперпендикулярность образующей обода не более 1-2мм). Каждая опора катка закреплена на стене 4мя вбетонированными анкерными шпильками М16 с гайками (ключ на 32), отверстия под которые в опорах позволяют делать небольшие повороты для юстировки катка осью вращения на центр башни (для этого купол поддомкрачивают рядом с опорой, ослабляют гайки и выполняют регулировку). Пружины d10мм из прутка d15мм компенсируют вес купола на катке с рычагом 37:14, ход которых ограничен сверху гайкой М35 (ключ на 46). Стакан пружины сечением 15х15см утоплен в тело колонны.
На опорных катках вращается стальная сварная конструкция купола весом 12т (требует подтверждения), установленная на опорном стальном рельсе шириной 40/80мм и высотой 90мм, состоящем из 4 сваренных по стыкам сегментов. Осевой диаметр рельса 8500мм. Считая «базовым» положение купола щелью на север, стыки сегментов ориентированы на С-В, Ю-В, Ю-З и С-З. Рельс закреплён к опорной раме купола 24 равноотстоящими (т.е. через 15гр) группами болтов М10 по 2шт на каждой стороне и дополнительно к ней подварен с примерно таким же шагом.
На промежуточных колоннах 45, 105, 165, 225, 285 и 345 установлены удерживающие ролики с вертикальными осями, диаметром 110см и высотой от основания до опорной поверхности рельса в 15см. Основания роликов закреплены 4-мя резьбовыми анкерными шпильками М16 на бетонных «подиумах» высотой 30см, удлиняющих колонны. Ролики имеют 1см реборду сверху (т.е. макс. диаметр 130мм), не позволяющую куполу быть поднятым шквальным порывом ветра (шторм-захват)
Щель купола шириной 200см закрывается двумя створками на опорных полукруглых рельсах, установленных на консолях внизу и наверху щели. Штатный рабочий просвет щели 180см. Каждая створка катается на двух парах роликов с полукруглым профилем, для синхронизации движения низа и верха применён пассивный механизм из карданной цепи внутри корпуса створки с закреплёнными на концах звёздочками, катающимися на гребёнках, установленных параллельно опорному рельсу. Привод створок цепной, с ручным штурвалом для открытия-закрытия.
В июне 2014г произошёл перекос одной из створок (западной при ориентации щели на север), вследствие чего пришлось нагрузить её верхний конец бетонными блоками для предотвращения отрыва от опорного рельса. Причина перекоса осталась непонятной. Также пришлось ограничить на 10см ход каждой створки, в результате чего световой проём щели сузился до 160см. Это привело к дополнительным сложностям в отслеживании положения щели, особенно при мониторинговых наблюдениях.
Измерения формы опорного рельса купола
При помощи лазерного нивелира MAKITA SK102Z было проведено измерение формы опорной поверхности рельса. Нивелир был установлен наверху колонны 345 так, что лазерный «горизонт» проецировался на боковую поверхность головки рельса. В 24 точках крепления рельса к раме купола, именуемых по углу по отношению к центру щели, с севера на запад (см. ниже), измерялось расстояние между лазерным горизонтом и опорной (нижней) поверхностью рельса в миллиметрах. Нуль-пункт произвольный, но во всех измерениях сохранялся приблизительно (с точностью +- 2-3мм) единым. Для измерения всех точек приходилось поворачивать нивелир на опоре (подложенной пластине), при этом для «сшивания» измерений в разных ориентациях нивелира приходилось вносить поправку до 2-3мм, определяемую по измерениям общих (краевых) точек рабочих диапазонов до и после поворота. Между сериями измерений, когда купол поворачивали на 90 гр, нивелир не трогали. Точность измерений порядка 1.5мм RMS (максимальная ошибка ок.4мм в следствие краевых эффектов, неопределённостей «сшивки» итп).
Измерения неплоскостности рельса проводились в 4х положениях щели «0», «90», «180» и «270» градусов, а также для контроля – снова на «0». Отсчёт вёлся от северного приводного катка, т.о. соответствующие геодезические азимуты щели – 15, 105, 195, 285 и «375» градусов. Измерения велись в точках крепления рельса к куполу. Результаты были призваны показать изменение формы рельса из-за перераспределения веса купола по каткам (в первой, третьей и пятой сериях щель над катком, во второй и четвёртой – между катками), его изгиба/наклона и местные неоднородности формы из-за ошибок сборки купола или произошедших со временем деформаций. Так, сварка стыка сегментов рельса на точке «45» была в своё время отремонтирована с накладкой, так что, очевидно, какие-то напряжения накапливались и приводили к поломкам.
Результаты измерений (файл данных z2_rail_level.ods) приведены на Рис.1. По оси абсцисс отложены номера точек измерения, имеющие смысл геодезического азимута щели при положении соответствующей точки на севере. Эти цифры были нанесены прямо на рельс, чтобы не запутаться. Таким образом, например, точка с абсциссой «60» соответствует точке крепления рельса к раме купола, отстоящей от центра щели на 60 градусов влево (к западу, если щель на севере). Иначе говоря, это «360 минус азимут». По оси ординат даны измерения в миллиметрах, при этом увеличение показаний отражает понижение уровня поверхности рельса (горб, выпуклость стоящего «вверх ногами» рельса вниз) по отношению к расположенному выше неё лазерному «горизонту», как, например, на точках «60» и «135»; а локальные минимумы отмечают местные «впадины», где рельс идёт выше и плотнее прижимается к раме стоящего на нём купола (точки «30», «105», «150» и «240»).
Illustration
1: Измерения уровня рельса с привязкой
абсцисс к неподвижным конструкциям.
Illustration
1: Измерения уровня рельса купола
(абсциссы относительно щели)
Графики показывают полную амплитуду вариации уровня порядка 20мм. Указанные выше местные неоднородности амплитудой порядка 5-7мм перемещаются вместе с куполом; их характерная протяжённость вдоль рельса составляет около метра. Попадание нагруженного опорного катка на склон такой впадины вполне может вызывать в некоторых случаях откатывание купола в сторону. Однако сама величина неоднородности, её масштаб по сравнению с гораздо большей полной амплитудой вариации, отражающей, как «дышит» купол при вращении, а также отсутствие более высокочастотных (мелких) неровностей, очевидное при визуальном осмотре, говорят о том, что фрезеровка опорного рельса и нереальна по объёму снимаемого металла и неэффективна для существенного удаления неплоскостности рельса.
Возможные перекосы купола, заподозренные по причине износа или потенциально возможной просадки стен (колонн), должны быть лучше видны на графиках, привязанных в неподвижной системе координат. Для этого те же серии измерений 2, 3 и 4 были сдвинуты относительно первой (и последней, контрольной) на -90, 180 и +90 градусов, соответственно, и нанесены в системе отсчёта северного (начального) положения купола на Рис.2. Становится заметным общий наклон купола, не зависящий от ориентации щели. Его полная величина составляет 9мм, при этом рельс в среднем ниже всего на востоке (вокруг точки 270). Сочетание этого наклона, неравномерной развесовки купола (более тяжёлая сторона с щелью) и местных неоднородностей уровня рельса могут также приводить к откатыванию.
Требуется замерить уровни осей подвеса опорных катков.
На фоне общего наклона, наблюдаются «покачивания» купола при вращении с характерной величиной около +-5мм.
Измерения диаметров рельса
Для определения отклонений рельса от окружности был использован лазерный дальномер Bosch с точностью измерений 1.5мм. Измерения велись между опорными точками на уровне середины высоты рельса (т.е. по середине рельса, между головкой и основанием). Таким образом, получаемые значения составляют диаметр по осевой рельса минус толщина его перемычки. В итоге были получены две серии измерений – при ориентации щели на север и на восток.
После измерений в первом (начальном) положении (точка «0» над северным приводным катком) было выяснено, что в ходе нарастания перекоса северо-западного катка из-за его несоосности каток смещался на 25мм (зарегистрированный максимум – 30мм) в сторону центра купола при вращении с севера на запад. При этом диаметр купола в этом месте менялся примерно на 7-10мм. Это показывает величину деформации купола из-за несъюстированности катков. В обоих положениях измерения велись при примерно центральном положении катков.
Результаты измерений диаметров даны на Рис.3. Видно, что при вращении купола его форма в плане примерно сохраняется. Максимальный разброс диаметров составляет 18-24мм, зависимости от его ориентации. В направлении щели купол практически жёсткий, а неровности наибольшие во «второй гармонике».
В целом, такая форма купола и её поведение допустимы, учитывая стабилизирующее действие удерживающих роликов и то, что полуамплитуда изменения диаметра составляет порядка 1/4 ширины катков.
Illustration
1: Измерения диаметра купола
Эксперимент с северо-западным катком
Как было выяснено, стуки катков из-за перекоса изменяют форму купола, что может также существенно влиять на равномерность его движения. Чтобы определить, насколько это существенно, было решено попробовать установить самый беспокоивший северо-западный каток в правильное положение. При помощи лазерного дальномера и металлического угольника был выстроен перпендикуляр к плоскости проблемного катка. Выяснилось, что его ось на уровне противоположного катка смещена примерно на 18см, т.е. повёрнута примерно на 1 градус. При этом возможное неравномерное распределение катков по окружности мы проигнорировали. Гайки основания оказались незатянуты (видимо, из-за продолжительных ударных нагрузок). Механиком Е.Гринёвым купол был поддомкрачен и каток развернули в нужную сторону, грубо ликвидировав расхождение. Вращение стало заметно легче, а страшные удары этого катка прекратились. Последующие ночи, по словам наблюдателей, показали, что вращение купола особых нареканий более не вызывает.
Этот эксперимент наглядно показал, что системе опоры купола явно не хватало присмотра. По словам механика, ориентировать катки они в прошлом пробовали, но «на глазок», никакой серьёзной метрологии при этом не было. Тогда это приводило лишь к тому, что стучать начинали другие катки. Сейчас же налицо (пусть временное) решение проблемы ударных нагрузок. Конечно, со временем каток снова перекосит, но лишь потому, что опоры уже разболтаны и требуют укрепления.