Проектирование и изготовление телескопа


    Говорят, что если человек приобрел телескоп и использует его для наблюдений, то через некоторое время он обязательно захочет другой, получше. Так случилось и со мной. У меня есть телескоп PowerSeeker 127мм, но захотелось лучшего. По этой причине я даже было дело собрался точить свое зеркало, но позже обнаружил, что на AliExpress можно за недорого приобрести 200мм зеркало. Главное зеркало вместе с диагональным выходили где-то 6000 рублей с доставкой. Это очень дешево. На снимке выше, как раз такое зеркало, только что прибывшее по почте из Китая.

    Купить-то купил, но это же не готовый телескоп. Нужна труба, держатель главного зеркала, диагонального, юстировки, фокусер. Как их изготовить самостоятельно? Решил, что по возможности буду печатать необходимые детали на 3D принтере. Но для этого их нужно еще спроектировать. Или найти дизайн в интернете.

    Если поискать в интернете, то, конечно, «телескопы уже печатали». Вот примеры проектов:

    1. Gaze Across the Solar System with a 3D-Printed, Raspberry Pi Telescope
    2. Open Source DIY Telescope Prime Features Raspberry Pi and 3D Printed Parts

    По разным причинам мне эти проекты не очень понравились. Я решил, что буду проектировать части телескопа сам. Чтобы жизнь медом не казалась я отчего-то решил, что буду делать проект во FreeCAD. До этого момента я уже делал кое-что в Компас 3D (я делал Marble-Machine). И теперь я подумал, что FreeCAD должен быть не сложнее… На самом деле, мне пришлось посмотреть довольно много обучающих роликов по FreeCAD в youtube, прежде чем я смог сделать что-то осмысленное. Проектирование во FreeCAD мне кажется сильно отличается от проектирования в Компасе, тут используется новая для меня технология констрейнтов (не знаю вдруг и в Компасе так можно было да я не знал?). Констрейнты задают все необходимые размеры: длину отрезков, параллельность или перпендикулярность, угол, радиус дуги, буквально все. По констрейнтам солвер FreeCAD вычисляет может ли он построить заданную фигуру или нет. Если нет, то видимо не хватает каких-то уточняющих параметров, которые нужно добавлять. Для меня это было интересно и необычно. Однако, в целом, идея констрейнтов мне пришлась по душе.

    Рассчет телескопа я делал в онлайн калькуляторе "Расчёт телескопа системы Ньютона".



    На рисунке выше обозначены некоторые необходимые для постройки телескопа параметры. Для каждой значимой величины калькулятор высчитывает необходимое значение, нужно только задать исходные: плотность стекла главного зеркала, диаметр, фаску, диаметр и длину трубы и прочее.

    Рассчет заставил посмотреть поближе на задачу. Я уже читал книгу Сикорука «Телескопы для любителей астрономии» и в общих чертах многое себе представлял. Так, я знал, что большие и тонкие зеркала правильнее всего устанавливать по специальной схеме разгрузки. Например, для моего нового 200 миллиметрового зеркала весом 1306 граммов выходило, что оно должно лежать на шести точках. Программа делает рассчет так, что на каждую точку разгрузки приходится одинаковый вес части зеркала, при этом, тяжелое зеркало не должно критически изгибаться под собственным весом, ведь изгиб зеркала — это искажения.



    Еще большие зеркала разгружают на 9, 18 и более точек. Как при этом физически изготовить эти шесть точек разгрузки? При шеститочечной разгрузке делаются специальные «коромысла», две точки зеркала опираются на одну точку — ось вращения коромысла.

    Сразу скажу, что по ссылке приведенной выше, тот же «Open Source DIY Telescope..» не использует 6 точек разгрузки, а использует только три. Я же хотел сделать все более правильно, хотя, конечно, у меня нет абсолютно никакой уверенности, что у меня получилось задуманное. Я надеюсь реальные испытания покажут был я прав или нет.

    Начал проектирование я с самых массивных деталей держателя главного зеркала. Честно скажу, что я не люблю печатать массивные детали на 3D принтере. Это чрезвычайно долго и не всегда получается, например, внезапно может отключиться электричество. Кроме того, эти большие детали должны быть крепкими, и значит должны иметь большую степень заполнения. Это я буду очень долго печатать такое. Поэтому с самого начала я подумал, что массивные детали закажу на производстве с ЧПУ фрезером, а остальное буду делать сам.

    Первая деталь — опора держателя главного зеркала. Она же — крепление зеркала в трубу и часть юстировочного механизма:



    Отверстие по центру необходимо для вентиляции зеркала. При выходе с телескопом на улицу зеркало должно принять температуру окружающей среды. Поэтому нужна хорошая вентиляция внутреннего пространства трубы.

    Вторую деталь я называю «треугольник»:



    Разработка многих деталей во FreeCAD ведется в два этапа — сперва вычерчивается так называемый «скетч» — это проекция детали на плоскость, потом из него выполняется например выдавливание (Pad) или выемка (Pocket). Скетч выглядит как настоящий чертеж, где задаются все параметры. Для моего треугольника скетч выглядит вот так:



    Я по неопытности задавал каждый параметр вручную и только потом понял, что это не очень грамотно. На самом деле правильнее было бы задавать одинаковые параметры в виде переменных и таким образом получилась бы полностью параметрическая модель. Ну чтож, век живи — век учись. Обратите внимание, что в окне «Solver messages» отобразается зеленым цветом «Fully constrained sketch». Это значит, что для вычислителя FreeCAD все ясно и он может однозначно определить геометрию детали по заданным параметрам.

    Треугольник — простая деталь с одной операцией типа «выдавливание», в терминах FreeCAD — это операция «Pad».

    Треугольник висит на трех юстировочных винтах над опорой. За счет этих винтов может слегка наклоняться относительно опоры. В опоре и в треугольнике я предусмотрел отверстия, куда потом будут запресовываться высокие гайки М6.

    И опору и треугольник мне вырезали на ЧПУ станке из клеенной ДВП. Получилось вот так:



    У каждой вершины треугольника два винта. Один тянет на себя, другой толкает от себя. В совокупности это позволяет наклонять треугольник и соответственно главное зеркало относительно опоры при настройке телескопа. Вот вид с обратной стороны:



    Итак, как я уже сказал, я решил многие детали печатать на 3D принтере. Разработанное мною во FreeCAD коромысло должно выглядеть вот так:



    В коромысло с двух сторон я впресовываю металлический шариковый подшипник. Эти подшипники обеспечивают плавное покачивание коромысла на своей точке опоры. Таких коромысел должно быть три.

    Во FreeCAD я спроектировал и другие части крепления зеркала: держатель коромысел и и боковые ограничители. Потом я попытался собрать все детали в единую 3D модель, чтобы увидеть, как это все будет выглядеть:



    Как я понял FreeCAD поддерживает систему так называемых Addon — специальных модулей расширения. Один из возможных внешних модулей расширения — это Workbench a2plus, который как раз и позволяет моделировать сборку из нескольких деталей. Мне пришлось опять учиться и смотреть обучающие ролики на youtube, чтобы в каком-то минимуме освоить a2plus. интересно, что этот инструмент, так же, как и сам FreeCAD использует систему констрейнтов, которые позволяют привязывать уже в 3D пространстве отдельные детали между собой. Снимок экрана выше как раз показывает такую сборку.

    Простейший пример соединения деталей через констрейнт в a2plus показан на рисунке ниже:



    Я выбираю два круглых ребра двух разных деталей через клавишу Ctrl и на тулбаре выбираю кнопку circularEdge constraint. Это позволяет мне разместить эти детали на одной оси на заданном расстоянии. После этого коромысло оказывается привязанным.

    В реальной жизни вся сборка получилась вот такая:



    Зеркало должно без усилий вставляться и просто лежать на коромыслах, при этом не болтаться из стороны в сторону. Все эти печатанные детали выполнялись со 100% заполнением для максимальной прочности.

    Лежать «разгружаясь на 6 точек» по моей задумке зеркало должно вот так:



    Установленное и закрепленное клипсами зеркало (на поверхности капли спирта, отмывал от случайных отпечатков пальцев):



    Потом вся эта конструкция была вставлена в заранее изготовленную трубу и закреплена.

    Кроме оправы главного зеркала пришлось разрабатывать во FreeCAD и печатать узел крепления и юстировки диагонального зеркала, а так же фокусер. Честно говоря фокусер вызывает у меня наибольшие опасения. Пока не придумал, как надежно сделать подачу фокусера и в настоящее время он у меня держится просто за счет трения. Вот оправа фокусера:



    Внутрь я вклеил 3 фторопластовых тонких полосочки и уже потом туда вставляется сам фокусер, а уже в него окуляр:



    Мне так не терпелось испытать телескоп, что я установил фокусер просто на двусторонний скотч. Да и монтировки у меня пока нет. Просто хотелось увидеть хоть что нибудь. Пока нет монтировки я могу положить телескоп на сушилку белья и смотреть только на удаленные дома и антенны:



    В целом, мне кажется, что работает! Отъюстировал быстро с помощью лазерного коллиматора — никаких особых проблем здесь не возникло. Кирпичи на пятиэтажке напротив выглядят весьма детально. Антенны тоже.

    Следующий этап марлезонского балета — это изготовление монтировки Добсона и полевые испытания. Но это уже другая история.

    Что касается FreeCAD, я рад что познакомился с ним. Он не вызывает у меня отрицательных эмоций, вполне рабочий инструмент. Я понимаю, что знаю его слишком мало и почти ничего не умею. Но я вижу, что документация есть, обучающие ролики есть. Смысл в освоении этого инструмента так же есть.

    Комментарии 31

      0
      Я одно время думал модернизировать телескоп. Переделать рефлектор с 76 на 114 мм. Труба позволяла. Но вот стоимость зеркал была как телескоп целиком.
      А чешир для юстировки — еще тысячи 4-5.
        +14
        Ну не знаю. Найдите мне в интернете готовый телескоп 200мм хотя бы за 10 тысяч. Не найдете.
        Это первое.
        Второе — это же как хобби. В нашей местности вся зима обычно бывает с тучами. Неба вообще нет. Но дело есть — строительство телескопа. Иногда строительство важнее наблюдений. Бывает и так.
        +3
        Какие параметры этого зеркала? (покрытие, парабола, ссылка на Али)
        Как будет вести себя пластик при низких температурах?
          0
          aliexpress.ru/item/32899735145.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.1ce433edNHpKr8
          Про поведение пластика при низких температурах — не знаю.
          Я даже не знаю, достаточна ли его прочность для разгрузки на 6 точек. Реальные испытания покажут.
            +2
            Извините, что расстраиваю, но это сфера, а не парабола. Оно рассчитано на использование совместно с корректором сферической аберрации, хотя качество и с ним будет никакое. Восьмидюймовую параболы встречались примерно втрое дороже.
              +1
              У меня есть корректор.
                +3
                Светосила 1/4 даже на параболе очень требовательна к качеству изготовления, юстировки и жесткости конструкции. А про сферу молчу даже. Там удобоваримый предел светосилы 1/7-1/8

                ИМХО для астрономического использования придется задиафрагмировать апертуру чтобы снизить искажения к приемлимому уровню

                Вот книга Сикорука по телескопостроению
                lib.ru/NTL/ASTRONOMY/teleskop/teleskop.txt_with-big-pictures.html
                Впрочем, при достаточно малых относительных отверстиях сферическая аберрация так мала, что изображение практически не искажается, и такое зеркало может быть названо идеальным. Табл. 5 дает наименьший относительный фокус V сферического зеркала для выбранного диаметра D, при котором изображения становятся идеальными. Разумеется, можно выбрать относительный фокус еще больше (а относительное отверстие меньше), и изображения будут оставаться по-прежнему идеальными, но нельзя выбирать относительный фокус меньше, чем указано в таблице.

                image

                для диаметра 200 максимальная светосила сферического зеркала 1/8,89

                PS я бы не возлагал надежды на корректор — о них очень плохие отзывы. Телескопы с корректором называют hobby killer
                www.skyandtelescope.com/astronomy-equipment/choosing-astronomy-equipment/hobby-killers-what-telescopes-not-to-buy

                There’s one design you should avoid at all costs: the “Bird-Jones” reflector. The Bird-Jones design uses a spherical primary, and a fast one at that, in an attempt to keep the tube shorter than average. Manufacturers of this design correct for spherical aberration and increase the focal length by placing a corrector lens at the inner end of the focuser. The corrector lens is supposed to make everything all right again, but it never does. The view through every Bird-Jones scope I’ve ever looked through has been uniformly awful. There might be a decent Bird-Jones telescope somewhere out there, but if there is, I’ve never seen nor even heard of it.

            0
            Как раз вчера видел видео про обзор разных типов пластика на мороз, нагрев, давление, воду, и др.
            Возможно, будет интересно посмотреть
            youtu.be/jHIUucMR3a8?t=371
            0
            А как вы юстировали фокусер? на фланце должны быть винты для высталения оси фокусера перпендикулярно к оси зеркала
              0
              Увы, этого у меня нет.
              Но для юстировки я использовал коллиматор, вот такой:
              www.youtube.com/watch?v=OfKXwbqcAbc
              Лучи сводятся легко.
                0
                только так юстировка будет только в одном положении фокусера. При движении фокусера юстировка поплывет :(
              0

              в свое время хотел сделать (или купить) что-то подобное, но начитавшись про головняк с термочувствительностью рефлекторов оставаться верным рефракторам:)

                0
                Все эти печатанные детали выполнялись со 100% заполнением для максимальной прочности.

                Вроде же максимальная прочность достигается не 100% заполнением, а что-то типа 70-80%
                  +1
                  FreeCAD будет классный, когда его допилят хотя бы до версии 1. Мне очень понравился его параметрический подход, он как-то близок мне по стилю мышления что ли. Но пока он, к сожалению, очень сырой, если делать в нем хоть что-то более-менее сложное: undo-redo фактически не работают и ломают всю модель в хлам, приходится сохранять промежуточные копии(!) файла; на высоких DPI UI колбасит немилосердно; поддержка трэкпада/тачпада в MacOS ужасная — даже зумить практически невозможно, не говоря уж о каких-то дополнительных жестах…
                  В общем, пока работа в нем описывается одним словом: «превозмогая».
                    –1

                    Пробовал FreeCad — как-то сложно всё показалось. Остановился на Fusion 360 — для самодельщиков он бесплатен

                      +1
                      Компас 3D тоже почти бесплатен для домашнего пользования. Там что-то около 2х тысяч рублей было, смешные деньги для классного продукта. Однако, у меня недавно появилось такое мнение, что никогда не знаешь, в какой момент хобби станет бизнесом. Может никогда, а может и очень скоро.
                        +1
                        Они поменяли лицензию распространения? Когда я его смотрел пару лет назад — он был бесплатен только для студентов. Да, там можно было ввести фейковые данные и им прикинуться, но это не совсем то.
                          +1
                          до бесплатен до 100000 евро выручки.
                          и да, я спрыгнул с домашнего компаса на фьюжн.
                            0

                            Да он вроде всегда был бесплатен для стартапов (до 100000 долларов в год) и хоббистов. Осенью, правда, правила чуток сменили, и в бесплатной версии теперь нет импорта из профессиональных пакетов, но, тем не менее, очень хороший инструмент.

                          0
                          Я не большой специалист на само деле, но у меня не было ощущения «превозмогая» и ни разу ничего не крэшилось. Я никогда не сохранял промежуточные версии в разные файлы.
                            +1
                            Нет, я не про креши. Проблема в том, что дерево объектов иногда ломается.
                            Иногда ломается при undo-redo. То есть была, допустим, иерархия скетчей-тел. Потом я вижу, что сделал в каком-то момент ошибку, хочу откатиться на пару шагов, отменяю последние действия и иерархия возвращается в какой-то невалидное состояние, в котором уже нельзя сделать какие-то новые действия, например, новый скетч или pad.
                            То же самое, если менять в иерархии достаточно далеко от текущего состояния. Например, дорисовать в корневом скетче дополнительное отверстие или выступ.
                            Возможно там что-то уже пофиксили (это был 2018 год), но беглый поиск по форумам говорит, что до сих пор глючит.
                            0
                            А что такого в хранении промежуточных копий (по сути, версионирования)?

                            Вот программисты почему-то при написании кода такими системами пользуются, не удовлетворяясь простыми undo-redo, предоставляемыми почти любым редактором.
                              +1
                              «Такого» в этом то, что базовые вещи типа undo должны работать не ломая чертеж. Как, собственно, и работают в коммерческих допиленных продуктах.
                              Ваша аналогия про программистов неуместна. Если ее продолжать, то представьте себе ситуацию, что при ctrl+z стираются случайные фрагменты кода с невозможностью их вернуть. Ну да, можно после каждого слова создавать коммит в гите, но это я и называю «превозмогая».
                              Это не камень в огород фрикада. Я понимаю, что это опенсурсный продукт в официальной разработке не дошедший еще даже до релиза. И то что там сделано впечатляет. Но, по моему личному опыту, он еще очень сырой, ему бы нормальное финансирование =(
                                +1
                                Просто ваши слова «сохранять промежуточные копии(!)» выглядят так, как будто это сохранение само по себе что-то дикое, безотносительно поведения undo. Вот я и встал на защиту такого сохранения.
                          • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                              +1

                              А из чего сделали трубу? И чем внутренности покрыли? Я предполагаю внутренние стены не должны отражать свет. По крайней мере при постройке микроскопа качество сильно зависит от этого.

                                0
                                Помню, как хотел сделать телескоп. Нашел стекло М1 толщиной 2см, консервную банку из-под сельди, книгу про советских школьников с описанием выточки кругляша банками и его приведения к параболе (кстати не за счет формы точила, а за счет усилия давления на центр). Только год-полтора готовился, собирал материалы, искал стекло, банку, образивы у знакомого ювелира, готовил эпоксидное точило и в итоге перегорел. Но это было прекрасное время.
                                  0
                                  Автор — мыть оптику спиртом нельзя! Остаются от спирта нерастворимые пятна, которые вы уже ничем не отмоете. Зеркала (алюминиевые) можно мыть от «пальцев» и других загрязнений — омыванием легкого мыльно-глицеринового раствора, можно в особо «грязном» месте очень аккуратно потереть ваткой во время «омовения», потом все это дело смывается дистиллированной водой и аккуратно сушится, чтоб не налипла пыль.
                                    0
                                    Опс… А я не знал.
                                    +1
                                    Если еще раз будете делать оправу для ГЗ, посмотрите Gui Plop
                                      0
                                      не знаю вдруг и в Компасе так можно было да я не знал?)

                                      Банальная параметризация что ли? А вы только по прямым строили?

                                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                      Самое читаемое