第三章：赤道仪不同传动形式的对比
在赤道仪市场中，摩擦传动与齿轮传动、蜗轮蜗杆传动以及近年来兴起的谐波传动形成了竞争。以下是几种传动方式的优缺点分析，以及它们在实际应用中的表现。
赤道仪作为天文台的核心设备，其性能直接影响观测与拍摄的精度。尤其是在固定天文台中，长时间的精准跟踪与定位对观测效果至关重要。本文将根据定位、跟踪、刚性、平滑性、周期误差等多个维度，讲解蜗轮蜗杆驱动、摩擦驱动、直驱系统和谐波减速四种常见传动技术在固定天文台设备中的表现。

注：对比仅限于赤道仪的赤经轴和赤纬轴都采用同一种传动方式的情况。混合传动可能会有细微区别。在固定天文台中，由于设备无需频繁移动，设备可以设计得更加大型和复杂，以提高定位精度和跟踪稳定性。

天文台赤道仪的主要需求包括：
定位和跟踪：
深空摄影需要极高的定位精度和长期跟踪能力。由于长时间观测和拍摄的需求，赤道仪必须能够精准指向目标，并在长时间内保持稳定的跟踪，避免累积误差。长时间的深空天体观测或长曝光天文摄影要求设备能够持续精准跟踪，确保目标天体始终位于视场内。

图：传统蜗轮蜗杆传动赤道仪

刚性和无间隙：
天文台的赤道仪通常需要支撑较大口径的望远镜，设备暴露在自然环境中，必须具备高刚性以抵御风载和其他外界干扰，确保设备的稳定运行。同时，设备的传动系统应尽可能实现无间隙传动，保证在正反方向切换时没有滞后现象，从而提升观测和拍摄的精确性与连续性。

图：某摩擦传动赤道仪

平滑性和低周期误差：
平滑的运动对于高精度跟踪和微调至关重要，尤其在长时间拍摄时，任何不平滑的运动都会影响观测结果。周期误差越低，设备在长时间内保持稳定跟踪的能力就越强，能够减少星点漂移，在深空天体观测中表现尤为重要。

图：电机直驱赤道仪

维护性和成本：
固定天文台的设备通常安装在难以频繁维护的地方，因此赤道仪的维护需求应尽可能低，同时设备应具有高可靠性，能够长时间稳定运行。此外，尽管固定天文台设备可以设计得较为复杂，但设备的初始成本和长期维护成本仍需合理控制，以在性能与经济性之间取得平衡。

图：谐波减速赤道仪

1. 定位（Positioning）
定位精度是赤道仪整体性能的综合体现，主要体现在指向精准度。一般而言，纯机械传动的赤道仪定位精度在10-15角分，而通过双轴闭环编码器控制的赤道仪可以实现1角分以内的精度。好在我们可以借助上位机的全天星点坐标建模和解析指向，无论采用哪种传动方式，都能达到角秒级别的指向精度。因此，定位精度不再仅依赖传动系统，而与整体系统优化密切相关。
定位总结：
非常好：摩擦驱动、直驱系统
良好：蜗轮蜗杆、谐波减速

图：THE SKYX的Tpoint功能（星点位置建模）

2. 无导盲跟（Unguided Tracking）
无导盲跟能力指的是赤道仪在不依赖导星系统的情况下，能够通过自身的传动精度长时间准确跟踪目标天体。这种能力在某些特殊应用场景中尤为重要：
1. 焦距过长导致视野内无可导星
当赤道仪配合长焦距望远镜时，视野会变得非常狭窄，可能导致没有合适的导星目标出现，或者导星目标较暗，影响导星精度。在这种情况下，依赖导星系统可能无法维持长时间的稳定跟踪，甚至可能出现导星中断的情况。
2. 巡天拍摄需要频繁切换目标
巡天拍摄是一种快速扫描大范围天区的拍摄方式，通常每隔几分钟更换拍摄目标。导星系统每次都需要重新适应目标，这会大大降低巡天的效率。
3. 天空过云干扰导星
在长时间的观测或拍摄过程中，天气变化（如云层遮挡）可能会影响导星系统的正常运行。当导星目标被云层遮挡时，导星系统无法继续校正，导致观测中断，甚至出现误差。
在这里不得不提到另一个指标“偏移率”它是影响跟踪精度的主要因素。它的大小取决于设备的周期误差（传动过程中产生的周期性机械误差）和周期时长的比值。偏移率越低，跟踪精度越高，能够在长时间观测中保持精准；偏移率越高，则容易积累误差，造成星点脱线。
对于到不同的传动系统上：
摩擦驱动系统表现良好，偏移率低至0.2~0.07角秒/分钟，周期通常长于30分钟，周期误差在±5角秒左右，是长时间无导盲跟任务中的理想选择。
直驱系统偏移率极低（0.1~0.2角秒/分钟），几乎没有周期误差，非常适合高精度、长时间的观测任务，尤其是深空长曝光需求。
蜗轮蜗杆系统的涡轮齿数在144~288齿，导致周期时长普遍较短，偏移率较高（1~5角秒/分钟），不适合长时间无导星观测场景。
谐波减速由于其特殊构造会导致产生更短的误差周期，其偏移率为四者最高（2~10角秒/分钟），用在赤经轴上非常不适合无导盲跟。
无导盲跟总结：
适合：摩擦驱动、直驱系统
不适合：谐波减速、蜗轮蜗杆

图：关闭导星后出现明显周期性误差，但带光栅编码器的赤道仪误差反而较小

3. 刚性（Stiffness）
固定天文台设备通常暴露在风载或其他环境干扰下，高刚性是保持设备稳定运行的关键。
摩擦驱动和谐波减速的刚性非常高，能够有效抵御外界干扰，确保设备长期运行中的稳定性。
蜗轮蜗杆系统的由于存在齿隙空程刚性一般，在高负载或外界环境变化下容易受到影响。直驱系统则取决于惯量比，由于没有机械减速机构，纯电子控制更容易被扰动，一般需经过严格调试才能有较好表现。但在某些高负载条件下略逊色于摩擦驱动。
刚性总结：
非常高：摩擦驱动、谐波减速
良好：直驱系统
一般：蜗轮蜗杆

  
图：某RV减速机的刚度曲线（比谐波减速刚性更好但空程也更大）

4.无间隙（Backlash-Free）：
无间隙意味着在正反转切换时驱动系统没有明显的“停滞”现象。机械齿轮传动由于需要润滑和滑移，通常会有一定的齿隙。
摩擦驱动和直驱系统由于没有齿轮啮合，通常可以做到真正无间隙传动。
而谐波传动一般会在前级加上带轮减速，同步带拉伸效应也会造成极小传动间隙，但影响较小一般可忽略不计。
无间隙总结：
无间隙：摩擦驱动、直驱系统、谐波减速
有间隙：蜗轮蜗杆

图：较大的空程会降低导星响应速度

5.平滑性（Smoothness）
平滑性是评估赤道仪驱动系统在进行微小增量运动时，能否保持稳定、连续运动的关键指标。它直接影响到赤道仪的微调能力和运动的精确性，尤其在需要高精度跟踪天体时显得尤为重要。平滑性通常通过导星总RMS（均方根误差）来衡量，表现为运动的频率和幅度。高频且幅度大的运动会削弱平滑度，而低频误差则能通过光学反馈系统来纠正。
平滑性受多种因素影响，包括齿槽效应，传动部件加工精度，轴承质量，润滑状态，控制系统的响应速度等。
各类传动技术的平滑性表现：
摩擦驱动系统：在平滑性方面表现最佳。由于无齿槽效应，摩擦驱动系统提供了极为平稳的运动，特别适合高精度微调需求的应用场景。
直驱系统：尽管直驱系统控制复杂，但它依靠直接驱动电机，通常也能实现较为平滑的运动，特别是在高端控制系统的辅助下。
蜗轮蜗杆系统：表现良好，但由于齿轮啮合的固有结构限制，它的平滑度略逊于摩擦驱动系统，特别是在进行微小运动时。
谐波减速：谐波减速虽然具备较好的平滑性，但因为同步带的传动结构，可能会在某些情况下出现轻微的非连续运动，影响平滑度。
平滑性总结：
优异：摩擦驱动、直驱系统
良好：谐波减速、蜗轮蜗杆

图：摩擦传动赤道仪导星RMS通常＜0.5角秒

6. 周期误差（Periodic Error, PE）
周期误差影响长时间观测的稳定性。在固定天文台中，长时间的曝光对设备周期误差的要求极为严格。蜗轮蜗杆系统的周期误差较大（±15角秒）周期较短（3-6分钟）。摩擦驱动系统的周期误差较小（±5角秒）周期很长（30-60分钟），适合长时间拍摄。直驱系统由于没有齿轮传动，几乎没有周期误差，是最佳选择。谐波减速的周期误差最大（±20角秒）周期最短（1-5分钟），必须配合高精度导星系统。
周期误差总结：
最佳：直驱系统
良好：摩擦驱动
一般：蜗轮蜗杆
较差：谐波减速

图：某谐波减速赤道仪典型周期性误差

7.维护（Maintenance）
在固定天文台中，赤道仪的维护频率和工作量是重要考量因素。维护工作一般集中在以下几个方面：
首先是润滑，任何机械传动系统都需要定期润滑，以减少摩擦并延长设备寿命。其次是同步带维护，同步带在户外低速大涨紧力下工作，存在老化或磨损风险，同步带需要定期更换。
最后需要检查易磨损部件，包括轴承、摩擦副等，避免长时间使用导致精度降低或设备损坏。
各类传动技术的维护需求：
蜗轮蜗杆系统：该系统由于同时包含同步带和蜗轮蜗杆，润滑和定期检查皮带寿命尤为重要。
谐波减速：谐波减速同样依赖于同步带传动，因此需要定期检查并更换老化的同步带，但由于通常会把润滑脂封闭在谐波减速器内，维护相对容易。
摩擦驱动系统：摩擦驱动系统的维护相对简单，不需要频繁的润滑。通常只需定期检查磨损情况并做相应的清理，大约每3年一次。
直驱系统：直驱系统没有摩擦部件，因此维护需求最低。通常只需检查轴承和电气部分是否老化，维护周期长达10年以上，
维护总结：
高维护频率：蜗轮蜗杆系统、谐波减速
中等维护频率：摩擦驱动系统
低维护频率：直驱系统

图：传统赤道仪需定期涂油以减少磨耗

8. 成本（Cost）
在评估不同传动技术在固定天文台赤道仪设备中的应用时，成本也是必须考虑的关键因素。成本不仅包括初始设备采购的开销，还涉及长期的维护和运行成本。不同传动系统的复杂性、组件的精度要求、材料选择以及后续的维护需求都会影响总成本。
各类传动技术的成本分析：
蜗轮蜗杆系统的设计相对传统，使用广泛，工艺体系成熟，但由于天文应用需要高度精密的齿轮加工，成本相对较高。
摩擦驱动系统的设计相对简单，没有复杂的齿轮结构，因此初始制造成本较为适中。摩擦驱动依赖摩擦力的传动方式，零部件加工精度要求较低，因此设备价格相对较低。
直驱系统是技术含量最高的方案，由于其使用的高端电机和直接驱动的设计，没有齿轮等中间传动部件，因此需要极高的制造精度和复杂的控制系统，导致初始设备成本非常高。
现代谐波减速器已经非常成熟，工业中也大规模应用，成本也在逐年下降。同时，谐波赤道仪由于设计自由度高，结构紧凑，模块化封装等特点，国内大量厂家都推出了相关产品。在不要求极高精度的场景中凸现性价比。
成本总结：
高成本：直驱系统
中等成本：摩擦驱动、谐波减速、蜗轮蜗杆系统

图：高性能高成本 圆光栅/读码器

综合结论

蜗轮蜗杆驱动：适合预算有限且不需要长时间高精度无导盲跟的天文台。虽然跟踪精度有限，但对一般观测任务能够胜任。

摩擦驱动：在所有的传动系统中，摩擦传动的综合表现最佳。特别在定位、跟踪、刚性、平滑性和偏移率等方面表现优异，成本适中，维护周期较长，是固定天文台的理想选择。

直驱系统：性能最为优越，尤其在定位、无导盲跟踪、周期误差和偏移率方面几乎无可挑剔。虽然成本最高，但维护需求最低，非常适合追求极致精度和长时间稳定性的固定天文。

谐波减速：谐波减速的定位和刚性表现较好，但在无导盲跟、周期误差和偏移率方面表现较弱，其成本和维护要求相对中等，该系统更适合承载有导星辅助的中短焦距大口径望远镜。

总的来说，不同传动系统各有优势，固定天文台用户在选择赤道仪时应综合考虑其预算、使用需求、观测精度要求以及长期维护计划。摩擦传动系统凭借其良好的性价比和稳定性能，成为固定天文台设备的理想选择。而直驱系统虽然成本较高，但对于那些追求极致精度的用户来说，是无法替代的最佳方案。