Título Interfaces Mecánicas - UNAM...que coincide con el origen del sistema de coordenadas local...

INSTITUTO DE ASTRONOMÍA

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

Espectrógrafo óptico de mediana y baja dispersión para el Observatorio de San Pedro Mártir

Fecha: 20/02/2007 Código: ESOPO-ME-A-IM1

No. de páginas: 3 Versión: 1

Título

Interfaces Mecánicas

ESOPO

INTERFACES MECÁNICAS

CÓDIGO: ESOPO-ME-A-IM1 VERSIÓN: 1

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Control del documento

Preparado por

Alejandro Farah

Diseñador Optomecánico

Revisado por

Carlos Tejada

Ingeniería de Sistemas CU

Aprobado por

Alejandro Farah

Project Manager

Autorizado por

Rafael Costero

Investigador Principal

Juan Echevarria

Responsable del Proyecto

Comité Asesor Técnico

Élfego Ruíz

Javier Fuentes

Jorge Váldez

ESOPO



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Registro de cambios (A)

Número Fecha Sección Página Descripción del cambio

1 22-agosto-2006 5.3 11 Actualización de las coordenadas de las interfaces mecánicas.

2 Febrero 2007 NA NA PDR

Lista de abreviaciones

ESOPO Espectrógrafo óptico de mediana y baja dispersión para el Observatorio de San Pedro Mártir

BA Brazo Azul

BR Brazo Rojo

IM Interfaces Mecánicas

LC Lente de Campo

SPM San Pedro Mártir

ESOPO



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ÍNDICE

1. RESUMEN...................................................................................................................... 3

2. INTRODUCCIÓN.......................................................................................................... 3

3. DEFINICIONES BÁSICAS .......................................................................................... 3

3.1.1 Interfaz Mecánica ........................................................................................................ 3

3.1.2 Envolvente Mecánica ................................................................................................... 3

3.1.3 Sistema de Coordenadas Global.................................................................................. 3

3.1.4 Sistema de Coordenadas Local.................................................................................... 3

3.1.5 Nodos de control .......................................................................................................... 3

3.1.6 Nodo de referencia....................................................................................................... 3

3.1.7 Traslaciones................................................................................................................. 3

3.1.8 Rotaciones.................................................................................................................... 3

4. INTERFACES MECÁNICAS DE LOS SUBSISTEMAS .......................................... 3

4.1 DIAGRAMA DE ÁRBOL ...................................................................................................... 3

4.2 NODOS DE CONTROL Y DE REFERENCIA ........................................................................... 3

4.2.1 Subsistemas comunes, brazo azul y brazo rojo............................................................ 3

4.3 UBICACIÓN DE LAS INTERFACES MECÁNICAS................................................................... 3

5. REQUERIMIENTOS .................................................................................................... 3

5.1 FUNCIONALES ................................................................................................................... 3

5.1.1 Propósito de las IM...................................................................................................... 3

5.1.2 Soporte de los subsistemas........................................................................................... 3

5.1.3 Fijación de las IM........................................................................................................ 3

5.1.4 Fijación de los subsistemas a las IM ........................................................................... 3

5.2 FÍSICOS ............................................................................................................................. 3

5.2.1 Esfuerzo máximo permisible ........................................................................................ 3

5.2.2 Peso.............................................................................................................................. 3

5.2.3 Maquinado ................................................................................................................... 3

5.2.4 Material........................................................................................................................ 3

5.3 FORMA GEOMÉTRICA DE LAS INTERFACES MECÁNICAS ................................................... 3

5.3.1 Concentricidad............................................................................................................. 3

5.3.2 Perpendicularidad ....................................................................................................... 3

5.3.3 Componentes mecánicos de manipulación .................................................................. 3

5.4 INTEGRACIÓN ................................................................................................................... 3

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5.4.1 Posicionado del nodo de control preliminar ............................................................... 3

5.4.2 Ajustes .......................................................................................................................... 3

5.4.3 Calibración de las IM .................................................................................................. 3

5.4.4 Calibración de los subsistemas.................................................................................... 3

5.5 INFORMACIÓN PARA EL PRESUPUESTO DE ERROR ............................................................ 3

5.6 AMBIENTALES .................................................................................................................. 3

5.6.1 Condiciones de operación y límites de supervivencia ................................................. 3

6. ESPECIFICACIONES .................................................................................................. 3

6.1 MECÁNICAS ...................................................................................................................... 3

6.1.1 Tolerancias de posición e inclinación.......................................................................... 3

6.1.2 Tolerancias geométricas .............................................................................................. 3

6.1.2.1 Perpendicularidad 3

6.1.2.2 Planitud 3

6.1.2.3 Nodo de control 3

6.2 TÉRMICAS ......................................................................................................................... 3

6.3 DESEMPEÑO...................................................................................................................... 3

7. DISEÑO PRELIMINAR ............................................................................................... 3

7.1 DESCRIPCIÓN DEL DISEÑO ................................................................................................ 3

7.1.1 Diseño conceptual........................................................................................................ 3

7.1.2 Subsistema de IM ......................................................................................................... 3

7.1.3 Acople con los subsistemas .......................................................................................... 3

7.1.3.1 IM Rendija 3

7.1.3.2 IM lente de campo 3

7.1.3.3 M divisor de haz 3

7.1.3.4 IM colimadores 3

7.1.3.5 IM cámaras 3

7.1.4 Acople con la estructura de soporte............................................................................. 3

7.1.5 Ajustes de integración.................................................................................................. 3

7.1.6 Topes mecánicos .......................................................................................................... 3

7.1.7 Iteración con el presupuesto de errores....................................................................... 3

7.2 CÁLCULOS MECÁNICOS.................................................................................................... 3

7.2.1 Historia del Modelado FEA......................................................................................... 3

7.2.2 Nodos de control .......................................................................................................... 3

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7.2.3 Modelos FEA de las IM ............................................................................................... 3

7.2.4 Deformaciones mecánicas por la gravedad................................................................. 3

7.3 PRESUPUESTO DE ERRORES .............................................................................................. 3

8. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA........................................................................... 3

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1. RESUMEN

El objetivo de este documento es el de mostrar la posición de las interfaces mecánicas en la estructura de soporte para cada subsistema. Describe también la metodología adoptada por el proyecto para relacionar las deformaciones mecánicas y térmicas con los Requerimientos de Alto Nivel, posibilitando así la optimización del sistema. Finalmente muestra las envolventes mecánicas permisibles para cada subsistema.

2. INTRODUCCIÓN

La importancia de definir las interfaces mecánicas en la etapa de diseño preliminar radica en su uso para el presupuesto de error. El análisis por elementos finitos nos permite conocer aproximadamente, y previo a la fabricación de la estructura, las deformaciones que van a presentarse durante la operación, a causa de los cambios de temperatura y diferentes orientaciones del instrumento respecto a la gravedad. Gracias a estos valores de desplazamientos y rotaciones, junto con el uso de software óptico y el presupuesto de error, tenemos la posibilidad de detectar y resolver posibles errores de diseño, el análisis térmico en particular nos permitirá elegir adecuadamente un compensador para estos efectos. Por otro lado, las envolventes mecánicas ayudarán al equipo de diseño a delimitar su espacio real para evitar interferencias entre los diferentes componentes. También ayudarán a la definición de los posibles compensadores térmicos para corregir la imagen dada la variación de las condiciones de frontera (atmosféricas) durante la etapa de diseño crítico. En especial el caso de corrección por la variación en el índice de refracción con la temperatura (véase Figura 2.1).

Fig. 2.1 Interfaces y envolventes mecánicas.

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3. DEFINICIONES BÁSICAS

3.1.1 Interfaz Mecánica

Referencias físicas de algunos de los componentes mecánicos que conforman los diferentes subsistemas. Su función es la de garantizar la posición relativa al sistema global de referencia del subsistema.

3.1.2 Envolvente Mecánica

Es el espacio físico máximo que un subsistema puede ocupar.

3.1.3 Sistema de Coordenadas Global

Su ubicación se encuentra en el centro geométrico de la rendija. Este origen es al que están referenciados todos los Sistemas de Coordenadas Locales de cada subsistema.

3.1.4 Sistema de Coordenadas Local

Es el origen de coordenadas de cada subsistema. Sirve para la ubicación (dentro de su envolvente) de cada componente mecánico, óptico y electrónico en el subsistema.

3.1.5 Nodos de control Este nodo se encuentra ubicado en la intersección del plano de las interfaces mecánicas y el eje óptico. Es considerado como el origen del sistema de referencia de cada interfase para el presupuesto de error.

3.1.6 Nodo de referencia Estos nodos son determinados en función de la geometría de las interfaces mecánicas, uno por cada barreno de sujeción en el plano de la interfase. Es necesario conocer su posición antes y después de aplicar las cargas y condiciones de frontera. Gracias a estos nodos vamos a conocer las traslaciones y rotaciones de los nodos de control.

3.1.7 Traslaciones

Desplazamientos de los nodos de control y/o de referencia que calcula el Análisis por Elementos Finitos al ser sometido un subsistema (o varios) a diferentes condiciones de frontera.

3.1.8 Rotaciones

Rotaciones de los ejes coordenados de los ejes de referencia ubicados en los nodos de control. Su cálculo se realiza a partir de las traslaciones de los nodos de referencia por medio de una aproximación estadística de los mismos..

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4. INTERFACES MECÁNICAS DE LOS SUBSISTEMAS

4.1 Diagrama de árbol

NOTA: El control de la documentación de ESOPO y su codificació se encuentra en estos momentos en revisión por parte de la Ingeniería de Sistemas. El nuevo Diagrama de Árbol que a continuación se presenta (Figura 4.1), refleja la estructura de ESOPO hasta el nivel de Subsistema, se desarrollará una nueva codificación de los documentos que haga lo propio.

En el Diagrama de Árbol de ESOPO (Figura 4.1), se pueden ver todos los Subsistemas de ESOPO y la codificación de la documentación que a ellos se refiere (Ver Nota anterior).

Figura 4.1 Diagrama de Árbol de ESOPO. En este diagrama se encuentran (negro) todas las interfases mecánicas y funcionales del Instrumento así como el documento que las trata. Los

bloques en verde son compartidos por ambos brazos.

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4.2 Nodos de control y de referencia

Los nodos de control están definidos como la referencia del subsistema. Este nodo es un punto que coincide con el origen del sistema de coordenadas local de cada subsistema y que a su vez se encuentra cercano al centro de masa del subsistema. En el caso de las cámaras de ambos brazos existen dos nodos de control, uno coincidente con el origen y el otro coincidente con la intersección del plano de referencia y el eje óptico.

4.2.1 Subsistemas comunes, brazo azul y brazo rojo En la Figura 4.2.1.1 se muestran los componentes ópticos comunes a ambos brazos, así como los del brazo azul y rojo. Para ver más detalle de los componentes véase Figura 4.2.1.

Fig. 2.4.1 Componentes ópticas comunes.

Este modelo tridimensional fue elaborado a partir del diseño óptico de ESOPO. Las lentes fueron importadas directamente desde el software ZEMAX ® con todas sus características geométricas al software de diseño mecánico SolidWorks®. Esta metodología permite actualizar la información de los modelos ópticos y mecánicos sin tener que re-dibujar, evitando así fuentes posibles de errores.

En la Tabla 4.2.1 se muestran las coordenadas de los centros de masas de las componentes ópticas. El presupuesto de errores del proyecto propone que las superficies de referencia de cada interfaz se encuentren próximas a estos puntos. La posición está definida para el sistema de referencia global de coordenadas.

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Tabla 4.2.1 Centros de masa de los componentes ópticos.

4.3 Ubicación de las interfaces mecánicas

En la Figura 4.3 se muestra el diseño óptico final (REF 1) así como las superficies de referencia de las interfaces. Las coordenadas y formas geométricas son propuestas en función del diseño mecánico y de su mejor funcionalidad para el presupuesto de errores y las componentes ópticas (REF 2). Razón por la cual los valores actualizados y los posibles cambios deben efectuarse en el presupuesto de errores y no podrán ser modificados por el diseño mecánico sin previa modificación en el presupuesto.

Figura 4.3 Diseño óptico final de ESOPO con interfaces en ZEMAX ®.

Las posiciones de los nodos de referencia (orígenes) de las IM con respecto al sistema de referencia global se muestran en la siguiente Tabla.

SubsistemaLente de campo 8.55E-005 1.72E-005 5.54E+001

A Z U LColimador -5.3306E+002 -1.1518E-004 1.3670E+001Cámara (B1) -6.8661E+002 -1.4784E-004 1.1109E+002Cámara (B2) -5.9506E+002 -9.4580E-005 4.2621E+002

R O J OColimador 3.5523E+002 -1.1332E-004 6.2916E+001Cámara (B1) 5.2245E+002 1.4350E-005 1.0985E+002Cámara (B2) 5.2245E+002 -7.3500E-005 4.6144E+002

X CoM Y CoM Z CoM

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Tabla 4.3.1 Coordenadas del origen de las interfaces de cada subsistema.

Subsistema Referencia X (mm) Y (mm) Z (mm) Θy (ºCCW) Rendija 1 0,00 0,00 -75,78 0,00 Lente de campo 2 0,00 0,00 55,35 0,00

A Z U L Espejo dicroico 3 0,00 0,00 360,00 0,00 Colimador 4 -533,92 0,00 13,20 61,20 Rejillas 5 -778,78 0,00 -141,85 38,70 Cámara (B1) 6 -686,60 0,00 111,20 16,20 Cámara (B2) 7 -590,50 0,00 441,97 16,20 Cam-AS3 + CCD 8 -562,60 0,00 538,00 16,20

R O J O Espejo doblador 3 0,00 0,00 360,00 0,00 Colimador 9 355,15 0,00 63,00 -45,00 Rejillas 10 540,38 0,00 -147,56 -22,50 Cámara (B1) 11 522,45 0,00 110,00 0,00 Cámara (B2) 12 522,45 0,00 461,60 0,00 Cam-RS3 + CCD 13 522,45 0,00 625,75 0,00

5. REQUERIMIENTOS

A continuación se muestran los requerimientos generales de las IM del espectrógrafo. La función de ellos es la de marcar las directrices del diseño mecánico de las interfaces.

5.1 Funcionales

5.1.1 Propósito de las IM

Con ayuda de superficies de referencia las IM deben garantizar la posición e inclinación de cada subsistema con las tolerancias especificadas en el presupuesto de error.

5.1.2 Soporte de los subsistemas

Las IM deben soportar a cada uno de los subsistemas del espectrógrafo (véase sección 4.1) a excepción del subsistema de la estructura de soporte. Este subsistema es el que da soporte a las interfaces.

5.1.3 Fijación de las IM

Todas las interfaces deben ir atornilladas a la estructura de soporte. Los barrenos para estos tornillos no deben ser pasados a través de la estructura de soporte ya que pueden causar fugas en el sellado en el espectrógrafo.

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5.1.4 Fijación de los subsistemas a las IM

Todos los subsistemas deben ir atornilladas a su respectiva interfaz. En el caso de las IM que sirven de acople para el sellado del instrumento deben tener alojamientos para orring.

5.2 Físicos

5.2.1 Esfuerzo máximo permisible

En ninguna de las superficies de referencia o que se encuentren en contacto el esfuerzo puede ser mayor al de cedencia del material con un factor de seguridad de 4.

5.2.2 Peso

A lo largo del diseño de las IM se debe optimizar el peso para que sea el mínimo posible sin afectar su correcto funcionamiento con un factor de seguridad de 1.5.

5.2.3 Maquinado

El maquinado de las interfaces debe garantizar que no tiene uniones por soldadura ni atornilladas.

5.2.4 Material

Las IM deben ser maquinadas en Aluminio: ALUMOLD1 o equivalente (véanse las siguientes referencias de Internet 1, 2 y 3).

5.3 Forma geométrica de las interfaces mecánicas

5.3.1 Concentricidad

Para garantizar las tolerancias de concentricidad las IM el acople de los barriles de las lentes debe ser a través de superficies cilíndricas.

5.3.2 Perpendicularidad

Las IM deben tener superficies planas que limiten la posición e inclinación de los subsistemas a lo largo del eje óptico según las tolerancias especificadas por el presupuesto de errores.

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5.3.3 Componentes mecánicos de manipulación

Los subsistemas que así lo requieran deben poder ser manipulados a través de su interfaz para ensamble y desensamble. Para ello las IM deben tener componentes mecánicos anexos a las interfaces que no afecten la posición de los subsistemas y que soporten el peso de ambos (IM y subsistema).

5.4 Integración

5.4.1 Posicionado del nodo de control preliminar

Las IM deben garantizar por manufactura e integración que el nodo de control de cada subsistema se encuentra a menos de 1 mm de la posición donde debe estar cuando los subsistemas sean acoplados a la placa de referencia de la estructura de soporte.

5.4.2 Ajustes

Las IM deben contar con un sistema de ajustes mecánicos en los seis grados de libertad que permita corregir la posición de los nodos de control de los subsistemas una vez integrados. Este ajuste no debe tener una carrera mayor a 1 mm en ninguno de sus movimientos.

5.4.3 Calibración de las IM

Las IM, la estructura mecánica y los subsistemas deben ser calibrados en el laboratorio. Una vez que el instrumento satisfaga las especificaciones de ensamble, las IM deben poder ser ensambladas y desensambladas de la estructura de soporte sin necesidad de recalibrar el instrumento.

5.4.4 Calibración de los subsistemas

Los subsistemas deben poder ser ensamblados y desensamblados sin la necesidad de recalibrar. Las tolerancias de posición e inclinación del ensamble entre IM y subsistemas debe garantizarse con las tolerancias de maquinado.

5.5 Información para el presupuesto de error

Las superficies de referencia son importantes para el correcto funcionamiento del presupuesto de errores de ESOPO y por ende del instrumento. Se definen de la misma manera y con las mismas características geométricas y espaciales para las diferentes áreas de trabajo: óptica, mecánica, electrónica e ingeniería de sistemas (presupuesto de errores). Por esta razón se debe tener especial cuidado al modificar cualquier valor que defina a estas superficies. Siendo el diseño óptico y el presupuesto de errores los que definen cualquier cambio posible en las otras áreas, el caso contrario no es posible. El documento de óptica tiene los valores actualizados e incluye cualquier cambio de estas superficies de referencia.

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5.6 Ambientales

5.6.1 Condiciones de operación y límites de supervivencia

La referencia térmica será a 3˚C a una presión ambiental de 557 mmHg para todas las dimensiones y tolerancias, al menos que se especifique otra. En la tabla 1 se muestran de manera esquemática algunos valores de referencia ambientales.

Tabla 5.6.1 Condiciones de operación y límites de supervivencia

Condiciones Nominales

Limite de operación

Limite de supervivencia

Gradiente de Temperatura (°C)

No aplica -10 a 16 -16 a 34

Variaciones térmicas en una hora (°C)

0.4 1.3 10

Humedad relativa (%) 47 5 - 90 4 - 100

Presión atmosférica (mmHg)

557 548 a 567 500 a 760

Vientos (m/s) 5.3 16 18

6. ESPECIFICACIONES

6.1 Mecánicas

Los siguientes valores de tolerancias de posición, inclinación y geométricas son propuestos a partir del presupuesto de errores del instrumento. Cada uno de los valores debe ser factible de garantizar con las propuestas de diseño preliminar que se muestren en este documento. Así mismo, todos los componentes mecánicos que requieran ser fabricados deberán poder ser fabricados en las instalaciones del IA-UNAM. En ensenada?

6.1.1 Tolerancias de posición e inclinación A continuación se muestran las tolerancias de posición e inclinación por subsistema en la Tabla 6.1.11. Estos valores aplican directamente en los nodos de control y sus ejes coordenados (véase Tabla 4.3.1) una vez ensamblado el subsistema en la estructura de soporte.

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Común Común Común Azul Rojo Azul Rojo Azul Rojo Azul Rojo

∆x (mm) 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1∆y (mm) 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1∆z (mm) 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1Θx (°) 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01Θy (°) 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01Θz (°) 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01

SUBSISTEMATabla 6.1.1.1 Tolerancias de Posición e Inclinación

ToleranciaLente de Campo

Rendija y Máscaras

Dicroico Colimador Cámara Barril 1 Cámara Barril 2 Cámara Barril 3

6.1.2 Tolerancias geométricas A continuación se describen las tolerancias geométricas de las IM. Los valores que aquí se describen incluyen los procesos de fabricación y de integración.

6.1.2.1 Perpendicularidad

El valor de la perpendicularidad por fabricación entre las superficies de referencia de las IM debe ser 90° ± 0.2 mm/m.

6.1.2.2 Planitud

La planitud de las superficies de referencia (pico a valle) debe ser menor a ±0.1 mm/m.

6.1.2.3 Nodo de control

La tolerancia de posición del nodo de control por manufactura de las IM debe ser menor a ±0.02 mm en los tres ejes coordenados. En la integración y por medio de los ajustes optomecánicos se debe colocar el nodo de control con una tolerancia de ±0.02 mm con respecto al eje x y al eje z del sistema global de coordenadas. La rotación máxima permisible alrededor del eje y del sistema global de referencia es 0.011°.

6.2 Térmicas

Suponiendo las condiciones de frontera de operación y límite de supervivencia del observatorio en SPM, el espectrógrafo debe cumplir en todo este intervalo los valores asignados en la Tabla 6.1.1.1.

6.3 Desempeño

Las IM deben cumplir con las especificaciones aquí expuestas al menos por 15 años. Su mantenimiento debe ser el mínimo indispensable. Así como, una vez calibradas no deberán ser recalibradas al menos por 5 años.

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7. DISEÑO PRELIMINAR

En esta sección se describe el diseño preliminar de las Interfaces Mecánicas IM. Se incluye la descripción general y particular de la interfaz de cada subsistema. Todos los valores expuestos en los requerimientos y especificaciones de las IM son resueltos y expuestos en las siguientes secciones. Se incluyen también los cálculos analíticos y las simulaciones de elementos finitos para cada IM. Finalmente se describe la metodología de integración de las interfaces con la estructura de soporte y los subsistemas.

7.1 Descripción del diseño

7.1.1 Diseño conceptual

Las IM fueron diseñadas con dos principales criterios; la primera que todas y cada una de ellas fuera independientes de las demás, y segunda que las interfaces se acoplaran a la estructura de soporte. Para lograr tener la propuesta preliminar se analizaron diversas configuraciones geométricas presentándose en este documento las que mejores resultados dieron. Asimismo se verificaron las posibles opciones de uniones con elementos finitos para garantizar que las simulaciones sean correctas. En la Figura 7.1.1.1 se muestra el origen del sistema global de referencia.

Figura 7.1.1.1 Posición de las interfaces respecto a las componentes ópticas

con respecto al sistema global de referencia.

7.1.2 Subsistema de IM

Para lograr el ensamble que se muestra en la Figura 7.1.2.1 se incorporó el modelo tridimensional de la óptica del espectrógrafo ESOPO al modelo tridimensional CAD y posteriormente se diseñaron las IM. En función de los centros de masa de las componentes ópticas se propusieron las superficies de referencia de las IM, que posteriormente se incorporaron como referencia en el diseño óptico y en el presupuesto de errores, así todo el diseño es acoplado e integral. De esta manera fue verificada cualquier interferencia entre ellas y el camino óptico de la luz a través del instrumento.

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Figura 7.1.2.1 Interfaces mecánicas y componentes ópticas.

7.1.3 Acople con los subsistemas

Cada subsistema se acopla de manera independiente a su interfaz. A continuación se describe cada uno de los casos y se ponen notas anexas explicando sus características.

7.1.3.1 IM Rendija

- incluye sistema de ajuste

- 3 superficies de referencia exclusivamente para el centrado del subsistema

- topes mecánicos de definición

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7.1.3.2 IM lente de campo




7.1.3.3 M divisor de haz

- NO incluye sistema de ajuste, ya que el subsistema tendrá el suyo propio

- 2 superficies de referencia auxiliares

- NO tiene topes mecánicos de definición

- el diseño preliminar del subsistema aún no se culmina

7.1.3.4 IM colimadores




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7.1.3.5 IM cámaras

Para las cámaras se describen las tres IM en la misma imagen. Las interfaces con las referencias 6, 7, 11 y 12 tienen las mismas características que las de los colimadores (caso anterior).

Las interfaces 8 y 13 son diferentes ya que cuentan con 3 superficies de referencia esto debido a que se acopla una sección de la cámara y del crióstato. El detalle de esta interfaz se muestra en la siguiente Figura.

- No incluye sistema de ajuste

- Tiene alojamientos para oring en las dos superficies de referencia laterales

- Cada subsistema debe alinear su óptica independiente a la IM

- Sus dimensiones son mayores debido a que esta interfaz requiere mayor rigidez

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7.1.4 Acople con la estructura de soporte

El acople entre la placa de referencia de la estructura y las IM es a través de uniones atornilladas (véase Figura 7.1.4.1). Los tornillos van embebidos a la placa de referencia, los cuales no tienen cabeza y permiten que las interfaces se coloquen sobre estos tornillos (véase Figura 7.1.4.2). La fijación es a través de tuercas de seguridad que evitan que la IM se afloje. Para lograr que la integración produzca un ensamble optomecánico adecuado las IM no serán atornilladas hasta que la posición de cada una de ellas sea verificada y alineada con ayuda de un telescopio de alineación y de los ajustes mecánicos.

Figura 7.1.4.1 Acople entre IM y estructura de soporte

Figura 7.1.4.2 Tornillos de fijación de la placa de referencia

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7.1.5 Ajustes de integración

Las IM cuentan con un sistema de ajustes optomecánicos que permiten a los subsistemas una vez ensamblados en su interfaz tener pequeños ajustes de posición menores a 1 mm (véase Figura 7.1.5.1). La manufactura de las IM garantiza que la posición por integración de los nodos de control se encuentre a menos de 1 mm de la posición ideal. El sistema funciona con resortes de precarga que permiten ligeros movimientos sin perder contacto entre superficies. Todos los componentes que forman este sistema de ajustes son comerciales, económicos y de fácil adquisición. Los modelos tridimensionales de estos componentes fueron tomados de los catálogos de fabricantes (véase Figura 7.1.5.2).

Figura 7.1.5.1 Ajustes de integración

Figura 7.1.5.2 Tuercas y resortes de precarga y topes mecánicos.

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7.1.6 Topes mecánicos

Los topes mecánicos se ajustarán una vez que el subsistema sea calibrado con el resto del instrumento. Tienen una ranura la cual se desliza a través de un tornillo embebido a la placa de referencia. El movimiento a lo largo de esta ranura tiene las tolerancias necesarias para que se posible ajustar el contacto entre la superficie de referencia y la punta esférica definidora.

Figura 7.1.6.1 Topes mecánicos

El tornillo que se muestra en la figura tiene la función de garantizar el contacto entre la superficie de la IM y el contacto esférico.

7.1.7 Iteración con el presupuesto de errores

Las IM cumplen con su papel relevante del presupuesto de error. Esto lo logran a través de las superficies de referencia y de las tolerancias preliminares que se proponen a través de este diseño. Para más detalle consultar la REF 2.

7.2 Cálculos Mecánicos

7.2.1 Historia del Modelado FEA

Las simulaciones por elementos finitos que a continuación se presentan se hicieron para el desarrollo del diseño preliminar de las IM que aquí se presentan. Los modelos CAD fueron exportados al software ALGOR® y analizados bajo las condiciones de carga que se resumen. Nuestro principal criterio de falla no fue de esfuerzos sino de desplazamientos y rotaciones de los nodos de control. La información producida por las simulaciones se incorporó al presupuesto de errores.

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7.2.2 Nodos de control

Tal y como fue especificado el modelo FEA de las IM tiene los 13 nodos de control que definen las posiciones de los orígenes de los sistemas de coordenadas de cada subsistema (véase Figura 7.2.2.1). Las líneas verdes que se pueden observar son solamente esquemáticas.

Figura 7.2.2.1 Nodos de control del modelo FEA

Este modelo FEA fue incorporado al de la estructura y de las IM acoplados mediante elementos rígidos como se muestra en la Figura 7.2.2.2. Para mayor detalle consultar los archivos generados por las simulaciones y el documento del diseño preliminar de la estructura (REF 3). La información de los desplazamientos fue incorporada el presupuesto de errores.

Figura 7.2.2.2 Modelo FEA acoplando las IM, la estructura y los nodos de control

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7.2.3 Modelos FEA de las IM

En la siguiente Figura se muestran las condiciones de frontera generales aplicadas a las simulaciones con elementos finitos.

MATERIAL: AluMold 1 (véanse especificaciones físicas)

Figura 7.2.3.1 Imagen descriptiva y general de las condiciones de frontera utilizadas

para las simulaciones por elementos finitos de las IM

7.2.4 Deformaciones mecánicas por la gravedad

A continuación y de manera esquemática se muestran los resultados de las diferentes simulaciones. Se analizaron los casos más críticos de las IM. La optimización de las diferentes configuraciones así como el estudio detalles funcionales serán analizados en el diseño crítico. Aquí se muestra la información que permite tener certeza para continuar a la siguiente etapa de diseño.

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Caso I:

Desplazamiento total del nodo auxiliar considerando las cargas externas y el vector de gravedad en la dirección del eje y.

Caso II:

Desplazamiento total del nodo auxiliar considerando las cargas externas y el vector de gravedad en la dirección del eje z.

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Caso III:

Figura Efecto de desplazamiento del eje óptico debido al incorrecto apriete de los tornillos de fijación. La diferencia en los valores de carga es de 10 veces (no incluye gravedad).

Caso IV:

Esfuerzo máximo en las superficies esféricas de referencia bajo todas las posibles cargas.

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Caso V:

Análisis que muestra la acción de una fuerza desequilibrante de 100 N y su efecto en los desplazamientos.

7.3 Presupuesto de errores

La información de estos análisis está siendo enviada al presupuesto de errores del instrumento con el objetivo de conocer la forma y cantidad en que afectan a los requerimientos de alto nivel.

Las conclusiones preliminares de este diseño son:

1- Masa: las IM satisfacen la especificación de optimizar su peso.

2- Desplazamientos: se encuentran en el intervalo esperado.

3- Esfuerzos: están dentro de lo permisible para el material.

4- Cuenta con un sistema de ajustes que funciona y permite la calibración del espectrógrafo.

5- Todos los componentes y materiales son comerciales y son de un costo razonable.

6- El ensamble e integración son factibles.

7- Las simulaciones FEA de los desplazamientos de los nodos de control están dando resultados útiles para su evaluación en el presupuesto de error.

La conclusión general es que el diseño de las IM permitirá el correcto funcionamiento de ESOPO. Es necesario optimizar y terminar los detalles de diseño de las IM.

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8. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA

Referencias:

1- ESOPO-OP-A-DO1, Diseño Óptico, ESOPO 2007.

2- ESOPO-OP-A-PE1, Prsesupuesto de Errores, ESOPO 2007.

3- ESOPO-ME-A-DPES-1, Diseño Preliminar de la Estructura de Soporte, ESOPO 2007.

Bibliografía:

Date post:	25-Mar-2020
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Título Interfaces Mecánicas - UNAM...que coincide con el origen del sistema de coordenadas local...

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