Presentación de PowerPoint

EL BANCO ÓPTICO DE EMIR: DEL PAPEL A LA REALIDAD
Tenegi F., Sánchez V., Garzón F., Patrón J.
El presente póster trata de mostrar el proceso integral de diseño y fabricación del Banco Óptico del instrumento EMIR. Partiendo de las
especificaciones hasta llegar a tener la estructura finalizada y montada en el instrumento. La información contenida describe las diferentes etapas
seguidas, sin entrar en excesivo detalle por tratarse de un desarrollo complejo y extenso. El elemento clave es el cumplimiento de los requerimientos y
especificaciones exigidos al Banco Óptico, a fin de lograr unas prestaciones adecuadas del mismo, siendo la herramienta básica de comparación y
validación los movimientos de imagen en el detector. El elemento diferenciador en la fabricación de la estructura es el empleo del proceso de soldadura
por haz de electrones (EBW) a fin de minimizar las distorsiones térmicas.
EL PROCESO DE PREDICCIÓN DE FLEXIONES
PUNTO
Escala de placa del telescopio
REQUERIMIENTO
1,2133 arcsec/mm
Escala de imagen
Campo de visión
0,2 arcsec/píxel
WFIM 6  6 arcmin
MSSM 6  4 arcmin
R  4000 para las bandas J, H y K
0,6 arcsec (proyectado a 3 FPA píxeles)
37,89 mm  37,89 mm
0,90 a 2,50 m
Relación focal de imagen
Colimador EFL
Cámara EFL
Diámetro de la apertura fría
Factor de magnificación de imagen
~ 1,91
1756 mm
191 mm
100 mm
8,9
Contribución de la
estructura al movimiento
relativo de la imagen de la
rendija sobre el detector
Primera frecuencia propia
Temperatura de trabajo
Gradientes de temperatura
en el Banco Óptico
Image Movement
Requirement
Deformación térmica: 1,5
Uncorrected Field Errors
Structure
Modules
Elastic
Valor del
requerimiento
Prestación
Cumplimiento
2,5 m
2,5 m
C
> 20 Hz
77 K
85,80 Hz
77 K
C
C
5 K
3,8 K
C
El proceso de predicción de flexiones consta de tres etapas: 1)
cálculo de requerimientos de estabilidad de imagen, 2) cálculo del
presupuesto de error y 3) bucle de diseño. Los requerimientos de
estabilidad de imagen implican la tolerancia de movimiento de la
imagen en el detector, y se obtienen traduciendo los
requerimientos de alto nivel del instrumento en requerimientos
para la óptica, y finalmente en especificaciones mecánicas para la
estructura en consideración. La asignación de tolerancias a los
distintos elementos del sistema se realiza mediante un presupuesto
de error, que contempla la contribución al movimiento de imagen
de los términos presentados en la imagen correspondiente. El
bucle de diseño requiere de una estrecha colaboración entre las
ingenierías óptica y mecánica, y los pasos que comprende se
pueden observar en el diagrama de flujos a la izquierda.
Máximo movimiento permitido de la imagen en
5,5
modo espectroscópico
Movimiento debido a la estructura
Deformación elástica: 4,0
Compensator Errors
Histéresis: 0,2
18,5 mm cuadrado
Hawaii-II FPA with 2048  2048 pixels
Área del detector
Rango de longitudes de onda
Especificación
Valor (m)
Elastic
Calibration
Errors
Resolution
Errors
Accuracy Errors
Hysteresis
Hysteresis
Backlash
Repeatability
Errors
Componentes del presupuesto de error
TOTAL: 4,27
0,8
Movimiento debido a la máscara por precisión y
repetibilidad de posicionado de la rendija en el
plano focal
Movimiento debido a 1ª lente colimador por
holgura mecánica en el interfaz
Movimiento debido a 2ª lente colimador por
holgura mecánica en el interfaz
Movimiento debido a 3ª lente colimador y
periscopio por holgura mecánica en el interfaz
Movimiento debido a la rueda de grismas por
precisión y repetibilidad del mecanismo de
selección de grismas
Movimiento debido al barril de la cámara por
holgura mecánica en el interfaz
Movimiento debido al detector por precisión y
repetibilidad del mecanismo de compensación (ver
siguiente apartado: bucle de diseño)
TOTAL (suma cuadrática de todos los términos)
2,0
0,8
0,8
0,8
2,0
0,8
5,43
El presupuesto de error de EMIR
Requerimientos ópticos y especificaciones del BO de EMIR
Análisis de
sensibilidades
Campo= 4.2672, -6.7672arcmin X= (5.5712, -5.5719) Y= (8.9981, -8.9983)
10
4
8
6
Modelo FEA
Desp. y giros absolutos
de elementos ópticos
• Predicción de flexiones basada en el MEF
 MEF respondan rápidamente a cambios datos de entrada
 Magnitudes de interés (ui , fi)
 Subsistemas no agregan rigidez a la estructura
 Unión viga-placa mediante acoplamientos
 Cálculos preliminares analíticos
• Post procesado de resultados en desplazamientos
 Resultados MEF → ui componentes ópticos
 Componente → masa en su CDG → vínculo
(antes/después) → (ui , i) CDG → correcciones centro
óptico → Resultados en el centro óptico (RCO)
Aspectos relevantes del proceso
Modelo Optico
Curvas de variación del
requerimiento en función de
los ángulos de posición
Análisis de resultados
Definición de criterios
de optimización
estructural
Definición de
compensadores
Curvas de movimiento de
elementos en función de
los ángulos de posición
3
4
5
2
0
-2
-4
2
6
-6
-8
1
-10
-6
-4
-2
0
2
Desplazamiento X (micras)
4
6
Bucle de diseño
Campo= -4.267, 1.7668arcmin X= (0.6102, -0.6095) Y= (0.3748, -0.4015)
0.4
3
0.3
4
Desplazamiento Y (micras)
• Instrumentación astronómica  fuertes restricciones a desplazamientos
• Estabilidad de imagen → diseño estructural
• Predicción de estabilidad de imagen
 MEF (estructura, cargas)  (ui , i) inducidos estructura
 Modelo óptico (ui , i)  Mov. de imagen en el detector
• Predicción de flexiones
 Requerimientos de estabilidad de imagen
 Presupuesto de error
 Bucle de diseño
Desplazamiento Y (micras)
Resolución (R=/)
Ancho de rendija(a la resolución
requerida)
Tamaño de píxel
Array del detector
PUNTO
0.2
2
0.1
0
-0.1
5
-0.2
1
-0.3
-0.4
-0.5
-0.8
6
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
Desplazamiento X (micras)
0.4
0.6
0.8
Movimiento de imagen en el
detector (sin y con compensador)
A partir de un modelo de elementos finitos se calculan los
desplazamientos y giros de los componentes ópticos, que
requieren de un post-procesado mecánico y un posterior postprocesado óptico para obtener las gráficas de movimiento de
imagen en el detector. Estos resultados se comparan con la
especificación, estableciéndose en este punto la necesidad o no de
compensadores, así como la de realimentar el bucle o no para
optimizar la estructura.
Paralelamente, y en base a la experiencia con instrumentos
anteriores, se fija un factor de seguridad que trata de minimizar la
incertidumbre existente entre los resultados derivados del modelo
y el comportamiento real del instrumento.
Factor de seguridad
ANÁLISIS REALIZADOS AL BANCO ÓPTICO DE EMIR
El Banco Óptico de EMIR consiste en una estructura con forma de H
mecano-soldada en aleación de aluminio 6082-T6, empleando soldadura por
haz de electrones a fin de minimizar las distorsiones térmicas durante el
proceso de manufactura. Y a la que se le realizaron diversos tratamientos
térmicos con el fin de mejorar su comportamiento, como fueron una
relajación de tensiones y un ciclado criogénico. Tiene unas dimensiones
aproximadas de 1320 x 1320 x 1320 mm, y con un peso de unos 600 Kg.
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RESULT_EMIR_masa_partida = VÁLIDO.
RESULT_EMIR_PE_m100 = VÁLIDO.
RESULT_EMIR_PE_m250 = VÁLIDO.
RESULT_EMIR_PE_m500 = NO VÁLIDO.
RESULT_EMIR_PE_UP_m100 = VÁLIDO.
RESULT_EMIR_PE_UP_m250 = NO VÁLIDO.
RESULT_EMIR_PE_UP_m500 = NO VÁLIDO.
RESULT_EMIR_CSU_m100 = VÁLIDO.
RESULT_EMIR_CSU_m250 = NO VÁLIDO.
RESULT_EMIR_CSU_m500 = NO VÁLIDO.
RESULT_EMIR_CSU_UP_m100 = VÁLIDO (EN EL
LÍMITE).
RESULT_EMIR_CSU_UP_m250 = NO VÁLIDO.
RESULT_EMIR_CSU_UP_m500 = NO VÁLIDO.
RESULT_EMIR_CSU_UP_m1000 = NO VÁLIDO.
Tras un largo proceso de optimización mecánica de la estructura, al modelo
finalmente fabricado se le realizaron los siguientes análisis: modelo
estructural estático, frecuencias propias, modelo termo-elástico acoplado,
modelo global de la mecánica, análisis de sensibilidad del movimiento de
imagen a variaciones del centro de gravedad del conjunto banco óptico +
opto-mecánica, así como un modelo para analizar las hipótesis de
manipulación del mismo. Todos los modelos cumplen especificaciones.
FABRICACIÓN DEL BANCO ÓPTICO Y ESTADO ACTUAL
La fabricación de la estructura fue subcontratada,
encargando un estudio de viabilidad de la
manufactura que incluía ensayos con probetas para
garantizar las prestaciones tras la soldadura por haz
de electrones. Las imágenes de la izquierda muestran
diversas de las etapas durante el proceso de
conformación del banco: placas individuales, detalles
de las soldaduras, mecanizado de taladros, proceso
metrológico para validación de cotas y tolerancias,
banco óptico montado sobre su utillaje de
manipulación, así como el banco óptico integrado
sobre el instrumento EMIR, en una etapa parcial de
integración del instrumento para realizar pruebas.
Actualmente en Banco Óptico se encuentra integrado
dentro del criostato de EMIR, con la casi totalidad de
la opto-mecánica montada sobre él, y dando unas
prestaciones satisfactorias. Los planes de pruebas
incluirán la validación del movimiento de imagen
sobre el detector.