Diseño Preliminar del subsistema Estructura

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1 Espectrógrafo óptico de mediana y baja dispersión para el Observatorio de San Pedro Mártir Fecha: 8/01/04 Código: - GP-A-FW1 No. de páginas: 44 Versión: 1 Título Diseño Preliminar del subsistema Estructura INSTITUTO DE ASTRONOMÍA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

2 CÓDIGO: -GP-A-FW1 Control del documento Preparado por Revisado por Aprobado por Alejandro Farah Project Manager Autorizado por Rafael Costero Investigador Principal Juan Echevarria Responsable del Proyecto PÁGINA: 2 DE 44

3 CÓDIGO: -GP-A-FW1 Registro de cambios (A) Número Fecha Sección Página Descripción del cambio PÁGINA: 3 DE 44

4 CÓDIGO: -GP-A-FW1 Documentos referenciados Nº 1 Titulo y autores Requerimientos de alto nivel Jesús Gonzáles, Juan Echevarria, Rafael Costero 2 Código -CI-AREAN1 Publicado Especificaciones de la Estructura del -ME-A-ES Gerardo Sierra 3 Requerimientos Mecánicos Gerardo Sierra, Maria Pedrayes 4 Análisis preliminar de la estructura del -ME-AREM ME-ES Gerardo Sierra, Osvaldo de la Cruz 5 Análisis de la Estructura del -ME-A-ES Gerardo Sierra, Isaías Salazar 6 Análisis de la estructura mecánica para espectrógrafo Isaías Salazar López Memoria de residencia profesional para obtener el titulo de Ingeniero electromecánico PÁGINA: 4 DE 44

5 CÓDIGO: -GP-A-FW1 Lista de abreviaciones Espectrógrafo óptico de mediana y baja dispersión para el Observatorio de San Pedro Mártir PÁGINA: 5 DE 44

6 CÓDIGO: -GP-A-FW1 ÍNDICE 1. RESUMEN INTRODUCCIÓN DEFINICIONES BÁSICAS Interfaz Mecánica Envolvente Mecánica Sistema de Coordenadas Global Sistema de Coordenadas Local Nodos de control Traslaciones Rotaciones El subsistema estructura Elementos estructurales EL SUBSISTEMA ESTRUCTURA DEL SISTEMAS DE COORDENADAS GLOBALES PARA LA ESTRUCTURA DEL Sistemas de coordenadas y superficie de referencia de la estructura Lugar de instalación de la estructura del REQUERIMIENTOS Y ESPECIFICACIONES DEL SUBSISTEMA ESTRUCTURA DEL REQUERIMIENTOS DE LA ESTRUCTURA DEL REQUERIMIENTOS FUNCIONALES DE LA ESTRUCTURA DEL Acceso al interior del instrumento Estandarización de la tornillería de la estructura del Disipación de calor del la estructura del Aislamiento térmico Limpieza de la estructura del Embalaje REQUERIMIENTOS FÍSICOS DE LA ESTRUCTURA DEL Materiales estructurales Condiciones de materiales Terminaciones de las superficies Dimensiones generales de la estructura...16 PÁGINA: 6 DE 44

7 CÓDIGO: -GP-A-FW Centro de masa Peso y momento máximos REQUERIMIENTOS DE INTEGRACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL Interfaz con los subsistemas REQUERIMIENTOS AMBIENTALES DE LA ESTRUCTURA DEL Condiciones de operación y límites de supervivencia del instrumento ESPECIFICACIONES DE LA ESTRUCTURA DEL ESPECIFICACIONES MECÁNICAS DE LA ESTRUCTURA DEL Flexiones gravitatorias y térmicas Especificaciones geométricas Especificaciones de maquinado Especificaciones de manufactura de la estructura del Especificaciones de montaje de la estructura del ESPECIFICACIONES DE DESEMPEÑO Las frecuencias naturales de la estructura del Estabilidad espectral Requerimiento de confiabilidad de la estructura del El tiempo de vida de la estructura Tiempo medio entre fallas y de reparación de la estructura DISEÑO PRELIMINAR METODOLOGÍA DEL DISEÑO DEL SUBSISTEMA ESTRUCTURA DESARROLLO DEL DISEÑO A) GENERACIÓN, ANÁLISIS Y EVALUACIÓN DE LOS DISEÑOS CONCEPTUALES. (PRIMERA ETAPA DE DISEÑO) B) LA OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO CONCEPTUAL SELECCIONADO. (SEGUNDA ETAPA DE DISEÑO) C) EMPIEZA EL DESARROLLO DEL PRESUPUESTO DE ERROR Y ANÁLISIS DE SENSIBILIDADES Y LA (TERCERA ETAPA DE DISEÑO) INTERACCIÓN CON LOS DATOS DEL MODELO DE LA ESTRUCTURA 9. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL DISEÑO PRELIMINAR DE LA ESTRUCTURA DEL EL MODELO ASISTIDO POR COMPUTADORA Y LOS ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS SISTEMA Y ORIGEN DEL SISTEMA DE COORDENADA CONSIDERACIONES GENERALES EL MODELO EN CAD 3D EL MODELO MALLADO PARA EL ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS PÁGINA: 7 DE 44

8 CÓDIGO: -GP-A-FW1 11. CARACTERÍSTICAS DEL SUBSISTEMA ESTRUCTURA DEL CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES DE LA ESTRUCTURA DEL Acceso al interior del instrumento Estandarización de la tornillería de la estructura del Disipación de calor del la estructura del Aislamiento térmico CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA ESTRUCTURA DEL Materiales estructurales Condiciones de materiales Dimensiones generales de la estructura Centro de masa Peso y momento CARACTERÍSTICAS DE INTEGRACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL Interfaz con los subsistemas CARACTERÍSTICAS AMBIENTALES DE LA ESTRUCTURA DEL PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA ESTRUCTURA DEL Flexiones gravitatorias y térmicas Propiedades geométricas Propiedades de maquinado Propiedades de manufactura de la estructura del Propiedades de montaje de la estructura del ESPECIFICACIONES DE DESEMPEÑO Las frecuencias naturales de la estructura del Estabilidad espectral Requerimiento de confiabilidad de la estructura del El tiempo de vida de la estructura Tiempo medio entre fallas y de reparación de la estructura CONCLUSIONES PÁGINA: 8 DE 44

9 CÓDIGO: -GP-A-FW1 1.RESUMEN Se ha diseñado y analizado por elementos finitos, un modelo para la estructura del proyecto (Espectrógrafo óptico de mediana y baja dispersión para el Observatorio de San Pedro Mártir) que cumple con los requerimientos de alto nivel del mismo. A continuación se incluyen las especificaciones y requerimientos del Subsistema de la estructura para el espectrógrafo. Se resume el diseño preliminar de la misma que será presentado en la revisión del proyecto, ante el comité científico y técnico del mismo en el mes de febrero de 2007, así como una descripción del modelo de elementos finitos. También, se presentan los últimos resultados introducidos en el presupuesto de errores. 2.INTRODUCCIÓN. es un proyecto del Instituto de Astronomía que a través de su Consejo Interno y después de una licitación interna, determinó otorgar al grupo de, con el propósito de diseñar y construir un espectrógrafo de dos brazos, según la recomendación de los árbitros externos, para su uso en el telescopio de 2.1 m del Observatorio Astronómico Nacional (OAN). Este será el primero en su tipo construido en México. El proyecto cuenta con un comité científico y otro técnico, externo al proyecto, para asegurar su éxito. El propósito científico del proyecto es contar con un espectrógrafo moderno y propio que permita realizar proyectos astronómicos que cubran simultáneamente el intervalo espectral Ǻ a una resolución espectral 500 < R 5000 en el OAN. En suma, un espectrógrafo de propósito general que debe por lo menos cumplir con una capacidad equivalente al actual espectrógrafo B&Ch. Debe encaminarse especialmente hacia mejor resolución espectral, mejor cubrimiento espectral, mejor cubrimiento de campo y eficiencia substancialmente superior. El modelo preliminar del subsistema estructura del fue simulado y estudiado en condiciones de trabajo por medio de análisis de elementos finitos. El análisis por elementos finitos nos permite conocer aproximadamente, y previo a la fabricación de la estructura, las deformaciones que van a presentarse. Gracias a estos valores de desplazamientos y rotaciones, junto con el uso de software óptico y el presupuesto de error, tenemos la posibilidad de preveer posibles errores de diseño que hagan que el espectrógrafo no funcione correctamente. También de revisa su factibilidad de manufactura y el cumplimiento de los requerimientos del proyecto PÁGINA: 9 DE 44

10 CÓDIGO: -GP-A-FW1 3.DEFINICIONES BÁSICAS 3.1.1Interfaz Mecánica Conexión física y funcional entre dos aparatos o sistemas independientes. Generalmente se refiere a superficies de referencias donde unen dos subsistemas o el instrumento al telescopio. Referencias físicas de algunos de los componentes mecánicos que conforman los diferentes subsistemas Envolvente Mecánica Es el espacio físico máximo que un subsistema puede ocupar. Existe la posibilidad de que una o más envolventes tengan interferencia entre ellas, siempre y cuando no existan interferencias físicas reales de los componentes de cada subsistema Sistema de Coordenadas Global Se refiere al sistema de coordenadas de todo el instrumento. 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 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 Nodos de control Estos nodos se encuentran ubicados en varias posiciones para cada subsistema como lo es; Las intersecciones de los planos de las interfaces mecánicas de cada subsistema y el eje óptico o en el centro de la superficie óptica o en un punto medio entre los planos de las superficies ópticas del subsistema y el eje óptico del instrumento. Para el subsistema estructura existe 13 nodos de control. Gracias a estos nodos vamos a conocer las traslaciones y rotaciones. PÁGINA: 10 DE 44

11 CÓDIGO: -GP-A-FW Traslaciones Desplazamientos de los nodos de control, que calcula el Análisis por Elementos Finitos al ser sometido un subsistema a diferentes condiciones de frontera Rotaciones Rotaciones de los nodos de control con referencia a los ejes coordenados globales, trasladándolos sin rotar al punto de control, que calcula el Análisis por Elementos Finitos al ser sometido un subsistema a diferentes condiciones de frontera El subsistema estructura Se entiende como estructura, al soporte rígido que mantendrá fijo todos los elementos ópticos y los subsistemas mecánicos y electrónicos Elementos estructurales Cada una de los componentes en una estructura formada por piezas. PÁGINA: 11 DE 44

12 CÓDIGO: -GP-A-FW1 4.EL SUBSISTEMA ESTRUCTURA DEL El subsistema de la estructura del es un arreglo de elementos estructurales tipo placa unidos entre si para sostener todos los dispositivos del instrumento. Dentro de estos elementos estructurales uno de ellos funciona como interfaz con la platina del telescopio y otro como mesa óptica para sostener todos los componentes ópticos y sus subsistemas. Los demás elementos estructurales sirven de refuerzos de la misma en la figura 1 representa unas vistas del diseño preliminar del subsistema estructura del. Figura 1. Vistas del diseño preliminar del subsistema estructura del. A la Izquierda destapado y a la derecha la estructura completa. 4.1Sistemas de coordenadas globales para la estructura del El punto cero de referencia de las coordenadas globales de se define como el centro del campo focal del telescopio (centro de la rendija del espectrógrafo). El punto origen del sistema de coordenadas se localiza físicamente en el centro de la rendija, este punto se localiza 270 mm debajo del plano interfaz del instrumento con la platina giratoria del telescopio, (que es el plano superior del instrumento) y al centro de circunferencia de la platina giratoria (que debe ser el centro del campo del telescopio). Las coordenadas positivas del eje Z seguirán el trayecto del camino óptico. El eje X coincidirá con el largo de la rendija. El eje Y será paralelo al ancho de la misma. Quedando el sentido de X positivo en dirección de lo largo de la rendija hacia el brazo rojo, el de Y positivo queda a lo ancho de la rendija hacia la placa fija vertical que es la mesa óptica, y Z positivo queda en dirección del haz de luz del telescopio. Véase figura 2. PÁGINA: 12 DE 44

13 CÓDIGO: -GP-A-FW1 Figura 2. Tres vistas ortogonales que muestran el origen del sistema de coordenadas del que se localiza 270 mm debajo de la interfaz del instrumento con la platina giratoria y al centro de la circunferencia de esta última. En cada vista la dirección del sistema de coordenadas se muestra abajo a la izquierda Sistemas de coordenadas y superficie de referencia de la estructura. El centro de coordenadas local de la estructura del se define en la intersección de un plano paralelo al plano superior de la platina del instrumento y el eje óptico del instrumento. Este punto origen de la coordenada local coincide con el de la coordenada global, Véase figura 2. Se localiza a una distancia respecto al plano superior de la platina del instrumento de 0.27 m (270.0 mm) en dirección al instrumento. Este punto coincide con el centro de la entrada del haz de luz del telescopio al instrumento, esto es el centro del hoyo de la placa platina del instrumento pero desplazado 0.27 m. Véase figura Lugar de instalación de la estructura del. El instrumento se instalará en el foco cassegrain del telescopio de 2.1 m de SPM. Se colocará en la interfaz de la platina giratoria del mismo. PÁGINA: 13 DE 44

14 CÓDIGO: -GP-A-FW1 5.REQUERIMIENTOS Y ESPECIFICACIONES DEL SUBSISTEMA ESTRUCTURA DEL 5.1Requerimientos de la estructura del Se entiende por requerimientos, el exigir el cumplimiento de algo, con autoridad o fuerza para obligar a hacerlo. Los requerimientos del subsistema de estructura del se dividen en 4 tipos; Funcionales, Físicos, Integración y Ambientales 5.2Requerimientos Funcionales de la estructura del Esopo Acceso al interior del instrumento Las cubiertas de la estructura del instrumento podrán retirarse fácilmente para el mantenimiento, la calibración y sustitución de las componentes que lo requieran. La estructura dejará accesibilidad para poder medir y verificar las referencias así mismo la posición de los subsistemas. Estos accesos permitirán los ajustes de compensación Estandarización de la tornillería de la estructura del. Los tornillos a usarse y las roscas internas del la estructura seguirán los estándares ANSI serie métricos (ANSI/ASME B18.3.1M-1986) en la medida de lo posible se usará tornillería de acero inoxidable para mejorar la resistencia a la corrosión del a estructura Disipación de calor del la estructura del. La disipación de calor en el interior del instrumento deberá de ser mínima. La estructura permitirá que las componentes de mayor disipación se conecten térmicamente a las partes externas del instrumento. Además los paneles externos tendrán la capacidad de instalarles un mecanismo de extracción de calor de ser necesario. PÁGINA: 14 DE 44

15 CÓDIGO: -GP-A-FW Aislamiento térmico. El diseño de la estructura tendrá en cuenta que el sistema estará sellado y contendrá gas inerte a presión de 1 atmósfera ± 0.15 atmósferas Limpieza de la estructura del La estructura deberá estar perfectamente limpia antes de ser empacado y al ser instalado en el telescopio Embalaje Por motivos de trasporte, el embalaje de la estructura del no tendrá que ser mayor a 1.5x2.5 m y una altura de 2.0 m. 5.3Requerimientos Físicos de la estructura del Materiales estructurales La elección del material es importante. El material deberá ser tal que cumpla con los requerimientos y especificaciones ópticos. El material propuesto para los elementos estructurales principales del subsistema estructura del son placas de aluminio. El material del resto de la estructura serán acero inoxidable o aluminio. En las interfaces entre la estructura y el resto de los subsistemas se usará aluminio, acero inoxidable o bronce, además de materiales específicos para alcanzar las especificaciones ópticas Condiciones de materiales Todos los materiales que se usarán en la estructura del instrumento serán de la mejor calidad. Los materiales serán de proveedores con calidad comprobada. Todos los materiales que lo requieran tendrán su certificado de análisis de calidad y de inspección bajo las normas que lo rijan Terminaciones de las superficies. Todas las partes de la estructura que estén expuestas al camino óptico tendrán un acabado de baja reflectividad. La parte exterior tendrá un acabado de alta reflectividad para disminuir el gradiente térmico sobre el instrumento, en la medida de lo posible. PÁGINA: 15 DE 44

16 CÓDIGO: -GP-A-FW Dimensiones generales de la estructura Las dimensiones generales de la estructura no pasarán de un cilindro que tenga un diámetro de 1.75 m y una altura máxima de 1.6 m siendo estas su envolvente Centro de masa El centro de masa tendrá que localizarse lo más cerca posible de la platina y del eje óptico del telescopio Peso y momento máximos El peso del instrumento será a los más 220 Kg. de los cuales a lo mas 160 Kg. representarán a la estructura. El momento que producirá el instrumento al telescopio será a los más 165 Kg.-m. de los cuales a lo mas 90 Kg-m son de la estructura. 5.4Requerimientos de integración de la estructura del Interfaz con los subsistemas. La estructura del dará la rigidez necesaria a los subsistemas del instrumento. El subsistema estructura del ESPO tendrá al menos 2 superficies de interfaz. La primera es la superficie superior de la platina del instrumento, que será la interfaz del instrumento con la platina del guiado. La segunda es una superficie de referencia donde se localizará los topes mecánicos de referencias. Esta superficie será una superficie interna de una placa, sobre la cual descansarán los topes mecánicos. Estos topes determinarán la localización de interfaz del subsistema estructura con el resto de los subsistemas. Las interfaces de la estructura tendrán que admitir la interfaz de cada subsistema que cargará, sin conflictos de interferencia entre ellos ni con el haz de luz del instrumento. 5.5Requerimientos ambientales de la estructura del Condiciones de operación y límites de supervivencia del instrumento La referencia térmica será a 3 C 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. PÁGINA: 16 DE 44

17 CÓDIGO: -GP-A-FW1 Condiciones Nominales Limite de operación Limite de supervivencia Variaciones térmicas en 15 minutos Variaciones térmicas en un a hora Variaciones térmicas en 2 horas Humedad relativa 47% 5%-90% 4%-100% Presión atmosférica 557 mmhg. 548 a 567 mmhg. 500 a 760 mmhg. Vientos 5.3 m/s 16 m/s 18 m/s Tabla 1 Condiciones de operación y límites de supervivencia del instrumento, véase referencia (3) (4). Optimización a T=3 C y P= 557 mmhg. Mínimo intervalo de operación: -10 C a 16 C en temperatura y 548 a 567 mmhg. en presión. Mínimo intervalo de supervivencia: de -16 C a 34 C en temperatura, y de 500 a 760 mmhg. en presión. 5.6Especificaciones de la estructura del Se entiende como especificaciones el fijar o determinar de modo preciso. Las especificaciones del subsistema de estructura del se dividen en 3 tipos; Mecánicas, térmicas y de desempeño. PÁGINA: 17 DE 44

18 CÓDIGO: -GP-A-FW1 5.7Especificaciones mecánicas de la estructura del Flexiones gravitatorias y térmicas. Los valores de las tolerancias iniciales del presupuesto de error en flexiones y rotaciones de los puntos de control para cada subsistema, excluyendo su flexión local, se presenta en la siguiente tabla 2. Actuando el vector gravedad en la dirección Z positivo, esto simuló el telescopio viendo al cenit, y se consideraron las masas de los elementos ópticos y mecánicos de cada subsistema. Tabla 2. Los valores de las tolerancias iniciales del presupuesto de error en flexiones y rotaciones de los puntos de control para cada subsistema del instrumento cuando la gravedad actúa en el eje Z del sistema de coordenadas global definido anteriormente, -Datos obtenidos del presupuesto de errores Especificaciones geométricas Especificaciones de maquinado. El subsistema estructura se compondrá de elementos estructurales tipo placas. Estos elementos estructurales se pueden dividir en; principales y de refuerzos. Los primeros son los más importantes para el funcionamiento del instrumento y los segundos refuerzan la estabilidad de los primeros. Los elementos estructurales principales son las placas interfaz del instrumento y mesa óptica. En la figura 3 se presenta un bosquejo del subsistema estructura del, donde se indica la posición de estas placas y se muestra un detalle de las mismas con sus dimensiones generales. Las tolerancias iniciales del PÁGINA: 18 DE 44

19 CÓDIGO: -GP-A-FW1 presupuesto de errores del en maquinado para las dos placas se presentan en las tablas 3 y 4. Figura 3. Bosquejo de la estructura del. Presentado posición y detalles de los principales elementos estructurales, las placas interfaz del instrumento y mesa óptica Tabla 3. Tolerancias iniciales del presupuesto de errores de maquinado para la placa interfaz del instrumento.- Datos obtenidos del presupuesto de errores. Tabla 4. Tolerancias iniciales del presupuesto de errores de maquinado para la placa mesa óptica.- Datos obtenidos del presupuesto de errores PÁGINA: 19 DE 44

20 CÓDIGO: -GP-A-FW Especificaciones de manufactura de la estructura del. Las tolerancias iniciales de del presupuesto de errores del para la manufactura del subsistema estructura se dividen en dos; uno para la placa interfaz del instrumento, véase tabla 5, y el otro para la mesa óptica, véase tabla 6. Estas tolerancias se refieren al subsistema ya ensamblado y semi-rectificado. Hay que recordar que las interfaces de los subsistemas tendrán ajuste. Tabla 5. Tolerancias iniciales del presupuesto de errores en desplazamiento y rotaciones al ser ensamblado a la estructura la placa interfaz del instrumento. Los datos se aplican al origen del instrumento -Datos obtenidos del presupuesto de errores. Tabla 6. Tolerancias iniciales del presupuesto de errores de ensamble en desplazamiento y rotación al montar la interfaz para cada subsistema sobre la placa mesa óptica. Los datos se refieren al punto de control de cada subsistema -Datos obtenidos del presupuesto de errores PÁGINA: 20 DE 44

21 CÓDIGO: -GP-A-FW Especificaciones de montaje de la estructura del. Las tolerancias iniciales del presupuesto de error en el montaje de la placa interfaz del instrumento sobre la platina giratoria del telescopio de 2.1 m en San Pedro Mártir, se muestran en la tabla 7. Estas tolerancias se refieren a la instalación del instrumento sobre el telescopio. Por esto, las tolerancias están relacionadas con la platina giratoria del telescopio (interfaz de instalación del telescopio) y la placa platina del telescopio (interfaz de instalación del instrumento con el telescopio). Las tolerancias iniciales del presupuesto de error en el montaje de la placa mesa óptica sobre la placa interfaz del instrumento, se muestran en la tabla 8. Tabla 7. Tolerancias iniciales del presupuesto de errores de ensamble o instalación de la estructura del para la placa interfaz del instrumento sobre la platina del telescopio. Tabla 8. Tolerancias iniciales del presupuesto de errores de ensamble para la placa mesa óptica sobre placa interfaz del instrumento 5.8Especificaciones de desempeño 5.8.1Las frecuencias naturales de la estructura del Las frecuencias naturales del instrumento serán mayores a 15 Hz Estabilidad espectral La imagen sobre el detector no deberá de moverse más de 14.55x10-6 m (14.55 micras) en cualquier dirección durante una exposición en cualquier posición del instrumento, dentro de 15º de ángulo cenital, por efecto de la estructura. PÁGINA: 21 DE 44

22 CÓDIGO: -GP-A-FW Requerimiento de confiabilidad de la estructura del El tiempo de vida de la estructura La estructura deberá permanecer en servicio por lo menos 10 años Tiempo medio entre fallas y de reparación de la estructura. Fallas menores: Las fallas menores son aquella donde es posible perder una noche de observación, y el personal de mantenimiento del OAN lo pueden resolver. El tiempo medio entre fallas será de 1 cada 90 noches. El tiempo medio de reparación será 2 horas en la noche ó 4 horas en el día. Fallas mayores: Las fallas mayores son aquella donde es posible perder más de una noche de observación, y se requiere de personal especializado. El tiempo medio entre fallas será de 1 cada 240 noches. El tiempo medio de reparación será 1 noche o más. PÁGINA: 22 DE 44

23 CÓDIGO: -GP-A-FW1 6.DISEÑO PRELIMINAR El diseño de la estructura del tiene que soporta rígidamente todos los elementos ópticos del instrumento con el fin de que la posición de la imagen en los detectores no se desplace a causa de flexiones en la estructura por efectos gravitacionales o térmicos durante la observación de un objeto astronómico. Los valores de estos desplazamientos, incluyendo los locales, son tales que durante una exposición de 0.5 horas la estabilidad no debe degradarse más de 2.5%. Además, las calibraciones relativas al principio y final de la noche (en resolución y dispersión espectral, escala espacial y respuesta a lo largo de la rendija y de longitud de onda), deben ser aplicables a los datos de esa noche (en su forma relativa, no así absoluta o punto cero) con una confiabilidad mejor al 10% (meta 5%) dados los cambios por temperatura (+/-6 C), flexiones u otras derivas. Estos requerimientos se pueden medir gracias al Presupuesto de Errores del. El cual por medio del programa computacional Zemax y un programa desarrollado por el grupo de puede simular el desplazamiento de la imagen sobre los CCDs. El instrumento operará en el foco cassegrain del telescopio de 2.1 m de San Pedro Mártir. Se colocará por debajo del guiador sobre la platina giratoria del telescopio. Siendo la superficie inferior de esta última la superficie de interfaz del telecopio con el instrumento. La platina giratoria acopla el espectrógrafo directamente al telescopio, permitiendo que gire alrededor de su eje óptico. Esto se traduce en un cambio efectivo de la dirección de la rendija de observación respecto a la bóveda celeste y para el instrumento se traduce en el cambio de dirección del vector gravedad cuando este en operación. PÁGINA: 23 DE 44

24 CÓDIGO: -GP-A-FW1 7.METODOLOGÍA DEL DISEÑO DEL SUBSISTEMA ESTRUCTURA La siguiente lista es un bosquejo básico de los pasos que se siguieron y los que se darán para obtener los diseños; conceptual, preliminar y eventualmente el crítico de la estructura, divididos en dos etapas: o Primera etapa.- Antecedentes - Revisión de los requerimientos de alto nivel del Instrumento, véase referencia 1. - Generación de los documentos del proyecto, véase referencia 1,2 y 3, y la revisión por parte del comité científico de los mismos para un mejor entendimiento del proyecto. o Segunda etapa.- El proceso del diseño de la estructura. - Generación, análisis, y evaluación por elementos finitos, de varios modelos de diseños conceptuales de la estructura. Posteriormente, la selección del modelo conceptual con mejor respuesta a los parámetros de menores; rotaciones y desplazamientos de los puntos de control y peso, véase referencia 4, primera etapa de diseño. - Optimización del modelo seleccionado por medio de análisis de elementos finitos y sus iteraciones para mejorar su desempeño y el cumplimiento de los requerimientos del proyecto antes de contar con la herramienta de Presupuesto de Errores, véase referencia 5, segunda etapa de diseño. - Empieza el desarrollo de la herramienta Presupuesto de Errores y Análisis de Sensibilidades y la interacción con los datos del modelo optimizado de la estructura del paso anterior. Posteriormente, se verificó el modelo por elementos finitos con el presupuesto de errores para pasar del modelo conceptual optimizado al diseño preliminar que será presentado en la revisión del diseño preliminar del, tercera etapa de diseño, este es el estado actual de diseño de la estructura del proyecto. - Subsiguientemente, partiendo de este último diseño preliminar, los nuevos resultados que se vayan obteniendo del Presupuesto de Errores, y de los comentarios de los comités científico y técnico en la revisión preliminar del proyecto, se realizará la integración de todos los subsistemas al presupuesto de errores para ver el desempeño de instrumento. Los resultados de este análisis se utilizarán para realizar ajustes a los subsistemas para cumplir satisfactoria y holgadamente todas las especificaciones del. Con estos ajustes al subsistema de la estructura se obtendrá el diseño crítico y final de la misma, que será presentado en la revisión critica del proyecto con fecha sin confirmar. Con ello, se podrán elaborar los planos de manufactura y de ensamble finales de la estructura, cuarta etapa de diseño. PÁGINA: 24 DE 44

25 CÓDIGO: -GP-A-FW1 8.DESARROLLO DEL DISEÑO Se detalla el proceso de diseño de la estructura, siguiendo la metodología presentada en este mismo escrito, desde su etapa conceptual hasta el diseño preliminar que es su estado actual. Como antecedentes; Se revisaron los requerimientos de alto nivel, véase referencia 1. Se generaron los documentos de especificaciones del diseño mecánicos y especificaciones de la estructura del, véase referencia 1,2 y 3. Revisándose en varias ocasiones por parte del comité científico del mismo para un mejor entendimiento del proyecto. 8.1a) Generación, análisis y evaluación de los diseños conceptuales. (Primera etapa de diseño) Se realizaron una serie de bosquejos de diseños conceptuales buscando cumplir con los requerimientos de la estructura del que emanan de la interpretación de los requerimientos de alto nivel, véase referencia 1,2 y 3, que nos ayudaron a elegir el diseño preliminar. A cada uno de los diseños conceptuales se le construyó un modelo en elementos finitos a los que se le varió la dirección de la gravedad en tres orientaciones para simular tres posiciones extremas del instrumento, siendo estas las siguientes: Cuando el instrumento está en dirección al cenit. Cuando el instrumento está girado 90 grados con respecto al eje Y. Y cuando el instrumento está girado 90 grados con respecto al eje X, estas dos últimas orientaciones tomando como referencia la dirección de los ejes. En la figura 4 hay un ejemplo. Figura 4 Representación gráfica de los giros simulados a los modelos de las estructura conceptuales. En estas tres simulaciones se colocaron nodos de control en el lugar donde se localiza cada uno de los subsistemas ópticos del instrumento. Para simular la masa de los subsistemas del espectrógrafo se usaron objetos ficticios llamados dummy, a los cuales se le calculó el volumen y su peso para que simularan los PÁGINA: 25 DE 44

26 CÓDIGO: -GP-A-FW1 subsistemas y afectaran a la estructura en sus análisis de efectos gravitacionales. Esto se realiza ya que en esta etapa del proyecto no se contaba con diseños conceptuales de los otros subsistemas del espectrógrafo. Los datos obtenidos en estos análisis de rotaciones y desplazamientos en cada uno de los puntos de control para cada dirección de la gravedad simulada, así como su peso, se introdujeron a unas matrices para comparar los resultados entre los diferentes diseños conceptuales. Y Considerando los requerimientos presentados anteriormente en este escrito se tomó como criterio de evaluación, el minimizar tanto el peso de la estructura como los desplazamientos y rotaciones de los subsistemas del instrumento por efectos térmicos y gravitacionales. Se tomaron estos parámetros de evaluación dado que en esta etapa del desarrollo del diseño de la estructura no se contaba con la herramienta de Presupuesto de Errores del instrumento. El tipo de análisis realizados fue de esfuerzos estáticos con materiales isotrópico en su rango lineal y con diferencias térmicas de 6 ºC. En la figura 5 se presentan resultados gráficos de los análisis por elementos finitos de los diseños conceptuales generados para su evaluación, bajo los criterios ya mencionados. La estructura presentada con el No. 9 en esta figura es la que mejor respuesta presentó, véase referencia 4, por lo que esta es el diseño conceptual que se tomo para optimizarlo. En esta etapa del diseño es donde se definió la configuración general de la estructura. Esta es una estructura tipo caja rectangular con refuerzos internos. El modelo consta de una placa que actúa como brida en su parte superior que se ensambla con la platina giratoria del telescopio, y perpendiculares a la misma hay dos placas paralelas entre sí. Estas últimas están reforzadas por unas placas internas que las unen formando una caja alta y delgada. PÁGINA: 26 DE 44

27 CÓDIGO: -GP-A-FW1 Figura 5. Algunos diseños conceptuales que fueron analizados y evaluados con un criterio de mínima deformación y rotaciones de los subsistemas por efectos gravitatorios y menor peso total. La mejor opción es la que se presenta con el numero b) La optimización del diseño conceptual seleccionado. (Segunda etapa de diseño) Una vez seleccionado el diseño conceptual de la estructura, véase referencia 5, se empezó con la optimización de dicha configuración. El proceso de optimización de esta estructura fue un proceso iterativo, en el cual se realizaron análisis de elementos finitos. En esta etapa se variaron los parámetros físicos de las componentes mecánicas del modelo de la estructura, como son; espesores, cedulas, posiciones, materiales de los componentes, así como agregar, quitar o modificar componentes que reforzaran la estructura, siempre respetando la configuración seleccionada en el diseño conceptual. Así se seleccionó partiendo del diseño conceptual el diseño preliminar de la estructura. 8.3c) Empieza el desarrollo del Presupuesto de Error y Análisis de Sensibilidades y la interacción con los datos del modelo de la estructura (Tercera etapa de diseño) PÁGINA: 27 DE 44

28 CÓDIGO: -GP-A-FW1 El diseño de la estructura del proyecto se encuentra en esta etapa al momento del presente escrito, véase figura 6. Actualmente, al modelo del diseño preliminar se le han realizado una serie de análisis por medio de elementos finitos, estos análisis fueron pedidos por el diseñador del presupuesto de errores del. Los análisis fueron realizados por medio de simulaciones al modelo mecánico de la estructura. Estas simulaciones consisten en cambiar el vector gravedad, y con ello poder simular diferentes posiciones del instrumento sobre el telescopio. Los cambios del vector gravedad se realizaron variando cada 30 en declinación en un intervalo de a y cada 2 horas en ascensión recta en un intervalo de -6 horas hasta 6 horas. Para visualizar mejor las direcciones de la gravedad en cada simulación véase la tabla 9. El telescopio de 2 metros se localiza en las siguientes coordenadas; Longitud= Oeste, Latitud= Norte, Altitud=2,830 metros. Durante el proceso de diseño de la estructura el diseño óptico del instrumento ha sufrido pequeños ajustes, por lo que el modelo de la estructura se ha ajustado a estos cambios. Tabla 9. Presentación en tablas del los cambios del vector gravedad que se realizaron para las simulaciones pedidas por el diseñador del presupuesto de errores del. Variando cada 30 en declinación con un intervalo de a y cada 2 horas en ascensión recta con un intervalo de -6 horas hasta 6 horas. Los resultados de los 29 análisis están siendo introducidos al presupuesto de error. Los resultados que a la fecha han sido metidos al presupuesto de errores son los que representan el telescopio viendo al cenit. PÁGINA: 28 DE 44

29 9.DESCRIPCIÓN GENERAL ESTRUCTURA DEL DEL DISEÑO CÓDIGO: -GP-A-FW1 PRELIMINAR DE LA Se entiende como estructura, al soporte rígido que mantendrá fijo todos los elementos ópticos y los subsistemas mecánicos y electrónicos. Esta es optimizada en su peso, en su primer frecuencia natural de vibración, en las deformaciones que presente por efectos de gravedad y térmicos, además de minimizar el desbalanceo del telescopio. También, los elementos estructurales no interfieren con el camino óptico del instrumento ni con el buen funcionamiento de los subsistemas mecánicos y electrónicos. El diseño conceptual de la estructura del se basa en elementos estructurales tipos placas para hacer rígido al instrumento. Esta consta en su parte superior de una platina del instrumento de una placa que une al con la platina giratoria del telescopio. De la placa anterior se soporte una placa que hace la fusión de mesa óptica, ya que soporta todas las interfaces de los subsistemas. Estas dos placas son los componentes estructurales principales, a la primera la llamaremos platina del instrumento y a la segunda le llamaremos, mesa óptica. Por lo anterior la platina del instrumento tiene las tolerancias estrechas en sus dimensiones y características superficiales como los son; la plenitud de la superficie superior e inferior, paralelismo y un control del espesor. Además de requerimientos de estrechos de ensamblaje como lo son; concentricidad montaje a platina e inclinación montaje a platina. Para facilitar el entendimiento del diseño preliminar de la estructura mecánica del espectrógrafo se presentan dos vistas, del mismo, en la figura 2. Mostrando los dos principales elementos estructurales del subsistema, los elementos ópticos, caminos ópticos, dimensiones generales, así como las interfaces de los subsistemas que sostiene. También, muestra la platina giratoria que es el lugar donde se ensambla el instrumento al telescopio, el haz de luz proveniente del telescopio que se divide en dos, en el subsistema divisor de haz, en brazo azul y brazo rojo. Los haces de luz pasan por diferentes componentes ópticos hasta llegar a cada detector de luz. Cada componente representa un subsistema dentro del instrumento, que son los puntos a los que se tratan de dar rigidez y de donde se obtiene la información para alimentar el Presupuesto de Errores y el Análisis de Sensibilidad y con ello iterar para optimizar el modelo. Para seleccionar la estructura que cumpla con los requerimientos del. Se realizarán análisis en elementos finitos de las propuestas, para comparar los resultados de los parámetros a ser evaluados y tener evidencias de cual estructura es la óptima. PÁGINA: 29 DE 44

30 CÓDIGO: -GP-A-FW1 Figura 6. Vistas ortogonales del diseño preliminar de la estructura con dimensiones generales. PÁGINA: 30 DE 44

31 CÓDIGO: -GP-A-FW1 10.EL MODELO ASISTIDO POR COMPUTADORA Y LOS ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS. Se uso un solo modelo de diseño asistido por computadora en tres dimensiones (CAD 3-D, por sus siglas en ingles), al cual se le vario la dirección de la gravedad dependiendo de la posición que se analizaba, véase tabla 9. Este modelo esta realizado en el soft ware de CAD de Solid Works versión Office Premium 2006 que es compatible con el soft ware ALGOR versión que es nuestra plataforma para los análisis de elementos finitos. 10.1Sistema y origen del sistema de coordenada El punto origen del sistema de coordenadas se localiza en el centro de la rendija, este punto se localiza 270 mm debajo del plano interfaz del instrumento con la platina giratoria del telescopio, al centro de circunferencia de la platina giratoria. Este mismo punto es el punto origen para el modelo en CAD y para los modelos de análisis de elementos finitos. La dirección del sistema de coordenadas se muestra en la figura 7, por medio de los iconos que se localizan al pie de cada vista ortogonal. Quedando X positivo en dirección de lo largo de la rendija hacia el brazo rojo, Y positivo queda a lo ancho de la rendija hacia la placa fija vertical, y Z positivo queda en dirección del haz de luz PÁGINA: 31 DE 44

32 CÓDIGO: -GP-A-FW1 Figura 7. Tres vista ortogonales que muestran el origen del sistema de coordenadas del que se localiza 270 mm debajo de la interfaz del instrumento con la platina giratoria y al centro de la circunferencia de esta ultima. Cada vista la dirección del sistema de coordenadas abajo a su izquierda. 10.2Consideraciones generales El tipo de análisis realizado en las simulaciones por elementos finitos de la estructura son esfuerzos estáticos en su parte lineal. Los pesos de los subsistemas que carga la estructura están simulados por cargas iguales a su peso en magnitud en el centro de masa da cada subsistema y con la misma dirección y sentido que la fuerza de gravedad. La estructura del estará construida por un solo tipo de material, para facilitar el ensamble soldado donde sea necesario. El material elegido es aluminio 6061-T6 las propiedades mecánica de este material se muestran en la tabla 10. Las cargas están unidas a la estructura por medio de unas vigas al igual que los nodos de control. Las propiedades mecánicas del material de las vigas se muestran en la tabla 11. El valor de la aceleración de la gravedad es de m/s2 PÁGINA: 32 DE 44

33 CÓDIGO: -GP-A-FW1 Propiedades mecánicas del aluminio 6061-T6 (Algor Material Library) Densidad de masa kg/m³ Módulo de elasticidad E+010 N/m² Coeficiente de Poisson 0.33 Módulo elástico a cortante E+010 N/m² Coeficiente de dilatación térmica E-005 1/ C Tabla 10. Propiedades mecánicas del material del la estructura y de las interfaces del. Propiedades mecánicas de las barras ficticias (Simuladas) Densidad de masa kg/m³ Módulo de elasticidad E+010 N/m² Coeficiente de Poisson 0.33 Coeficiente de dilatación térmica / C Tabla 11. Propiedades mecánicas del material del la vigas que unen los nodos de control y/o las fuerzas que simulan los pesos de los subsistemas del. 10.3El Modelo en CAD 3D El modelo CAD está compuesto por 25 piezas que representan a los subsistemas estructura e interfaz. Para cada subsistema del existe una interfaz, donde se montará el subsistema correspondiente. En la figura 8 se muestra la estructura del abierta para mostrar las interfaces, algunos elementos ópticos, los nombres de los subsistemas así como las dimensiones generales. PÁGINA: 33 DE 44

34 CÓDIGO: -GP-A-FW1 Figura 8. Estructura del abierta para mostrar las interfaces y el lugar de los subsistemas (izquierda). Dimensiones generales (derecha). 10.4El modelo mallado para el análisis de elementos finitos. El modelo de mallado para el análisis de elementos finitos consta de 27 elementos de los cuales 26 representan componentes de los subsistemas estructura e interfaz, y uno de ellos representa un grupo de vigas ficticias que unen las interfaz con los pesos muertos de los subsistemas y con los puntos de control. El modelo tiene 71,095 nodos y el programa resolvió 209,687 ecuaciones. Los pesos de los subsistemas del que afectan la rigidez de la estructura son simulados por medio de fuerzas aplicadas en el lugar donde afectan con la misma dirección y sentido de la gravedad. Los resultados de los desplazamientos y las rotaciones de cada subsistema lo tomamos de los nodos de control. Estos nodos de control están localizados estratégicamente, ya se en la superficie reflectora o en el centro de masa esperado del subsistema, para PÁGINA: 34 DE 44

35 CÓDIGO: -GP-A-FW1 que su valor sea representativo para el presupuesto de error del. En la tabla 12 se muestra en las coordenadas absolutas de los puntos de control y el valor total del peso muerto que se estimó para cada subsistema. En la figura 9 se muestra tres vistas ortogonales y una en perspectiva del modelo mallado, donde se visualiza las vigas ficticias y las cargas que simulan el peso muerto de los subsistemas, además de las interfaces. La dirección de la cargas y de la gravedad son paralelas y en el mismo sentido, para la figura 9 se está simulando que el telescopio esta apuntando al cenit, es por esto tenemos fuerzas verticales y la gravedad esta en dirección de Z. Las condiciones de frontera que se usaron son las siguientes; Todos los nodos de la superficie del espectrógrafo que hace contacto con la platina giratoria del instrumento se restringieron en traslación en Z, dejando libres las traslaciones en X y Y y las rotaciones en X, Y y Z. Sobre la misma placa superior, los nodos que están alrededor de los hoyos de los tornillos de sujeción del instrumento se fijaron totalmente. Tabla 12. El número del nodo de control del modelo mallado para análisis finitos con sus coordenadas absolutas y el valor total del peso muerto que se estimó para cada subsistema. PÁGINA: 35 DE 44

36 CÓDIGO: -GP-A-FW1 Figura 9. Tres vistas ortogonales del modelo mallado para el análisis de elementos finitos. Las flechas de color oscuro representan los pesos de los subsistemas. En la parte superior de espectrógrafo se muestran las condiciones de frontera. PÁGINA: 36 DE 44

37 CÓDIGO: -GP-A-FW1 11.CARACTERÍSTICAS DEL SUBSISTEMA ESTRUCTURA DEL 11.1Características funcionales de la estructura del Acceso al interior del instrumento La cubierta de la estructura es fácil de retirar para realizar labores de mantenimiento, calibración y sustitución de las componentes que lo requieran. Esto se logra retirado la placa paralela a la placa mesa óptica en la figura 8 se puede visualizar lo anterior Estandarización de la tornillería de la estructura del. Los tornillos y las roscas internas con los que se diseño la estructura cumplen los estándares ANSI serie métricos (ANSI/ASME B18.3.1M-1986) Disipación de calor del la estructura del. La disipación de calor en el interior del instrumento es mínima. La estructura permite que las componentes de mayor disipación se conecten térmicamente a las partes externas del instrumento Aislamiento térmico. El diseño de la estructura tiene en cuenta que el sistema es sellado y contiene gas inerte a presión de 1 atmósfera ± 0.15 atmósferas. 11.2Características Físicas de la estructura del Materiales estructurales El material propuesto toda la estructura es aluminio 2024-T4 o 6061-T561 ya que son materiales comerciales y son de propiedades mecánicas muy similares. Y como se comprobó por medio de los análisis de elementos finitos y se verificó por medio del presupuesto de errores, cualquiera de estos aluminios cumple con los requerimientos físicos. PÁGINA: 37 DE 44

38 CÓDIGO: -GP-A-FW Condiciones de materiales En el condado de San Diego existen proveedores que tienen la capacidad de surtir en tiempo y forma además de entregar por escrito el comprobante de inspección y las especificaciones de los materiales que se compren Dimensiones generales de la estructura Las dimensiones generales de la estructura son m X 1.501m X 0.896m. Las cuales están dentro de la envolvente que se tiene para la misma Centro de masa El centro de masa del subsistema estructura se localiza en las coordenadas que se presenta en la tabla 13, tomando el sistema de coordenadas globales como referencia. En la figura 10 se presenta una comparación del centro de masa de la estructura con respecto al origen del sistema global. Tabla 13. Coordenadas del centro de masa de la estructura, referidas a las coordenadas globales en metros. Tabla 10. Coordenadas del centro de masa de la estructura, punto claro, referidas al origen de las coordenadas globales, punto oscuro. PÁGINA: 38 DE 44

39 CÓDIGO: -GP-A-FW Peso y momento El modelo preliminar presenta un peso de 1, newton, en la tabla 14 se muestra el peso en newton y en Kilogramos fuerza. El momento que ejerce la estructura sobre el telescopio es de N-m ó Kg-m Tabla 14. Peso de la estructura del. 11.3Características de integración de la estructura del Interfaz con los subsistemas. La estructura cuenta con una interfaz que embona perfectamente en la platina giratoria del telescopio. Además cuenta con una superficie de referencia donde dará soporte a los demás subsistemas del instrumento. 11.4Características ambientales de la estructura del. La referencia térmica de los análisis térmicos es 3 C para todas las dimensiones y tolerancias, al menos que se especifique otra. La estructura preliminar funciona perfectamente en los intervalos de operación de temperatura y presión. Así mismo los de supervivencia. 11.5Propiedades mecánicas de la estructura del Flexiones gravitatorias y térmicas. Los valores de flexiones y rotaciones de los puntos de control para cada subsistema, excluyendo su flexión local, se presenta en la tabla 15 y 16 respectivamente. El vector gravedad en la dirección +Z, esto simula el telescopio viendo al cenit, considerando las masas de los elementos ópticos y mecánicos de cada subsistema. Estos valores ya fueron introducido al presupuesto de errores demostrando que se comporta mejor de lo esperado la estructura, para esa orientación. PÁGINA: 39 DE 44

40 CÓDIGO: -GP-A-FW1 Desplazamiento [metros] Subsistema Rendija Lente de campo Divisor de haz Colimador Azul Rejilla Azul Cámara Azul B1 Cámara Azul B2 CCD Azul Colimador Rojo Rejilla Rojo Cámara Rojo B1 Cámara Rojo B2 CCD Rojo Unidades= m # de nodo ΔXg E-08 ΔYg E-07 ΔZg E-07 Total E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-06 Tabla 15. Se muestran resultados del análisis por elementos finitos a la estructura preliminar. Mostrando los desplazamientos totales y sus componentes en cada eje coordenado (X,Y y Z) de los puntos de control. PÁGINA: 40 DE 44