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. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 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.