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Patent Searching and Data


Title:
DEVICE FOR ACTUATING ELEMENTS IN ULTRA-HIGH VACUUM ENVIRONMENTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/059274
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention comprises motor means (2) and transmission means (6, 10, 11) associated with said motor means (2). The transmission means comprise rotating shaft means (6) and cam means (10, 11) associated with said rotating shaft means (6), said cam means (10, 11) being arranged so as to come into contact with an actuating surface (16a) that is independent in relation to said device (1).

Inventors:
COLLDELRAM PEROLIU CARLES (ES)
NICOLAS ROMAN JOSEP (ES)
NIKITINA LIUDMILA (ES)
Application Number:
PCT/ES2015/070710
Publication Date:
April 21, 2016
Filing Date:
September 30, 2015
Export Citation:
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Assignee:
CONSORCI PER A LA CONSTRUCCIÓ EQUIPAMENT I EXPLOTACIÓ DEL LAB DE LLUM DE SINCROTRÓ (ES)
International Classes:
F16H25/16; G02B7/00; H02K7/075; H05H13/04; H05H15/00
Foreign References:
US3973444A1976-08-10
EP0570152A21993-11-18
US7129460B12006-10-31
Attorney, Agent or Firm:
COCA TORRENS, Manuela (ES)
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Claims:
REIVINDICACIONES

1 . Dispositivo (1 ) de accionamiento de elementos (13) en entornos de ultra alto vacío que comprende medios (2) de motor y medios (6, 10, 1 1 ) de transmisión asociados a dichos medios (2) de motor, caracterizado por el hecho de que los medios de transmisión comprenden medios (6) de árbol giratorio y medios (10, 1 1 ) de leva asociados a dichos medios (6) de árbol giratorio, estando dispuestos dichos medios (10, 1 1 ) de leva para contactar con una superficie (16a) de accionamiento independiente con respecto a dicho dispositivo (1 ).

2. Dispositivo (1 ) según la reivindicación 1 , caracterizado por el hecho de que los medios (10, 1 1 ) de leva comprenden un tramo excéntrico (10) de los medios (6) de árbol que está desplazado radialmente con respecto al eje (G) de giro longitudinal de los medios (6) de árbol y una rueda (1 1 ) que gira alrededor de dicho tramo excéntrico (10) y dispuesta para contactar con la superficie (16a) de accionamiento.

3. Dispositivo (1 ) según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por el hecho de que los medios (6) de árbol comprenden un árbol (6) alineado en la dirección longitudinal de un eje (5) de salida de los medios (2) de motor.

4. Dispositivo (1 ) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que comprende al menos dos puntos (8) de apoyo que incluyen rodamientos (9) para soportar con capacidad de giro los medios (6) de árbol.

5. Dispositivo (1 ) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que los medios (2) de motor comprenden un motor (2) paso a paso.

Description:
DESCRIPCION

Titulo.

Dispositivo de accionamiento de elementos en entornos de ultra alto vacío. Objeto de la invención.

La presente invención se refiere a un dispositivo de accionamiento de elementos en entornos de ultra alto vacío (Ultra-High Vacuum (UHV) en inglés). Antecedentes de la invención.

La necesidad de mover, inclinar o variar la posición de elementos dispuestos en entornos de ultra alto vacío, por ejemplo, en aceleradores de partículas, hace necesario el uso de dispositivos de accionamiento para tal función capaces de trabajar en este entorno y no empeorar la calidad del mismo.

Los entornos de ultra alto vacío hacen que la lubricación de las piezas de estos dispositivos sea muy difícil, ya que la humedad ambiente es inexistente y existen muy pocos lubricantes para trabajar en estas condiciones. Las piezas que trabajan en este tipo de entorno deben ser fabricadas ex profeso y estar hechas de materiales especiales que permiten su funcionamiento prácticamente sin necesidad de lubricación.

Además, en entornos de ultra alto vacío, es necesario realizar un calentamiento de las piezas entre 80 y 300 grados centígrados durante varias semanas mientras se bombean los gases todavía presentes en el entorno. Esto permite que el nivel de vacío sea mucho mejor a temperatura ambiente. A este proceso se le denomina horneado (bake-out). Por otro lado, el entorno de ultra alto vacío comprende normalmente unas cámaras aisladas con respecto al entorno exterior mediante juntas especiales de vacío que se deforman plásticamente, de modo que estas cámaras son difíciles de abrir y cerrar. Debido a la larga duración de este proceso y a las dificultades técnicas que conlleva, es necesario que el mantenimiento de los dispositivos en estos entornos se reduzca al mínimo o se elimine, ya que cada intervención de mantenimiento debe realizarse fuera del entorno de ultra alto vacío e implica tener que repetir el proceso descrito previamente.

En la actualidad, uno de los dispositivos de accionamiento utilizados conocidos comprende un mecanismo de husillo que gira mediante un motor paso a paso y que desplaza longitudinalmente una tuerca que se mueve por enroscamiento a lo largo del husillo. La tuerca está asociada a un punto de apoyo, que consiste normalmente en una bola que contacta con una superficie de accionamiento.

La disposición directa de este tipo de mecanismo en un entorno de ultra alto vacío no es posible, ya que no está diseñado para soportar las condiciones de falta de lubricación presentes en estos entornos. La elevada fricción presente entre el husillo y la tuerca hace necesaria una lubricación que es incompatible con este tipo de entorno. Por lo tanto, es necesario encapsular el mecanismo en aire para aislarlo del entorno de ultra alto vacío y permitir su funcionamiento en condiciones normales y con la lubricación necesaria. Este encapsulado implica una mayor complejidad, voluminosidad y coste del sistema.

Por otra parte, se ha comprobado que este tipo de mecanismo presenta varios problemas a lo largo de su vida útil. Además del problema de la necesidad de encapsulamiento para poder funcionar en entornos de ultra alto vacío y de las elevadas fricciones entre el husillo y la tuerca, el mecanismo tiende a calentarse demasiado, puede presentar demasiado juego y también se producen fricciones entre la bola y la superficie de accionamiento.

Estas fricciones, además del reducido diámetro del husillo debido a la falta de espacio en estos entornos, pueden provocar el fallo del mecanismo por rotura o mal funcionamiento, siendo la reparación de estas averías costosa y complicada y estando limitado el uso de este tipo de mecanismo a cargas reducidas. Finalmente, el dispositivo de accionamiento descrito no puede funcionar de manera continua y prolongada, ya que las fricciones y los aumentos de temperatura en el mecanismo hacen necesario realizar periodos de descanso como mínimo de 3 minutos por cada minuto de funcionamiento.

Sería deseable un dispositivo para mover elementos en entornos de ultra alto vacío que no necesita ser encapsulado para funcionar en entornos de ultra alto vacío, que es más robusto, que presenta menos rozamientos y menos juegos entre sus componentes y que, por lo tanto, no requiere de mantenimiento ni lubricación, tiene una vida útil mucho más prolongada y permite accionar los elementos correspondientes de manera más fiable y precisa y con la presencia de cargas mucho más grandes.

Descripción de la invención.

El objetivo de la presente invención es solventar los inconvenientes que presentan los dispositivos conocidos en la técnica, proporcionando un dispositivo de accionamiento de elementos en entornos de ultra alto vacío que comprende medios de motor y medios de transmisión asociados a dichos medios de motor, caracterizado por el hecho de que los medios de transmisión comprenden medios de árbol giratorio y medios de leva asociados a dichos medios de árbol giratorio, estando dispuestos dichos medios de leva para contactar con una superficie de accionamiento independiente con respecto a dicho dispositivo. Preferiblemente, los medios de leva comprenden un tramo excéntrico de los medios de árbol que está desplazado radialmente con respecto al eje de giro longitudinal de los medios de árbol y una rueda que gira alrededor de dicho tramo excéntrico y dispuesta para contactar con la superficie de accionamiento. El dispositivo de la presente invención permite accionar un elemento en un entorno de ultra alto vacío (entornos con presiones inferiores a aproximadamente 10 "9 mbar) mediante el giro de un árbol y de un elemento de leva asociado a dicho árbol. Es decir, todos los componentes móviles del mecanismo del dispositivo de la presente invención se mueven de manera giratoria entre sí y no existe ningún movimiento relativo lineal entre dichos componentes. Esto permite reducir fricciones entre los componentes, ya que es posible disponer rodamientos entre los mismos. Además, el elemento de leva ocupa poco espacio en comparación con los mecanismos de desplazamiento lineal usados en la técnica anterior.

Por otra parte, el hecho de utilizar una rueda como elemento de leva permite prácticamente eliminar los rozamientos entre el dispositivo y la superficie de accionamiento ya que el contacto entre la rueda y la superficie de accionamiento es un contacto por rodadura.

La superficie de accionamiento puede formar parte de un elemento fijo, en cuyo caso el dispositivo estará montado en un elemento a accionar, o puede formar parte del elemento a accionar, en cuyo caso el dispositivo estará montado en el elemento fijo.

También preferiblemente, los medios de árbol comprenden un árbol alineado en la dirección longitudinal de un eje de salida de los medios de motor. Ventajosamente, el dispositivo comprende al menos dos puntos de apoyo que incluyen rodamientos para soportar con capacidad de giro los medios de árbol.

El árbol queda montado y apoyado para girar de manera sólida, ocupando el mínimo espacio y pudiendo soportar cargas considerables aplicadas en la rueda gracias a los puntos de apoyo con rodamientos.

Preferiblemente, los medios de motor comprenden un motor paso a paso.

El motor paso a paso permite realizar giros precisos de manera controlada, de modo que hace posible el giro del árbol del dispositivo hasta una posición determinada y precisa que se corresponderá con una posición determinada y precisa del elemento a accionar a través del elemento de leva. Además, el motor paso a paso está diseñado de modo que, cuando se produce una ausencia de potencia eléctrica, el mismo mantiene siempre su posición de forma estable en cualquier condición de carga inferior a la máxima admisible.

Descripción de las figuras.

Con el fin de facilitar la descripción de cuanto se ha expuesto anteriormente se adjuntan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización del dispositivo de la invención, en los cuales: la figura 1 es una vista en perspectiva del dispositivo de accionamiento de la presente invención; las figuras 2a y 2b son vistas en sección longitudinal del dispositivo de la figura 1 , que muestran el dispositivo en dos posiciones de funcionamiento diferentes; la figura 3 es una vista en perspectiva del dispositivo de accionamiento de la presente invención montado en un elemento a accionar correspondiente en un entorno de ultra alto vacío; las figuras 4a y 4b son dos vistas laterales, en sección parcial, del dispositivo de la presente invención y de parte del elemento a accionar de la figura 3, que muestran dos posiciones diferentes del dispositivo y del elemento a accionar que se corresponden con las posiciones mostradas en las figuras 2a y 2b, respectivamente.

Descripción de una realización preferida.

En la figura 1 se muestra una vista general en perspectiva del dispositivo 1 de accionamiento de la presente invención. El dispositivo 1 comprende un motor 2 eléctrico de tipo paso a paso fijado mediante un soporte 3 a una base 4. El motor 2 tiene un eje giratorio 5 de salida en uno de sus extremos, al que está acoplado un árbol giratorio 6 (ver también figuras 2a y 2b). El árbol 6 está dispuesto de forma sustancialmente alineada con el eje 5 de salida del motor 2. El árbol 6 está conectado al eje 5 mediante un conector 7, de modo que el giro del eje 5 de salida del motor 2 hace girar el árbol 6 alrededor de su eje G de giro longitudinal de manera correspondiente.

A efectos de absorber los efectos provocados por una posible desalineación o desplazamiento entre los ejes de giro del eje 5 de salida del motor 2 y del árbol 6, el conector 7 es del tipo que comprende elementos elásticos que permiten absorber las diferencias de posición angular, radial o axial entre el eje 5 y el árbol 6 a efectos de obtener un giro del árbol 6 sin vibraciones ni movimientos no deseados. Las características del conector 7 no se explicarán de forma más detallada por ser el funcionamiento de este tipo de elemento ampliamente conocido en la técnica.

El árbol 6 está soportado por dos puntos 8 de apoyo en la base 4. Cada punto 8 de apoyo comprende un cuerpo unido por su parte inferior a la base 4 y que tiene un alojamiento o hueco central de forma cilindrica diseñado para alojar al menos un rodamiento 9 en su interior. En la realización descrita, uno de los puntos 8 de apoyo (el situado más a la izquierda en las figuras 2a y 2b) está diseñado para alojar dos rodamientos 9 de bolas y el otro punto 8 de apoyo está diseñado para alojar un único rodamiento 9 de bolas.

De este modo, el árbol 6 queda dispuesto atravesando el hueco central de cada punto 8 de apoyo y soportado en dichos puntos 8 de apoyo a través los rodamientos 9, con su eje G de giro longitudinal alineado con el eje de giro de los rodamientos 9. Por lo tanto, el árbol 6 puede girar alrededor de su eje G de giro longitudinal con respecto a los puntos 8 de apoyo con un rozamiento mínimo.

El árbol 6 tiene un tramo 10 que tiene un diámetro superior al del resto del árbol 6 y que está desplazado radialmente una distancia D con respecto al eje G de giro longitudinal del árbol 6. Es decir, el tramo 10 es excéntrico con respecto al eje G de giro del árbol 6, de manera que cuando el árbol 6 gira el eje E central longitudinal de dicho tramo 10 gira alrededor del eje G de giro longitudinal del árbol 6 siguiendo un círculo de radio D alrededor del mismo. Alrededor del tramo 10 está montada una rueda 1 1 que está soportada en el tramo 10 por unos rodamientos 12 de bolas. Los rodamientos 12 permiten que la rueda 1 1 gire libremente alrededor del tramo 10 con un rozamiento mínimo. Por lo tanto, al girar el árbol 6, la rueda 1 1 girará alrededor del eje G de giro siguiendo un círculo con un radio D y podrá rotar libremente alrededor del eje E central longitudinal del tramo 10 gracias a los rodamientos 12.

Tal como se explicará a continuación, la rueda 1 1 tiene la función de contactar con una superficie de accionamiento asociada a un elemento determinado, de modo que el movimiento de la rueda 1 1 provocará el movimiento del dispositivo 1 con respecto a dicho elemento o el movimiento de dicho elemento con respecto al dispositivo 1 . Por este motivo, la rueda 1 1 presenta un perfil exterior convexo de forma curvada que permite conseguir un punto de contacto claro y preciso entre la superficie de la rueda 1 1 y la superficie de accionamiento.

En la figura 3 puede observarse el dispositivo 1 de accionamiento de la presente invención montado en un elemento 13 que será accionado por el dispositivo 1 . En este caso, el elemento consiste en una plataforma 13 para un espejo utilizado en un acelerador de partículas.

La plataforma 13 es una placa que comprende un estrechamiento flexible 13a en uno de sus extremos, teniendo dicho estrechamiento flexible 13a la función de permitir la articulación de la plataforma 13 alrededor del mismo. La plataforma 13 está fijada a una bancada 14 junto a dicha articulación flexible 13a. El extremo opuesto 13b de la plataforma puede bascular con respecto a la bancada 14 gracias a la articulación flexible 13a, de modo que su distancia a la bancada 14 puede variar.

Tal como se ha mencionado anteriormente, el dispositivo 1 de accionamiento de la presente invención está montado en el extremo 13b, con su base 4 fijada a la cara superior de la plataforma 13 mediante unos tornillos 4a.

En una posición que se corresponde con la posición del dispositivo 1 (ver detalle A de la figura 3 y figuras 4a y 4b) la bancada 14 comprende una protuberancia 16 que tiene una superficie 16a extrema de accionamiento y que se extiende en la dirección del dispositivo 1 . La plataforma 13 comprende un paso 15a que está alineado con un paso 15b de la base 4. La protuberancia 16 puede extenderse a través de dichos pasos 15a y 15b para contactar con su superficie 16a de accionamiento con la rueda 1 1 , que también queda dispuesta parcialmente en el interior del paso 15b.

Tal como puede observarse claramente en la figura 3 y especialmente en el detalle A de la figura 3, unos muelles 17 unidos por un extremo a la plataforma 13 y unidos por su otro extremo a la bancada 14 desvían el extremo 13b de la plataforma 13 en el que está montado el dispositivo 1 y, por lo tanto, el propio dispositivo 1 , hacia la bancada 14, haciendo bascular la estructura en sentido anti horario en la figura 3.

Gracias a esta desviación, la superficie exterior de la rueda 1 1 es empujada contra la superficie 16a de accionamiento de la protuberancia 16, de modo que ambas superficies siempre están en contacto y nunca se separan. El punto de contacto entre la rueda 1 1 y la superficie 16a de accionamiento es el único punto de apoyo entre el dispositivo 1 y la bancada 14 y, por lo tanto, el único punto de apoyo entre el extremo 13b de la plataforma 13 y la bancada 14.

Haciendo referencia nuevamente a las figuras 2a y 2b, cuando el motor 2 gira y hace girar el árbol 6, el tramo 10 gira alrededor del eje G de giro del árbol de manera excéntrica, lo que hace que la rueda 1 1 también gire de manera excéntrica con respecto al eje G de giro. En consecuencia, dependiendo de la posición de giro del árbol 6, el eje E de rotación de la rueda 1 1 estará situado más o menos alejado de la base 4 y del paso 15b, siendo la distancia entre la posición más alejada y más cercana de la rueda 1 1 con respecto a la base 4 igual a 2xD.

Haciendo referencia a las figuras 2a y 4a, el dispositivo 1 de accionamiento se encuentra en un estado en el que el motor 2 ha girado el árbol 6 de modo que el eje E de rotación de la rueda 1 1 está en una primera posición de máximo alejamiento con respecto a la base 4 y al paso 15b. Debido a que el punto de contacto entre la rueda 1 1 y la superficie 16a de accionamiento es el único punto de apoyo entre el dispositivo 1 y la bancada 14, la plataforma 13 unida al dispositivo 1 queda situada en una primera posición extrema en la que la distancia a la bancada 14 es la mínima posible (figura 4a).

Haciendo referencia a las figuras 2b y 4b, el dispositivo 1 se encuentra en un estado en el que el motor 2 ha girado 180 grados con respecto a la posición mostrada en las figuras 2a y 4a, de modo que el eje E de rotación de la rueda 1 1 está en una segunda posición de máximo acercamiento a la base 4 y al paso 15b. Por lo tanto, debido a que el punto de contacto entre la rueda 1 1 y la superficie 16a de accionamiento es el único punto de apoyo entre el dispositivo 1 y la bancada 14, el dispositivo 1 y la plataforma 13 se desplazan en alejamiento con respecto a la bancada 14, de modo que la plataforma 13 queda situada en una segunda posición extrema en la que la distancia a la bancada 14 es la máxima posible (figura 4b).

El contacto entre la superficie exterior de la rueda 1 1 y la superficie 16a de accionamiento de la protuberancia 16 se produce por rodadura de la rueda 1 1 sobre dicha superficie 16a de accionamiento, de modo que la fricción es mínima, reducida además por el hecho de que la rueda 1 1 estará realizada preferiblemente en un metal endurecido y por el hecho de que, tal como se ha mencionado anteriormente, la rueda 1 1 presenta un perfil exterior convexo de forma curvada que permite conseguir un punto de contacto de menor superficie y más preciso con la superficie 16a de accionamiento.

De este modo, haciendo girar el motor 2 del dispositivo 1 un ángulo determinado controlado por el operario, es posible hacer girar el árbol 6 de manera correspondiente y, por lo tanto, hacer girar la rueda 1 1 excéntricamente alrededor del eje G a efectos de desplazar el dispositivo 1 y el extremo correspondiente 13b de la plataforma 13 hasta una posición deseada entre la primera posición mostrada en las figuras 2a y 4a y la segunda posición mostrada en las figuras 2b y 4b. El giro del motor 2 a lo largo de un intervalo angular de 180 grados permite disponer la plataforma 13 en una posición deseada entre las dos posiciones extremas descritas anteriormente.

La configuración del dispositivo 1 de la invención, en la que el árbol 6 y la rueda 1 1 están soportados por rodamientos 9, 12 en la base 4 y en el propio árbol 6, respectivamente, disminuye de forma considerable los rozamientos entre sus componentes móviles en comparación con los mecanismos usados en la técnica anterior (husillos, roscas) en los que los contactos entre piezas móviles generan fricciones mucho más elevadas. Además, tal como se ha explicado anteriormente, el contacto rodado entre la rueda 1 1 y la superficie 16a de accionamiento también contribuye a reducir los rozamientos. Por lo tanto, gracias a las menores fricciones, el dispositivo 1 de la presente invención no requiere de lubricación entre sus piezas móviles ni de mantenimiento, lo que resulta especialmente ventajoso en entornos de ultra alto vacío.

Además, la configuración del dispositivo 1 permite obtener un mecanismo más robusto que los mecanismos anteriores, ya que el árbol 6 está apoyado en dos puntos 8 de apoyo, de manera que la carga soportada por la rueda 1 1 puede ser absorbida sin que se produzcan flexiones significativas en el árbol 6. El dispositivo 1 y todas sus piezas están diseñados para evitar la presencia de juegos axiales que podrían disminuir la vida útil del dispositivo 1 y afectar a la precisión de la posición del elemento a accionar. Por otra parte, la configuración del dispositivo 1 de la presente invención permite el uso de componentes presentes en el mercado cuyo uso es compatible con entornos de ultra alto vacío. En el caso del motor 2 paso a paso la empresa Phytron comercializa motores que pueden ser usados en vacíos con niveles más allá de 10 "10 mbar. También es posible usar rodamientos 9, 12 compatibles con entornos de ultra alto vacío, con anillos inoxidables, con bolas de Si 3 N 4 que no necesitan lubricación externa y con jaulas especiales de PEEK, sin tapas para contener la lubricación, que podrían provocar la presencia de aire en su interior. La empresa Ortech fabrica rodamientos de este tipo. La empresa Ruland también ofrece la posibilidad de fabricar conectores 7 para ejes compatibles con entornos de ultra alto vacío. El resto de componentes también estarán fabricados en materiales adecuados para trabajar de forma adecuada en este tipo de entornos.

Gracias a las características de solidez y baja fricción del dispositivo 1 y al uso de los componentes compatibles con ultra alto vacío mencionados previamente, es posible utilizar el dispositivo 1 de la presente invención en entornos de ultra alto vacío sin necesidad de tener que encapsular ninguna parte o componente del dispositivo 1 y sin necesidad de lubricación. Esto permite obtener un mecanismo menos voluminoso y más fácil y económico de fabricar y que puede funcionar de manera continua, eliminando los periodos de descanso o reduciéndolos de forma considerable. El dispositivo 1 de la invención tampoco requiere de mantenimiento, de modo que se evitan las pérdidas de tiempo considerables asociadas. A título de ejemplo, se ha comprobado que un prototipo del dispositivo 1 según la realización descrita anteriormente permite obtener un movimiento del elemento accionado (la plataforma 13) muy preciso, con una precisión de hasta 0,05 μηι en un intervalo de movimiento de 5 mm a 10 mm. Dicho prototipo funcionó satisfactoriamente en un entorno de ultra alto vacío sin necesidad de tener que encapsular ninguna parte del dispositivo 1 y con cargas de hasta 250 N, pudiendo además calentarse hasta 150 grados centígrados.

Finalmente, aunque en la realización descrita el dispositivo 1 está montado en el elemento a accionar (la plataforma 13) y la superficie 16a de accionamiento es fija, en otras realizaciones, el dispositivo 1 podría estar montado en un elemento fijo y la superficie 16a de accionamiento podría formar parte del elemento a accionar.