ES2603655B1 - Dispositivo y método de aplicación de fuerza en un objeto - Google Patents
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Abstract
Dispositivo y método de aplicación de fuerza en un objeto; que comprende el uso de un elemento (2) de aplicación de fuerza para contactar con una zona (P) del objeto (5); un elemento elástico (6) asociado a dicho elemento (2) de aplicación de fuerza, provocando la deformación de dicho elemento elástico (6) la creación de una primera fuerza proporcional a dicha deformación; y un elemento magnético (10, 11) asociado a dicho elemento (2) de aplicación de fuerza, incluyendo dicho elemento magnético al menos dos partes (10, 11) que interactúan magnéticamente entre sí, provocando dicha interacción la creación de una segunda fuerza. Un aumento de la primera fuerza se corresponde con una disminución de la segunda fuerza y una disminución de la primera fuerza se corresponde con un aumento de la segunda fuerza.
Description
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DESCRIPCION
Dispositivo y metodo de aplicacion de fuerza en un objeto Objeto de la invencion.
La presente invencion se refiere a un dispositivo y a un metodo de aplicacion de fuerza en un objeto de manera precisa y estable.
Antecedentes de la invencion.
Son conocidos dispositivos de aplicacion de fuerza que sirven para aplicar una fuerza de manera controlada y precisa en un objeto a efectos de controlar de la manera mas precisa posible la reaccion de dicho objeto a la aplicacion de dicha fuerza, por ejemplo, la deformacion o el desplazamiento del mismo.
Por ejemplo, en el campo de los dispositivos para curvar espejos utilizados en aceleradores de partlculas, que constituye el campo de aplicacion preferido del dispositivo y del metodo de la presente invencion, es conocido usar dispositivos de aplicacion de fuerza para aplicar una fuerza en una ubicacion determinada de un espejo. La aplicacion de dicha fuerza deforma el espejo en dicha ubicacion para corregir en la medida de lo posible posibles desviaciones dimensionales con respecto a la superficie ideal o errores de superficie presentes en dicho espejo despues de su production. Esta deformacion permite mejorar la calidad de un haz de luz reflejado por el espejo.
La fuerza debe ser aplicada con la maxima resolution posible, a efectos de controlar la deformacion provocada en el espejo de la manera mas precisa posible.
Es conocido el uso de dispositivos de aplicacion de fuerza que comprenden un elemento aplicador de fuerza en contacto con la ubicacion del espejo a deformar y un elemento de accionamiento que transmite la fuerza al elemento aplicador de fuerza. Entre el elemento aplicador y el elemento de accionamiento se dispone un muelle que permite mejorar la resolucion de la aplicacion de fuerza en el espejo.
La interposition del muelle permite obtener una transition mas progresiva en los
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cambios de la fuerza aplicada en el espejo. Por ejemplo, si el elemento de accionamiento es un mecanismo de husillo y tuerca y la fuerza es transmitida directamente y rlgidamente al elemento aplicador por la tuerca que se desplaza a lo largo del husillo, la resolution de la aplicacion de fuerza del dispositivo estara limitada por el angulo de giro mlnimo del motor que acciona el husillo y que desplaza la tuerca. Si se dispone un muelle entre la tuerca y el elemento aplicador, de modo que el muelle se deforma de manera correspondiente con el desplazamiento de la tuerca, el muelle permitira transmitir la fuerza de la tuerca al elemento aplicador de manera mas progresiva, absorbiendo el desplazamiento ‘escalonado’ de la tuerca.
Un problema de este tipo de dispositivos de aplicacion de fuerza consiste en la repetibilidad pobre o limitada de la fuerza aplicada con los mismos cuando es necesario separar el dispositivo de aplicacion de fuerza del espejo. Debido a que los espejos deben ser transportados de una ubicacion a otra (de un banco de metrologla al acelerador de partlculas, o incluso a una instalacion distinta) es necesario desvincular durante el transporte el dispositivo de aplicacion de fuerza con respecto al espejo, es decir, separar el elemento aplicador de fuerza del espejo, a efectos de evitar posibles danos en el espejo debidos a impactos o movimientos bruscos durante su transporte.
Separar el aplicador de fuerza del espejo implica que la position del punto de contacto entre ambos elementos al volver a ponerlos en contacto puede variar en un intervalo de unas decimas de millmetro. Esta variation de la posicion del punto de contacto entre el aplicador de fuerza y el espejo provoca el desplazamiento de dicho aplicador de fuerza y una variacion de la elongation del muelle. Esta elongation del muelle hara que la fuerza aplicada por el muelle tambien cambie, ya que la fuerza aplicada por el muelle depende de su elongacion (ley de Hooke). De este modo, es posible que la fuerza aplicada por el muelle en el espejo al volver a poner en contacto el aplicador de fuerza con el espejo sea diferente con respecto a la fuerza aplicada por el muelle antes de separar el dispositivo del espejo, siendo por lo tanto la deformation inducida en el espejo despues de la separation distinta a la deformation inducida antes de dicha separacion.
El objetivo de la presente invencion consiste en dar a conocer un dispositivo y un metodo que permiten compensar la variacion de la fuerza aplicada por un elemento elastico (muelle) debida a un desplazamiento de la posicion del punto de contacto
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entre el dispositivo de aplicacion de fuerza y el objeto en el que se aplica la fuerza. De este modo, el dispositivo de aplicacion de fuerza ejercera la misma fuerza sobre un objeto independientemente del cambio de posicion de dicho punto de contacto. Esto evitara, por ejemplo, tener que calibrar o ajustar el dispositivo de aplicacion de fuerza cada vez que cambia la posicion del punto de contacto con el objeto.
Descripcion de la invencion.
El objetivo de la presente invencion es solventar los inconvenientes que presentan los dispositivos conocidos en la tecnica. En un primer aspecto, se da a conocer un dispositivo de aplicacion de fuerza en un objeto, que comprende:
-Un elemento de aplicacion de fuerza para contactar con una zona del objeto;
-Un elemento elastico asociado a dicho elemento de aplicacion de fuerza, provocando la deformacion de dicho elemento elastico la creacion de una primera fuerza proporcional a dicha deformacion y que es aplicada en dicho elemento de aplicacion de fuerza;
caracterizado por el hecho de que tambien comprende:
- un elemento magnetico asociado a dicho elemento de aplicacion de fuerza, incluyendo dicho elemento magnetico al menos dos partes que interactuan magneticamente entre si, provocando dicha interaction la creacion de una segunda fuerza que es aplicada en el elemento de aplicacion de fuerza;
y en el que el elemento de aplicacion de fuerza es movil en respuesta a una variation de la posicion del punto de contacto entre dicho elemento de aplicacion de fuerza y el objeto, provocando dicho movimiento la deformacion del elemento elastico y la modification de la interaccion entre dichas al menos dos partes del elemento magnetico, de modo que un aumento de la primera fuerza se corresponde con una disminucion de la segunda fuerza y una disminucion de la primera fuerza se corresponde con un aumento de la segunda fuerza.
La fuerza creada por la interaccion magnetica de las partes del elemento magnetico se suma a la fuerza generada por la deformacion del elemento elastico, de modo
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que, tal como se explicara mas adelante, es posible crear una zona de estabilidad en la que la suma de las variaciones de las dos fuerzas es minima en un intervalo determinado de desplazamiento del punto de aplicacion de la fuerza en el objeto. Es decir, trabajando en esta zona de estabilidad, sera posible conseguir que la suma de las variaciones de las fuerzas ejercidas por el elemento elastico y por el elemento magnetico sea sustancialmente nula independientemente de la deformation del elemento elastico. Esto permite eliminar las variaciones en la aplicacion de fuerza debidas a los cambios en la posicion del punto de contacto entre el dispositivo de aplicacion de fuerza y el objeto en el que se aplica la fuerza.
Segun una realization de la invention, el elemento elastico es un muelle helicoidal que trabaja a traction.
Ventajosamente, las al menos dos partes que interactuan magneticamente entre si comprenden un par de imanes moviles entre si y dispuestos en mutua atraccion.
Tambien ventajosamente, el movimiento del elemento de aplicacion de fuerza en una direccion provoca el estiramiento del muelle y el alejamiento entre el par de imanes y el movimiento del elemento de aplicacion de fuerza en direction opuesta provoca la contraccion del muelle y el acercamiento entre el par de imanes.
Ventajosamente, el elemento de aplicacion de fuerza es un brazo basculante que comprende dos extremos a cada lado de un punto de articulation, estando en contacto dicho brazo con el objeto por un extremo y estando conectado al elemento elastico y al elemento magnetico por el extremo opuesto.
Gracias a esta configuration, cuando el muelle se estira y aumenta la fuerza ejercida por el mismo, los imanes del elemento magnetico se alejan, de modo que la fuerza de atraccion entre ambos imanes disminuye. Asimismo, cuando el muelle se contrae y disminuye la fuerza ejercida por el mismo, los imanes se acercan, de modo que la fuerza de atraccion entre ambos aumenta. Esta compensation entre ambas fuerzas permite crear la zona de estabilidad en la que la suma de las variaciones de ambas fuerzas es minima en un intervalo determinado de desplazamiento o deformacion del muelle.
Preferiblemente, el dispositivo de la presente invencion comprende medios de
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deformacion controlada del elemento elastico.
Tambien preferiblemente, el dispositivo de la presente invention comprende medios de ajuste de la position mutua entre las al menos dos partes que interactuan magneticamente entre si.
Es posible modificar la deformacion del muelle para aplicar mas o menos fuerza en el objeto en el que se aplica la fuerza. Asimismo, tambien es posible ajustar la posicion mutua entre las partes que interactuan magneticamente entre si para ajustar la zona de estabilidad deseada durante la aplicacion de fuerza en un objeto.
En un segundo aspecto, se da a conocer un metodo de aplicacion de fuerza en un objeto, que comprende:
-disponer un elemento de aplicacion de fuerza para contactar con una zona del objeto;
-disponer un elemento elastico asociado a dicho elemento de aplicacion de fuerza, provocando la deformacion de dicho elemento elastico la creation de una primera fuerza proporcional a dicha deformacion y que es aplicada en dicho elemento de aplicacion de fuerza;
caracterizado por el hecho de que tambien comprende:
- disponer un elemento magnetico asociado a dicho elemento de aplicacion de fuerza, incluyendo dicho elemento magnetico al menos dos partes que interactuan magneticamente entre si, provocando dicha interaction la creacion de una segunda fuerza que es aplicada en el elemento de aplicacion de fuerza;
y modificar la interaccion entre dichas al menos dos partes del elemento magnetico en correspondencia con una deformacion del elemento elastico debida al movimiento del elemento de aplicacion de fuerza provocado por una variation de la posicion del punto de contacto entre el elemento de aplicacion de fuerza y el objeto, de modo que un aumento de la primera fuerza se corresponde con una disminucion de la segunda fuerza y una disminucion de la primera fuerza se corresponde con un aumento de la segunda fuerza.
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Segun una realization del metodo, el elemento elastico es un muelle helicoidal que trabaja a traction.
Ventajosamente, en el metodo, las al menos dos partes que interactuan magneticamente entre si comprenden un par de imanes moviles entre si y dispuestos en mutua atraccion.
Tambien ventajosamente, en el metodo, el movimiento del elemento de aplicacion de fuerza en una direction provoca el estiramiento del muelle y el alejamiento entre el par de imanes y el movimiento del elemento de aplicacion de fuerza en direction opuesta provoca la contraction del muelle y el acercamiento entre el par de imanes.
Preferiblemente, en el metodo, el elemento de aplicacion de fuerza es un brazo basculante que comprende dos extremos a cada lado de un punto de articulation, estando en contacto dicho brazo con el objeto por un extremo y estando conectado al elemento elastico y al elemento magnetico por el extremo opuesto.
Description de las figuras.
Con el fin de facilitar la description de cuanto se ha expuesto anteriormente se adjuntan unos dibujos en los que, esquematicamente y tan solo a tltulo de ejemplo no limitativo, se representa un caso practico de realization de la invention, en los cuales:
la figura 1 es una vista esquematica de una realization ilustrativa del dispositivo de aplicacion de fuerza de la presente invention;
la figura 2 es un grafico ilustrativo que muestra el efecto de estabilizacion en la aplicacion de fuerza que permite obtener el dispositivo y el metodo de la presente invencion;
la figura 3 es otra vista esquematica como la de la figura 1 en la que se muestran posiciones relativas usadas en calculos realizados para el dispositivo y el metodo de la presente invencion.
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Descripcion de una realizacion preferida
En la figura 1 se muestra una realizacion del dispositivo de aplicacion de fuerza de la presente invencion. En este caso, el dispositivo consiste en un dispositivo para curvar espejos, especialmente espejos utilizados en aceleradores de partlculas.
El dispositivo comprende un bastidor 1 que soporta de forma giratoria un brazo basculante 2 articulado al bastidor 1 en su parte central a traves de una articulation 3. De este modo, el brazo basculante 2 puede oscilar en las direcciones indicadas por las flechas A. El brazo basculante 2 comprende en uno de sus extremos un elemento 4 de contacto disenado para contactar con un objeto en el que se aplicara una fuerza mediante el dispositivo. En este caso, el objeto es un espejo 5 (mostrado en section transversal), y el elemento 4 contacta con la superficie inferior de dicho espejo 5 en un punto P de contacto para curvarlo en la zona adyacente a ese punto P.
El brazo basculante 2 esta unido en la zona adyacente a su otro extremo a un par de elementos que se describiran a continuacion.
El primer elemento consiste en un muelle helicoidal 6 que trabaja a traction, es decir, que esta estirado en todo momento en estado operativo. El muelle 6 esta unido por su extremo superior al brazo basculante 2 y esta unido por su extremo inferior a una tuerca 7 que esta enroscada a un husillo 8 que se extiende verticalmente y que esta asociado a un motor 9 fijado al bastidor 1. Al ser activado, el motor 9 hace girar el husillo 8 alrededor de su eje longitudinal en uno u otro sentido, segun se desee. El giro del husillo 8 en uno u otro sentido provoca el desplazamiento de la tuerca 7 hacia abajo o hacia arriba y, por lo tanto, provoca el desplazamiento del extremo inferior del muelle 6 hacia abajo o hacia arriba de manera correspondiente.
El segundo elemento consiste en un elemento magnetico que comprende un par de imanes 10, 11 separados verticalmente y que se atraen entre si. El primer iman 10 esta unido al brazo basculante 2, y el segundo iman 11 esta unido a una tuerca 12 que esta enroscada a un husillo 13 que se extiende verticalmente y que esta asociado a un motor 14 fijado al bastidor 1. Al ser activado, el motor 14 hace girar el husillo 13 alrededor de su eje longitudinal en uno u otro sentido, segun se desee. El giro del husillo 13 en uno u otro sentido provoca el desplazamiento de la tuerca 12 hacia abajo o hacia arriba y, por lo tanto, provoca el desplazamiento del iman 11
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hacia abajo o hacia arriba de manera correspondiente y, de este modo, en alejamiento o en acercamiento con respecto al iman 10.
La funcion de este elemento magnetico y los detalles del mismo se explicaran de forma mas detallada mas adelante.
Tal como se ha mencionado anteriormente, el muelle 6 esta en estado estirado en estado operativo, de modo que el mismo tira hacia abajo del extremo situado a la izquierda en la figura de la barra basculante 2. Cuando la tuerca 7 se desplaza hacia abajo, el muelle 6 se estira mas y tira hacia abajo con mas fuerza de la barra basculante 2. Cuando la tuerca 7 se desplaza hacia arriba, el muelle 6 se estira menos y tira hacia abajo con menos fuerza de la barra basculante 2. La fuerza ejercida por el muelle 6 sobre la barra basculante 2 tiende a hacer girar la barra en sentido anti horario (en la figura) alrededor de la articulacion 3. Por lo tanto, la barra basculante 2 y el elemento 4 de contacto ejerceran una fuerza dirigida hacia arriba sobre la superficie inferior del espejo 5 cuya intensidad dependera de lo estirado que esta el muelle 6.
Tal como se ha mencionado anteriormente, el muelle 6 permite compensar la limitation de resolution impuesta por el angulo de giro mlnimo del motor 9.
Cuando el dispositivo de aplicacion de fuerza de la invencion se desvincula del espejo 5, es decir, cuando el espejo 5 se separa de la barra basculante 2 y del elemento 4 de contacto, por ejemplo, para transportar el espejo, es necesario volver a disponer la barra basculante 2 y el elemento 4 en contacto con la superficie inferior del espejo 5 para volver a aplicar fuerza en el espejo 5.
Es posible que la position del punto P de contacto entre el elemento 4 y el espejo 5 al volver a disponerlos en contacto cambie. Este cambio de posicion del punto P de contacto provoca un desplazamiento de la barra basculante 2 con respecto a su posicion antes de separarla del espejo 5. Este desplazamiento, que consistira en un giro de la barra 2 en sentido horario o en sentido anti horario, dependiendo de si el cambio de posicion del punto P de contacto es hacia abajo o hacia arriba, respectivamente, tambien provocara que el muelle 6 unido a la barra 2 se estire o se contraiga con respecto a su posicion antes de separar el espejo 5.
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Este cambio en la elongacion del muelle 6 hara que la fuerza aplicada por el muelle 6 sobre la barra 2 y, por lo tanto, sobre el espejo 5, cambie, ya que el muelle se comporta segun la ley de Hooke, es decir, la fuerza que aplica depende de su grado de deformacion o estiramiento. Por lo tanto, sera necesario ajustar el dispositivo de aplicacion de fuerza para conseguir que el muelle 6 aplique la misma fuerza que antes de separar el espejo 5 del dispositivo.
El elemento magnetico 10, 11 descrito anteriormente permite evitar o compensar de manera eficaz el efecto de la variation del grado de estiramiento del muelle 6 en la aplicacion de fuerza en el espejo 5 en casos como el descrito anteriormente, en los que el espejo 5 se desvincula del dispositivo de aplicacion de fuerza y vuelve a vincularse al mismo posteriormente.
Tal como se ha explicado anteriormente, el iman 10 esta unido al brazo basculante 2 y el iman 11 esta unido a la tuerca 12. Cuando el dispositivo de aplicacion de fuerza esta funcionando para aplicar una fuerza de forma controlada en el espejo 5, la tuerca 12 esta en position fija, de modo que el iman 11 tambien esta en position fija.
Los dos imanes 10, 11 se atraen entre si y estan separados por una distancia determinada en su posicion mas proxima. Esta distancia de separation puede ser regulada mediante el motor 14, el husillo 13 y la tuerca 12, tal como se ha mencionado anteriormente. La funcion de este mecanismo se explica mas adelante.
La atraccion entre los dos imanes 10, 11 hace que el iman 10 sea atraldo por el iman 11 hacia abajo, ejerciendo un fuerza dirigida hacia abajo sobre la barra basculante 2 que tiende a hacer girar dicha barra 2 en direction anti-horaria. La fuerza magnetica de atraccion entre los dos imanes es inversamente proporcional a una potencia de la distancia que los separa. De este modo, tal como resulta conocido, la fuerza que el iman 10 ejerce sobre la barra 2 aumentara cuanto mas se acerque al iman 11 y disminuira cuanto mas se aleje del mismo. En otras palabras, el giro de la barra 2 en sentido horario alejara los imanes 10, 11 y hara que la fuerza ejercida por los imanes 10, 11 sobre la barra 2 disminuya, y el giro de la barra 2 en sentido anti horario acercara los imanes 10, 11 y hara que la fuerza ejercida por los imanes 10, 11 sobre la barra 2 aumente.
Por lo tanto, en una situacion como la descrita anteriormente, en la que el dispositivo
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de aplicacion de fuerza de la invencion se desvincula del espejo 5 y vuelve a unirse al mismo, un cambio de position del punto P de contacto que provoca un desplazamiento de la barra 2 haciendola girar en sentido horario o en sentido anti horario tambien provocara que el iman 10 ejerza una menor o una mayor fuerza sobre la barra 2, respectivamente.
Tal como resulta evidente, esta fuerza de atraccion de los imanes 10, 11 sobre la barra 2 se suma a la fuerza ejercida por el muelle 6 sobre dicha barra 2.
A continuation se hace referencia tambien al grafico de la figura 2. En dicho grafico puede observarse la relation entre el desplazamiento entre los imanes 10, 11 y la fuerza ejercida por la atraccion de dichos imanes 10, 11 (curva m) y la relacion entre el desplazamiento (estiramiento) del muelle 6 y la fuerza ejercida por el mismo (recta s). El eje X del grafico se corresponde con el desplazamiento D y el eje Y se corresponde con la fuerza F (unidades arbitrarias).
Tal como puede observarse en el grafico, el muelle 6 se comporta segun la ley de Hooke, es decir, la relacion entre la fuerza que es capaz de ejercer el muelle y el grado de deformation del mismo es directamente proporcional. En este caso, un mayor estiramiento del muelle 6 se corresponde con una mayor fuerza ejercida por el mismo (recta s).
En cambio, la fuerza magnetica de atraccion entre los dos imanes 10, 11 es inversamente proporcional a una potencia de la distancia que los separa. Una mayor separation entre los imanes 10, 11 implica una menor fuerza de atraccion, y una menor separacion implica una mayor fuerza de atraccion (curva m).
Tal como se ha mencionado anteriormente, la fuerza total aplicada en la barra basculante 2 es la suma de la fuerza de atraccion de los imanes 10, 11 y la fuerza ejercida por el muelle 6.
La suma de ambas fuerzas esta representada en el grafico por la curva t.
Tal como puede observarse, la curva t presenta un tramo en el que la variation de la fuerza aplicada por el muelle 6 y los imanes 10, 11 practicamente es nula en un intervalo E de desplazamiento relativamente amplio. Es decir, la incorporacion del
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elemento magnetico 10, 11 en el dispositivo de la presente invention permite compensar las variaciones de la fuerza aplicada por el muelle 6 en un intervalo E de desplazamiento o estiramiento determinado de dicho muelle 6 provocado por la variation de la position del punto P de contacto.
En el grafico puede observarse la variacion de la fuerza aplicada en el intervalo E de desplazamiento solamente con el muelle (dFs) y con la incorporation del elemento magnetico (dFt). La diferencia entre ambas variaciones es evidente.
Esto significa que, si el punto P de contacto de la barra basculante 2 con el espejo 5 cambia de posicion, el cambio correspondiente de la posicion de la barra 2 y del grado de estiramiento del muelle 6 no implicara un cambio significativo en la fuerza total aplicada por el muelle 6 y por los imanes 10, 11 sobre la barra 2 y sobre el espejo 5 siempre que el desplazamiento o estiramiento del muelle 6 este dentro del intervalo E.
Por lo tanto, la incorporacion del elemento magnetico 10, 11 permite eliminar las variaciones de la fuerza aplicada en el espejo 5 debidas a cambios en la posicion del punto P de contacto entre el espejo 5 y el dispositivo de aplicacion de fuerza.
Es posible ajustar la posicion del intervalo E de desplazamiento de estabilizacion dependiendo de las necesidades. Por ejemplo, el intervalo E de desplazamiento optimo sera distinto dependiendo de la rigidez del muelle 6 o de la potencia de los imanes 10, 11. La manera de ajustar la posicion del intervalo E consiste en ajustar la separation entre los imanes 10, 11 mediante el mecanismo formado por el motor 14, el husillo 13 y la tuerca 12.
Una vez establecido el intervalo E de desplazamiento optimo en el que las variaciones de la fuerza total aplicada son mlnimas, dicho intervalo seguira siendo valido independientemente de las fuerzas aplicadas con el muelle 6 al estirarlo en mayor o menor medida mediante la tuerca 7.
Por ejemplo, en la realization descrita para la aplicacion de fuerza en espejos de aceleradores de partlculas, el intervalo E de desplazamiento optimo se corresponded con una variacion maxima de fuerza total aplicada de 0,02 N.
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La configuration del dispositivo de aplicacion de fuerza de la invention, as! como los diversos elementos de dicho dispositivo, pueden ser distintos a lo mostrado en la realization descrita.
Aunque el elemento elastico mostrado anteriormente consiste en un muelle 6 helicoidal que trabaja a traction, dicho elemento elastico podrla tener otra configuration. Por ejemplo, el mismo podrla consistir en un muelle que trabaja a compresion. No obstante, es preferible usar un muelle que trabaja a traction, ya que permite obtener una aplicacion de fuerza mas estable. El elemento elastico puede ser de cualquier tipo, siempre que su comportamiento este regido por la ley de Hooke.
Asimismo, el elemento magnetico 10, 11 tambien puede presentar configuraciones distintas a la descrita anteriormente. Por ejemplo, los imanes 10, 11 podrlan estar dispuestos en mutua repulsion. Del mismo modo que en el caso del muelle 6, es preferible que los imanes 10, 11 esten dispuestos en mutua atraccion, ya que esta disposition permite obtener una aplicacion de fuerza mas estable.
En otra configuration, el elemento magnetico 10, 11 podrla estar dispuesto entre la barra basculante 2 y el muelle 6, con el iman 10 unido a la barra 2 y a un extremo superior del muelle 6 a traves de un soporte, y con el iman 11 fijado al bastidor 1. En este caso tambien serla posible regular la position del iman 11 con respecto al iman 10.
Por otro lado, el elemento 2 de aplicacion de fuerza, que en la realization preferida descrita consiste en un brazo basculante 2, podrla consistir en cualquier otro elemento de tipo distinto dependiendo de las necesidades o aplicaciones concretas. Por ejemplo, en una realization alternativa, el elemento 2 de aplicacion de fuerza podrla consistir simplemente en un elemento similar al elemento 4 de contacto asociado directamente al muelle 6 y/o a los imanes 10, 11, con el muelle 6 trabajando a compresion.
Ademas, el elemento 2 de aplicacion de fuerza podrla formar parte del elemento elastico 6 o del elemento magnetico 10, 11 o estar integrado en los mismos.
Es posible prescindir del motor 14 para regular la position relativa de los imanes 10, 11, pudiendo llevarse a cabo dicha operation mediante un mecanismo de
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accionamiento manual, tal como un pomo o mando.
Las dos piezas 10, 11 del elemento magnetico tambien podrlan consistir en un iman y en un bloque de metal que puede interactuar magneticamente con el iman, por ejemplo, hierro.
Finalmente, aunque se ha descrito una realization del dispositivo de aplicacion de fuerza disenada para curvar espejos, especialmente espejos utilizados en aceleradores de partlculas, el dispositivo de la presente invention tambien puede consistir en otro tipo de dispositivo de aplicacion de fuerza utilizable en otros campos, por ejemplo, en el montaje y la colocation de piezas.
Analisis
La fuerza aplicada por el brazo basculante 2 en el espejo 5 (FA) viene dada por la siguiente expresion:
(1)
En este caso, Fs y Fm son las fuerzas realizadas por el elemento elastico 6 y por el elemento magnetico 10, 11, respectivamente. rS, rm y rA son las distancias de los puntos de aplicacion de estas fuerzas con respecto a la articulation 3. A efectos de simplicidad, se ha considerado que todas las fuerzas son paralelas entre si (verticales) y ortogonales con respecto al brazo basculante 2, y que los puntos de aplicacion estan alineados en la llnea horizontal definida por la articulacion 3. En la figura 3 puede observarse la convention de signos utilizada en la ecuacion. Debido a que rS y Fs son negativas, su producto es positivo y, debido a que rA es positiva, la contribution de fuerza resultante del muelle 6 al espejo 5 es positiva. Lo mismo es aplicable en el caso del elemento magnetico 10, 11.
La fuerza ejercida por el muelle 6 es proporcional al estiramiento del muelle 6. Esto puede representarse como
= ~^s(.ZA ~ ZS~ y (2)
En este caso, LS es la longitud en reposo del muelle 6 medida desde
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su union al brazo basculante 2 a su union a la tuerca 7.
La fuerza realizada por el elemento magnetico 10, 11 es inversamente proporcional a una potencia de la distancia entre los dos imanes 10, 11 (d). El exponente concreto depende de la geometrla del iman 10, 11. No obstante, con un diametro mucho mas grande que la distancia entre los imanes, el exponente es cercano a uno. Por lo tanto, la fuerza puede expresarse como
F
--r ________________* max
m ~ ~d/d~Ti
Fmax y dm son unas constantes que parametrizan la dependencia de la fuerza con respecto a la distancia.
Fmax es la fuerza maxima realizada por el elemento magnetico 10, 11 (con una separacion entre imanes igual a cero) y dm es la distancia entre imanes para la que la fuerza ha disminuido a la mitad de la fuerza maxima. La expresion es valida solamente para distancias entre imanes positivas. En tal caso, Fm es negativa segun la convention de signos mostrada en la figura 3.
Un ejemplo de valores para Fmax y dm es 8N y 0,5 mm, respectivamente, correspondiendose con unos imanes en forma de disco con un diametro de 15 mm, 1 mm de altura y una magnetizacion N35 (fabricados por la empresa Supermagnete).
Description a modo de muelle del elemento magnetico
Para describir de forma detallada el mecanismo de estabilizacion, vale la pena expresar la fuerza magnetica en terminos de una constante elastica. Esto puede llevarse a cabo en una region pequena, utilizando la expansion de Taylor a primer orden de la fuerza magnetica tal como sigue:
P P
rmax___________|_________________rmax_______________/ t_____ t ^
dQ/dm + 1" djdjd^ + 1)* V
Esta ecuacion puede representarse de manera mas compacta como:
r.. — ■- ; - - ■- ■. - - - J ■■ (3)
donde
5
10
15
20
25
30
y
km tiene unidades de constante elastica y, a diferencia de los sistemas elasticos, la misma adopta valores negativos. Es posible su ajuste seleccionando de forma adecuada el punto d0 entre y cero.
_Fmax
dm
Estabilidad de la fuerza
Combinando las expresiones (1), (2) y (3) es posible escribir la fuerza
total como
fa —
rA
dQ)
En este caso se ha expresado la distancia entre los imanes como una funcion de las coordenadas de sus extremos, tal como puede observarse en la figura 3. Es posible disponer los terminos tal como sigue:
La expresion presenta cuatro terminos principales, que expresan la dependencia con respecto a zA, zS y zm, pudiendo observarse que la dependencia con respecto a zA desaparece para
Cuando se cumple esta condicion, la fuerza ejercida por el dispositivo de accionamiento no depende de la posicion del punto de contacto. Esto equivale a un sistema con rigidez cero.
Sustituyendo km por su expresion expllcita, es posible hallar la separacion entre imanes que produce dicha condicion
En este caso, solamente existe una solution valida si d0 es positivo.
5
10
15
20
25
30
Para ello, debe cumplirse la siguiente condicion:
^ ^ rs ,
—>rks
“■m ‘ra
Esta condicion significa esencialmente que la rigidez equivalente maxima del elemento magnetico debe ser tan grande como la rigidez del muelle.
La distancia entre los imanes puede ajustarse ajustando la position del iman 11 unido a la tuerca 12, es decir, zm. El sistema incluye un mecanismo dedicado 12, 13, 14 para llevar a cabo este ajuste (tal como se ha descrito anteriormente). El ajuste de zm afecta a la fuerza total aplicada por el dispositivo de accionamiento.
Ajuste de fuerza
Una vez se ha ajustado la separation entre los imanes 10, 11 para cancelar la dependencia con respecto a la fuerza zA, es posible ajustar la fuerza total del dispositivo de accionamiento ajustando el estiramiento del muelle 6. Tal como se ha descrito anteriormente, esto se lleva a cabo desplazando el extremo inferior del muelle (zS). Debe observarse que ajustar zS no cambia el equilibrio entre las constantes elasticas del muelle 6 y del elemento magnetico 10, 11, de modo que la estabilidad de la fuerza se conserva en todo el intervalo de fuerzas disponibles por parte del dispositivo de accionamiento.
Intervalo de estabilizacion
La aproximacion a modo de muelle del elemento magnetico es valida dentro de una region pequena alrededor de d0, estando dominado el error de la aproximacion por el termino cuadratico de la serie de Taylor correspondiente.
Que, despues de algunas manipulaciones, puede expresarse como:
= Fm(da)
(d dQ
De este modo, el error aumenta mas rapidamente cuando la fuerza magnetica necesaria para compensar la constante elastica se aproxima a su valor maximo.
El intervalo de validez para un umbral determinado es:
El primer factor es la longitud caracterlstica de los imanes, cuanto mas larga es, mas suave es la disminucion del campo con la distancia. El segundo termino 10 es la relacion entre la constante elastica y el valor maximo de fuerza que puede ser obtenido con los imanes. El mismo indica que, para obtener un intervalo de estabilizacion amplio, el muelle deberla ser debil en comparacion con el elemento magnetico. Finalmente, el tercer termino es simplemente la relacion entre la tolerancia de fuerza y la contribution de fuerza del muelle.
15
En resumen, es necesario usar imanes potentes y usar su parte debil del campo para obtener un intervalo de estabilidad grande.
Claims (12)
- 5101520253035REIVINDICACIONES1. Dispositivo de aplicacion de fuerza en un objeto (5), que comprende:-un elemento (2) de aplicacion de fuerza para contactar con una zona (P) del objeto(5);-un elemento elastico (6) asociado a dicho elemento (2) de aplicacion de fuerza, provocando la deformacion de dicho elemento elastico (6) la creacion de una primera fuerza proporcional a dicha deformacion y que es aplicada en dicho elemento (2) de aplicacion de fuerza;caracterizado por el hecho de que tambien comprende:-un elemento magnetico (10, 11) asociado a dicho elemento (2) de aplicacion de fuerza, incluyendo dicho elemento magnetico al menos dos partes (10, 11) que interactuan magneticamente entre si, provocando dicha interaction la creacion de una segunda fuerza que es aplicada en el elemento (2) de aplicacion de fuerza;y en el que el elemento (2) de aplicacion de fuerza es movil en respuesta a una variacion de la posicion del punto (P) de contacto entre dicho elemento (2) de aplicacion de fuerza y el objeto (5), provocando dicho movimiento la deformacion del elemento elastico (6) y la modification de la interaccion entre dichas al menos dos partes (10, 11) del elemento magnetico, de modo que un aumento de la primera fuerza se corresponde con una disminucion de la segunda fuerza y una disminucion de la primera fuerza se corresponde con un aumento de la segunda fuerza.
- 2. Dispositivo segun la reivindicacion 1, caracterizado por el hecho de que el elemento elastico es un muelle helicoidal (6) que trabaja a traction.
- 3. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que las al menos dos partes que interactuan magneticamente entre si comprenden un par de imanes (10, 11) moviles entre si y dispuestos en mutua atraccion.
- 4. Dispositivo segun la reivindicacion 3, caracterizado por el hecho de5101520253035que el movimiento del elemento (2) de aplicacion de fuerza en una direccion provoca el estiramiento del muelle (6) y el alejamiento entre el par de imanes (10, 11) y el movimiento del elemento (2) de aplicacion de fuerza en direccion opuesta provoca la contraction del muelle (6) y el acercamiento entre el par de imanes (10, 11).
- 5. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por el hecho de que el elemento de aplicacion de fuerza es un brazo basculante (2) que comprende dos extremos a cada lado de un punto (3) de articulation, estando en contacto dicho brazo (2) con el objeto (5) por un extremo (4) y estando conectado al elemento elastico (6) y al elemento magnetico (10, 11) por el extremo opuesto.
- 6. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por el hecho de que comprende medios (7, 8, 9) de deformation controlada del elemento elastico (6).
- 7. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por el hecho de que comprende medios (12, 13, 14) de ajuste de la position mutua entre las al menos dos partes (10, 11) que interactuan magneticamente entre si.
- 8. Metodo de aplicacion de fuerza en un objeto (5), que comprende:-disponer un elemento (2) de aplicacion de fuerza para contactar con una zona (P) del objeto (5);-disponer un elemento elastico (6) asociado a dicho elemento (2) de aplicacion de fuerza, provocando la deformacion de dicho elemento elastico (6) la creacion de una primera fuerza proporcional a dicha deformacion y que es aplicada en dicho elemento (2) de aplicacion de fuerza;caracterizado por el hecho de que tambien comprende:- disponer un elemento magnetico (10, 11) asociado a dicho elemento (2) de aplicacion de fuerza, incluyendo dicho elemento magnetico al menos dos partes51015202530(10, 11) que interactuan magneticamente entre si, provocando dicha interaction la creation de una segunda fuerza que es aplicada en el elemento (2) de aplicacion de fuerza;y modificar la interaction entre dichas al menos dos partes (10, 11) del elemento magnetico en correspondencia con una deformation del elemento elastico (6) debida al movimiento del elemento (2) de aplicacion de fuerza provocado por una variation de la position del punto (P) de contacto entre el elemento (2) de aplicacion de fuerza y el objeto (5), de modo que un aumento de la primera fuerza se corresponde con una disminucion de la segunda fuerza y una disminucion de la primera fuerza se corresponde con un aumento de la segunda fuerza.
- 9. Metodo segun la revindication 8, caracterizado por el hecho de que el elemento elastico es un muelle helicoidal (6) que trabaja a traction.
- 10. Metodo segun la revindication 8 o 9, caracterizado por el hecho de que las al menos dos partes que interactuan magneticamente entre si comprenden un par de imanes (10, 11) moviles entre si y dispuestos en mutua atraccion.
- 11. Metodo segun la revindication 10, caracterizado por el hecho de que el movimiento del elemento (2) de aplicacion de fuerza en una direction provoca el estiramiento del muelle (6) y el alejamiento entre el par de imanes (10, 11) y el movimiento del elemento (2) de aplicacion de fuerza en direction opuesta provoca la contraction del muelle (6) y el acercamiento entre el par de imanes (10, 11).
- 12. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizado por el hecho de que el elemento de aplicacion de fuerza es un brazo basculante (2) que comprende dos extremos a cada lado de un punto (3) de articulation, estando en contacto dicho brazo (2) con el objeto (5) por un extremo (4) y estando conectado al elemento elastico (6) y al elemento magnetico (10, 11) por el extremo opuesto.
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