ES2677694A1

ES2677694A1 - Dispositivo de apuntamiento

Info

Publication number: ES2677694A1
Application number: ES201730134A
Authority: ES
Inventors: Ángel Gaspar GONZÁLEZ RODRÍGUEZ; Antonio GONZÁLEZ RODRÍGUEZ; Fernando José Castillo García; Andrés SAN-MILLÁN RODRÍGUEZ
Original assignee: Universidad de Castilla La Mancha; Universidad de Jaen
Current assignee: Universidad de Castilla La Mancha; Universidad de Jaen
Priority date: 2017-02-06
Filing date: 2017-02-06
Publication date: 2018-08-06
Anticipated expiration: 2037-02-06
Also published as: ES2677694B2

Abstract

Dispositivo de apuntamiento formado por al menos un tren de engranajes epicicloidales, que tiene un primer eje de entrada (1) conectado a un primer engranaje cónico (5), y un segundo eje de entrada (2) coaxial con el primero y conectado a un segundo engranaje cónico (6). Además tiene una caja móvil (7) entre los ejes de entrada (1, 2), que tiene en su interior el primer y segundo engranajes cónicos (5 ,6) y adicionalmente un tercer y cuarto engranajes cónicos (8, 9) que giran libremente alrededor de un eje móvil (10) perpendicular a los ejes de entrada (1, 2), engranando el tercer y cuarto engranajes cónicos (8, 9) con el primer y segundo engranajes cónicos (5, 6). El dispositivo tiene un elemento de salida (3) fijado rígidamente a la caja móvil (7). Los ejes de entrada (1, 2) están configurados para girar en un único sentido continuamente durante el apuntamiento.

Description

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DISPOSITIVO DE APUNTAMIENTO

DESCRIPCION

Campo de la invencion

La presente invencion pertenece al campo tecnico del apuntamiento y posicionamiento, concretamente al apuntamiento fino de actuadores y sensores para robotica y otras aplicaciones que requieran elevada precision, y mas concretamente al apuntamiento fino de actuadores y sensores que deben ser movidos tanto a altas como a bajas velocidades. La invencion se refiere en particular a un dispositivo de apuntamiento que esta formado por un tren de engranajes epicicloidales, con dos ejes de entrada coaxiales accionados por sendos motores y un conjunto de engranajes conicos que transmiten el movimiento de los ejes de entrada a un elemento de salida al cual se le acopla el elemento sobre el que se realiza el apuntamiento. Los ejes de entrada estan configurados para girar en un unico sentido continuamente durante el apuntamiento.

Antecedentes de la invencion

En la actualidad existen infinidad de dispositivos y sistemas de apuntamiento y posicionamiento, dedicados al control y movimiento de todo tipo de actuadores y sensores, especialmente en el campo de la robotica. Ejemplos de estos elementos que tienen que ser apuntados mediante un ajuste fino pueden ser camaras, diferentes tipos de sensores moviles, portadores de emisores laser, etc.

Todos estos dispositivos y sistemas de apuntamiento actuales presentan problemas en su arranque y parada o cuando se les intenta controlar en velocidades mucho mas pequenas que las velocidades optimas para los que ha sido disenada su motorizacion, proporcionando asl menor par en estas condiciones fuera de diseno. Estos problemas vienen originados principalmente porque estos sistemas de apuntamiento necesitan ser movidos a alta velocidad, pero tambien a baja velocidad, o porque necesitan estar continuamente arrancando y parando. Ademas, estos los medios accionadores de estos sistemas de apuntamiento proporcionan errores de precision ocasionados por la

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inherente holgura de los acoplamientos y engranajes cuando existe un cambio en el sentido de movimiento. Por tanto es muy complicado conseguir un ajuste fino.

Para tratar de resolver este problema en la actualidad se duplican los grados de libertad y sus motorizaciones, de forma que actuan de forma redundante. De esta forma se puede utilizar un motor de gran potencia para mover el conjunto de forma general, y ademas un segundo motor mas lento y generalmente con baja capacidad de carga, para conseguir el ajuste fino. Este tipo de actuaciones se pueden observar en el apuntamiento de camaras de precision, en los que un primer motor de mayor capacidad moverla el conjunto, y adicionalmente hay motorizaciones redundantes que hacen un ajuste fino.

Estos sistemas suelen presentar numerosos problemas, dado que los motores destinados al ajuste fino suelen tener un bajo rango de angulos de trabajo y ademas proporcionan pares muy limitados. Ademas, incluso estos motores tienen para velocidades bajas rangos de funcionamiento no lineales que dificultan enormemente su control. Otro problema se darla cuando si en vez de querer apuntar o posicionar una camara se desea apuntar un objeto mucho mas pesado, como podrla ser un canon o una gran antena. En este caso, el apuntamiento serla mucho mas complicado, e incluso el motor de ajuste fino podrla no proporcionar el par necesario para mover ese objeto pesado.

Era por tanto deseable un dispositivo que proporcionara un apuntamiento fino y con suficiente capacidad evitando los inconvenientes existentes en los anteriores sistemas de apuntamiento del estado de la tecnica.

Descripcion de la invencion

La presente invencion resuelve los problemas existentes en el estado de la tecnica mediante un dispositivo de apuntamiento realizado mediante al menos un tren de engranajes epicicloidales.

El tren de engranajes epicicloidales tiene un primer eje de entrada accionado por un primer motor y conectado rlgidamente a un primer engranaje conico, y un segundo eje de entrada coaxial con el primer eje de entrada, accionado por un segundo motor y

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conectado rigidamente a un segundo engranaje conico. El tren de engranajes epicicloidales dispone adicionalmente de una caja movil dispuesta entre en el primer eje de entrada y el segundo eje de entrada. En el interior de la caja movil estan dispuestos el primer engranaje conico y el segundo engranaje conico antes mencionados, junto con un tercer engranaje conico y un cuarto engranaje conico, los cuales giran libremente alrededor de un eje movil dispuesto en el interior de la caja movil, que es perpendicular los ejes de entrada. Mediante esta disposition el tercer engranaje conico y el cuarto engranaje conico engranan con el primer engranaje conico y con el segundo engranaje conico.

Un elemento de salida esta fijado rigidamente a la caja movil, de tal forma que el movimiento de los ejes de entrada accionados por los motores es transmitido por los engranajes conicos hasta dicho elemento de salida fijado a la caja movil.

En el tren de engranajes epicicloidal de la presente invencion el primer motor acciona el primer eje de entrada de tal forma que este gira en un unico sentido continuamente durante su accionamiento, e igualmente el segundo motor acciona el segundo eje de entrada de tal forma que este gira en un unico sentido continuamente durante su accionamiento.

Asl, la presente invention consiste en utilizar engranajes epicicloidales para la obtencion de un dispositivo preciso de posicionamiento o apuntamiento. Mediante el dispositivo de la presente invencion se evitan los problemas de los mecanismos existentes en el estado de la tecnica, que consisten basicamente en errores de precision ocasionados por la holgura de los acoplamientos en las transmisiones cuando existe un cambio en el sentido del movimiento, y un peor comportamiento a velocidades muy bajas del sistema a posicionar. Esto se consigue mediante los dos ejes de entrada que giran continuamente en un unico sentido y a velocidades cercanas a la nominal, lo que evita los problemas anteriormente citados.

De esta forma, la velocidad, y por tanto la position del elemento de salida dependera de la diferencia de velocidad entre los ejes de entrada.

De acuerdo con una realizacion particular de la invencion, el primer motor y el segundo motor son motorreductores.

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Breve description de los dibujos

A continuation, para facilitar la comprension de la invention, a modo ilustrativo pero no limitativo se describira una realization de la invention que hace referencia a una serie de figuras.

La figura 1 es una vista esquematica del tren de engranajes epicicloidales del dispositivo de apuntamiento de la presente invencion.

La figura 2 es una vista en perspectiva del tren de engranajes epicicloidales del dispositivo de apuntamiento de la figura 1.

En estas figuras se hace referencia a un conjunto de elementos que son:

1.: primer eje de entrada

2.: segundo eje de entrada

3.: primer motor

4.: segundo motor

5.: primer engranaje conico

6.: segundo engranaje conico

7.: caja movil

8.: tercer engranaje conico

9.: cuarto engranaje conico

10.: eje movil

11.: chasis

12.: elemento de salida

Descripcion detallada de la invention

El objeto de la presente invention es un dispositivo de apuntamiento.

Tal y como se puede apreciar en las figuras, el dispositivo de apuntamiento tiene al menos un tren de engranajes epicicloidales, el cual a su vez tiene un primer eje de entrada 1, el cual esta accionado por un primer motor 3 y esta conectado rlgidamente a un primer engranaje conico 5, y un segundo eje de entrada 2, el cual es coaxial con

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el primer eje de entrada 1, esta accionado por un segundo motor 4, y esta conectado rlgidamente a un segundo engranaje conico 6.

Segun muestran las figuras, adicionalmente el tren de engranajes tiene una caja movil 7 que esta dispuesta entre en el primer eje de entrada 1 y el segundo eje de entrada 2, en cuyo interior estan dispuestos el primer y segundo engranajes conicos 5,6 anteriormente mencionados, junto con un tercer engranaje conico 8 y un cuarto engranaje conico 9, los cuales giran ambos libremente alrededor de un eje movil 10 perpendicular al primer y segundo ejes de entrada 1,2. Mediante esta disposition el tercer engranaje conico 8 y el cuarto engranaje conico 9 engranan con el primer engranaje conico 5 y con el segundo engranaje conico 6.

El tren de engranajes epicicloidales ademas presenta un elemento de salida 12 que esta fijado rlgidamente a la caja movil 7, sobre la que se dispone el elemento a ser posicionado o apuntado. De esta forma, el movimiento de los ejes de entrada 1,2 accionados por los motores 3,4 es transmitido por los engranajes conicos 5,6,8,9 al elemento de salida 12 fijada a la caja movil 7, consiguiendo el movimiento de esta.

En la presente invencion el tren de engranajes epicicloidales esta configurado para que el primer eje de entrada 1 gire en un unico sentido continuamente durante su accionamiento y el segundo eje de entrada 2 tambien gire en un unico sentido continuamente durante su accionamiento.

De esta forma, para generar el movimiento, el dispositivo requiere de los dos ejes de entrada 1,2 motorizados, teniendo estos ejes de entrada 1,2 un par y velocidad similar. Asl, el movimiento del dispositivo se podrla controlar variando la velocidad de ambos ejes de entrada 1,2, o bien manteniendo constante la de uno de los motores, mediante un volante de inercia por ejemplo, y variando unicamente la velocidad del otro motor.

El dispositivo se fija rlgidamente al lugar en que se instala (por ejemplo el terreno, o un vehlculo) por medio de un chasis 11.

El tren de engranajes epicicloidales se rige por la ecuacion de Willis, que para el caso mostrado en las figuras 1 y 2 toma la forma:

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W'4 W^2 “ W,ri2 Wg

Donde:

W4 es la velocidad del segundo motor 4

W3 es la velocidad del primer motor 3

W12 es la velocidad del elemento de salida 12.

Para mantener el elemento de salida estatico, es decir wi2=0, una solucion serla obviamente mantener estaticos los motores 3,4, es decir: W4=W3=0, pero ademas hay otra solucion que serla hacer girar a ambos motores con velocidades en direcciones contrarias pero del mismo modulo, por ejemplo W4=300 rad/s y W3=-300 rad/s. En este caso, serla conveniente que esas velocidades angulares de giro estuvieran en el centro del rango optimo de funcionamiento de los motores, y donde fuese mas sencillo su control. De esta forma, el elemento de salida 12 tambien permanecerla estatico.

Por tanto, para mantener el elemento de salida 12 estatico, es necesario que los engranajes conicos 5,6,8,9 montados sobre el eje movil 10 giran sin que el eje movil 10 lo haga, para lo cual los motores 3,4 han de tener velocidades de igual modulo y signo contrario. Si un motor se retrasa o adelanta ligeramente respecto al otro, el eje movil 10 girara lentamente para acomodar ese desequilibrio, siendo ese giro el que sera utilizado para dar el movimiento al elemento de salida 12.

De este modo, la utilidad de la invencion se manifestarla si se deseara iniciar un movimiento con una velocidad muy baja. Por ejemplo, si con un unico motor de corriente alterna disenado para trabajar en el rango de los 300 rad/s, se desease que iniciara un movimiento a 1 rad/s, surgirlan problemas de control y funcionamiento, dado que los variadores de frecuencia no pueden controlar movimientos a tan baja frecuencia, y todo el sistema estarla funcionando en una situacion muy diferente a la de funcionamiento optimo.

Sin embargo, mediante el dispositivo de la presente invencion con dos motores 3,4, el funcionamiento y el control se obtendrla de la siguiente forma: partiendo de que los

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motores 3,4 se encuentran girando a 300 rad/s solo se tendrla que realizar un ligero incremento algebraico en ambos motores 3,4, con lo que la velocidad de uno de los motores pasarla de los 300 rad/s a los 301 rad/s, mientras el otro pasarla de -300 rad/s a -299 rad/s, operacion factible y sencilla ya que los motores 3,4 se encontrarlan en su rango de funcionamiento mas lineal y de mas facil controlabilidad. Este incremento algebraico supone un aumento en magnitud de la velocidad positiva, y un decremento en magnitud para la velocidad negativa. Suponiendo que las velocidades W4 y W3 son iguales en magnitud y de signo contrario, y que se incrementan algebraicamente en cierta cantidad Aw, la ecuacion de Willis serla para este caso:

(w4 + Aur) — = (h'12) — (wr3 -I- Anr) => Aw-r = w12

Es decir, para conseguir un movimiento a wio=1 rad/s positivo, la diferencia entre los modulos de la velocidad de ambos motores de entrada 3,4 ha de ser de 2 rad/s. Igual resultado podrla conseguirse manteniendo uno de los motores en -300 rad/s, y elevando el otro a 302 rad/s.

Para conseguir una velocidad de salida Ws pequena que haga al sistema facilmente controlable, un sistema convencional con un motor de entrada con velocidad nominal de wn=300 rad/s acoplado a una reductora convencional de relacion 300:1 conllevarla graves problemas, en primer lugar en el arranque, siendo este siempre diflcil de controlar por la propia construction del motor, o por el paso de un coeficiente estatico de rozamiento a uno dinamico.

Otro de los problemas de los sistemas convencionales es que la reductora limitarla enormemente el rango de velocidades maximas del elemento de salida. Si se asume por ejemplo que la velocidad de funcionamiento maxima es el doble de la nominal, la solution de la reductora 300:1 dejarla en 2 rad/s la maxima velocidad del elemento de salida. Este reducido valor serla insuficiente para muchas aplicaciones como por ejemplo el apuntamiento de diferentes camaras.

Estos problemas no surgen con el tren de engranajes epicicloidales de la presente invention con dos motores de entrada 3,4, con el que la velocidad maxima del

elemento de salida serla la misma que la de los motores de entrada 3,4 individuales, y para obtenerla unicamente se tendrlan que hacer girar en el mismo sentido.

De acuerdo con una realization particular de la invention, el primer motor 3 y el 5 segundo motor 4 pueden ser motorreductores, que esten mejor adaptados a las condiciones de velocidad maxima y par necesario para la aplicacion a considerar. El empleo de motorreductores en los motores de entrada 3,4 esta libre de los inconvenientes del uso tradicional de motorreductores en los sistemas convencionales de un motor. Efectivamente, el uso tlpico de motorreductores conlleva una perdida de

10 precision y repetitividad cuando se cambia el sentido de giro, debido al juego entre engranajes y al acomodo en el angulo de par de los motores slncronos. En la realizacion particular de la presente invencion de uso de motorreductores en los motores de entrada 3,4, el sentido de giro de dichos motores 3,4 siempre es el mismo en posicionamientos de precision, por lo que dicha imprecision desaparece.

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Una vez descrita de forma clara la invencion, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invencion.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de apuntamiento, caracterizado por que

- comprende al menos un tren de engranajes epicicloidales, que a su vez comprende

- un primer eje de entrada (1) accionado por un primer motor (3) y conectado rlgidamente a un primer engranaje conico (5),

- un segundo eje de entrada (2) coaxial con el primer eje de entrada (1), accionado por un segundo motor (4) y conectado rlgidamente a un segundo engranaje conico (6),

- una caja movil (7) dispuesta entre en el primer eje de entrada (1) y el segundo eje de entrada (2), en cuyo interior estan dispuestos

- el primer engranaje conico (5) y el segundo engranaje conico (6),

- y un tercer engranaje conico (8) y un cuarto engranaje conico (9) que giran ambos libremente alrededor de un eje movil (10) perpendicular al primer eje de entrada (1) y al segundo eje de entrada (2),

engranando el tercer engranaje conico (8) y el cuarto engranaje conico (9) con el primer engranaje conico (5) y con el segundo engranaje conico (6),

- y un elemento de salida (3) fijado rlgidamente a la caja movil (7),

de tal forma que el movimiento de los ejes de entrada (1,2) accionados por los motores (3,4) es transmitido por los engranajes conicos (5,6,8,9) al elemento de salida (3) fijado a la caja movil (7),

- y por que el tren de engranajes epicicloidales esta configurado para que el primer eje de entrada (1) gire en un unico sentido continuamente durante su accionamiento y el segundo eje de entrada (2) gire en un unico sentido continuamente durante su accionamiento.
2. Dispositivo de apuntamiento, segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el primer motor (3) y el segundo motor (4) consisten en motorreductores.