ES2677694B2

ES2677694B2 - Dispositivo de apuntamiento

Info

Publication number: ES2677694B2
Application number: ES201730134A
Authority: ES
Inventors: Rodríguez Angel Gaspar González; Rodríguez Antonio González; García Fernando José Castillo; Rodríguez Andrés San-Millán
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: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2037-02-06
Also published as: ES2677694A1

Description

DESCRIPCIÓN

DISPOSITIVO DE APUNTAMIENTO

Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo técnico del apuntamiento y posicionamiento, concretamente al apuntamiento fino de actuadores y sensores para robótica y otras aplicaciones que requieran elevada precisión, y más concretamente al apuntamiento fino de actuadores y sensores que deben ser movidos tanto a altas como a bajas velocidades. La invención se refiere en particular a un dispositivo de apuntamiento que está formado por un tren de engranajes epicicloidales, con dos ejes de entrada coaxiales accionados por sendos motores y un conjunto de engranajes cónicos 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 están configurados para girar en un único sentido continuamente durante el apuntamiento.

Antecedentes de la invención

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 robótica. Ejemplos de estos elementos que tienen que ser apuntados mediante un ajuste fino pueden ser cámaras, diferentes tipos de sensores móviles, portadores de emisores láser, 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 más pequeñas que las velocidades óptimas para los que ha sido diseñada su motorización, proporcionando así menor par en estas condiciones fuera de diseño. Estos problemas vienen originados principalmente porque estos sistemas de apuntamiento necesitan ser movidos a alta velocidad, pero también a baja velocidad, o porque necesitan estar continuamente arrancando y parando. Además, los medios accionadores de estos sistemas de apuntamiento proporcionan errores de precisión ocasionados por la 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 actúan de forma redundante. De esta forma se puede utilizar un motor de gran potencia para mover el conjunto de forma general, y además un segundo motor más lento y generalmente con baja capacidad de carga, para conseguir el ajuste fino. Este tipo de actuaciones se pueden observar en el apuntamiento de cámaras de precisión, en los que un primer motor de mayor capacidad movería 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 ángulos de trabajo y además proporcionan pares muy limitados. Además, incluso estos motores tienen para velocidades bajas rangos de funcionamiento no lineales que dificultan enormemente su control. Otro problema se daría cuando si en vez de querer apuntar o posicionar una cámara se desea apuntar un objeto mucho más pesado, como podría ser un cañón o una gran antena. En este caso, el apuntamiento sería mucho más complicado, e incluso el motor de ajuste fino podría 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 técnica.

Descripción de la invención

La presente invención resuelve los problemas existentes en el estado de la técnica 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 rígidamente a un primer engranaje cónico, y un segundo eje de entrada coaxial con el primer eje de entrada, accionado por un segundo motor y conectado rígidamente a un segundo engranaje cónico. El tren de engranajes epicicloidales dispone adicionalmente de una caja móvil dispuesta entre en el primer eje de entrada y el segundo eje de entrada. En el interior de la caja móvil están dispuestos el primer engranaje cónico y el segundo engranaje cónico antes mencionados, junto con un tercer engranaje cónico y un cuarto engranaje cónico, los cuales giran libremente alrededor de un eje móvil dispuesto en el interior de la caja móvil, que es perpendicular los ejes de entrada. Mediante esta disposición el tercer engranaje cónico y el cuarto engranaje cónico engranan con el primer engranaje cónico y con el segundo engranaje cónico.

Un elemento de salida está fijado rígidamente a la caja móvil, de tal forma que el movimiento de los ejes de entrada accionados por los motores es transmitido por los engranajes cónicos hasta dicho elemento de salida fijado a la caja móvil.

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

Así, la presente invención consiste en utilizar engranajes epicicloidales para la obtención de un dispositivo preciso de posicionamiento o apuntamiento. Mediante el dispositivo de la presente invención se evitan los problemas de los mecanismos existentes en el estado de la técnica, que consisten básicamente en errores de precisión 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 único sentido y a velocidades cercanas a la nominal, lo que evita los problemas anteriormente citados.

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

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

Breve descripción de los dibujos

A continuación, para facilitar la comprensión de la invención, a modo ilustrativo pero no limitativo se describirá una realización de la invención que hace referencia a una serie de figuras.

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

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 cónico

6. segundo engranaje cónico

7. caja móvil

8. tercer engranaje cónico

9. cuarto engranaje cónico

10. eje móvil

11. chasis

12. elemento de salida

Descripción detallada de la invención

El objeto de la presente invención 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 está accionado por un primer motor 3 y está conectado rígidamente a un primer engranaje cónico 5, y un segundo eje de entrada 2, el cual es coaxial con el primer eje de entrada 1, está accionado por un segundo motor 4, y está conectado rígidamente a un segundo engranaje cónico 6.

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

El tren de engranajes epicicloidales además presenta un elemento de salida 12 que está fijado rígidamente a la caja móvil 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 cónicos 5,6,8,9 al elemento de salida 12 fijada a la caja móvil 7, consiguiendo el movimiento de ésta.

En la presente invención el tren de engranajes epicicloidales está configurado para que el primer eje de entrada 1 gire en un único sentido continuamente durante su accionamiento y el segundo eje de entrada 2 también gire en un único 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. Así, el movimiento del dispositivo se podría 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 únicamente la velocidad del otro motor.

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

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

W* W'12 — Hri2 W'g

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 estático, es decir w12=0, una solución sería obviamente mantener estáticos los motores 3,4, es decir: w4=w3=0, pero además hay otra solución que sería hacer girar a ambos motores con velocidades en direcciones contrarias pero del mismo módulo, por ejemplo w4=300 rad/s y w3=-300 rad/s. En este caso, sería conveniente que esas velocidades angulares de giro estuvieran en el centro del rango óptimo de funcionamiento de los motores, y donde fuese más sencillo su control. De esta forma, el elemento de salida 12 también permanecería estático.

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

De este modo, la utilidad de la invención se manifestaría si se deseara iniciar un movimiento con una velocidad muy baja. Por ejemplo, si con un único motor de corriente alterna diseñado para trabajar en el rango de los 300 rad/s, se desease que iniciara un movimiento a 1 rad/s, surgirían problemas de control y funcionamiento, dado que los variadores de frecuencia no pueden controlar movimientos a tan baja frecuencia, y todo el sistema estaría funcionando en una situación muy diferente a la de funcionamiento óptimo.

Sin embargo, mediante el dispositivo de la presente invención con dos motores 3,4, el funcionamiento y el control se obtendría de la siguiente forma: partiendo de que los motores 3,4 se encuentran girando a 300 rad/s sólo se tendría que realizar un ligero incremento algebraico en ambos motores 3,4, con lo que la velocidad de uno de los motores pasaría de los 300 rad/s a los 301 rad/s, mientras el otro pasaría de -300 rad/s a -299 rad/s, operación factible y sencilla ya que los motores 3,4 se encontrarían en su rango de funcionamiento más lineal y de más fácil 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 ecuación de Willis sería para este caso:

(w4 + Aw-r) — nr12 = (nr12) — (w3 + Aur) => Anr = ur12

Es decir, para conseguir un movimiento a wio=1 rad/s positivo, la diferencia entre los módulos de la velocidad de ambos motores de entrada 3,4 ha de ser de 2 rad/s. Igual resultado podría 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 pequeña que haga al sistema fácilmente controlable, un sistema convencional con un motor de entrada con velocidad nominal de ^w ⁿ =300 rad/s acoplado a una reductora convencional de relación 300:1 conllevaría graves problemas, en primer lugar en el arranque, siendo éste siempre difícil de controlar por la propia construcción del motor, o por el paso de un coeficiente estático de rozamiento a uno dinámico.

Otro de los problemas de los sistemas convencionales es que la reductora limitaría enormemente el rango de velocidades máximas del elemento de salida. Si se asume por ejemplo que la velocidad de funcionamiento máxima es el doble de la nominal, la solución de la reductora 300:1 dejaría en 2 rad/s la máxima velocidad del elemento de salida. Este reducido valor sería insuficiente para muchas aplicaciones como por ejemplo el apuntamiento de diferentes cámaras.

Estos problemas no surgen con el tren de engranajes epicicloidales de la presente invención con dos motores de entrada 3,4, con el que la velocidad máxima del elemento de salida sería la misma que la de los motores de entrada 3,4 individuales, y para obtenerla únicamente se tendrían que hacer girar en el mismo sentido.

De acuerdo con una realización particular de la invención, el primer motor 3 y el segundo motor 4 pueden ser motorreductores, que estén mejor adaptados a las condiciones de velocidad máxima y par necesario para la aplicación a considerar. El empleo de motorreductores en los motores de entrada 3,4 está libre de los inconvenientes del uso tradicional de motorreductores en los sistemas convencionales de un motor. Efectivamente, el uso típico de motorreductores conlleva una pérdida de precisión y repetitividad cuando se cambia el sentido de giro, debido al juego entre engranajes y al acomodo en el ángulo de par de los motores síncronos. En la realización particular de la presente invención 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 precisión, por lo que dicha imprecisión desaparece.

Una vez descrita de forma clara la invención, 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 invención.

Claims

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 rígidamente a un primer engranaje cónico (5),

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

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

- el primer engranaje cónico (5) y el segundo engranaje cónico (6), - y un tercer engranaje cónico (8) y un cuarto engranaje cónico (9) que giran ambos libremente alrededor de un eje móvil (10) perpendicular al primer eje de entrada (1) y al segundo eje de entrada (2),

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

- y un elemento de salida (3) fijado rígidamente a la caja móvil (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 cónicos (5,6,8,9) al elemento de salida (3) fijado a la caja móvil (7),

- y por que el tren de engranajes epicicloidales está configurado para que el primer eje de entrada (1) gire en un único sentido continuamente durante su accionamiento y el segundo eje de entrada (2) gire en un único sentido continuamente durante su accionamiento.

2. Dispositivo de apuntamiento, según la reivindicación 1, caracterizado por que el primer motor (3) y el segundo motor (4) consisten en motorreductores.