Metrología Dimensional Aplicada a Superficies Activas en Telescopios

Alineación de la Superficie Reflectora Primaria del Gran Telescopio Milimétrico "Alfonso Serrano"


Informe Técnico, 2017
69 Páginas

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Table of Contents

Resumen

Índice de figuras

Índice de tablas

CAPÍTULO I. INSTITUTO NACIONAL DE ASTROFÍSICA ÓPTICA Y ELECTRÓNICA (INAOE)
1.1 Generalidades
1.2 Misiyn
1.3 Visiyn
1.4 Objetivos Estratégicos
1.5 Facultades
1.6 Instalaciones
1.7 Organigrama
1.8 Oferta educativa
1.9 Becas
1.9.1 Becas CONACyT
1.9.2 Becas INAOE
1.9.3 Otras Becas
1.10 Biblioteca
1.11 Visitas al INAOE

CAPÍTULO II. GRAN TELESCOPIO MILIMÉTRICO “ALFONSO SERRANO”
2.1 Introducciyn
2.2 Sierra Negra
2.3 La construcciyn del telescopio
2.4 Ciencia con el GTM
2.5 ¿Cómo funciona el GTM?
2.6 Instrumentos Científicos
2.7 Elementos ypticos adicionales
2.8 Sistemas de transmisiyn
2.9 Sistemas de control y adquisiciyn de datos
2.10 Condiciones Meteorolygicas
2.11 Objetivos científicos
2.12 Especificaciones técnicas

CAPÍTULO III. ALINEACIÓN DE LA SUPERFICIE REFLECTORA PRIMARIA DEL GRAN TELESCOPIO MILIMÉTRICO
3.1 Objetivos
3.1.1 Objetivo General
3.1.2 Objetivos Específicos
3.2 Superficie Reflectora Primaria
3.3 ¿Por qué se deben alinear los paneles?
3.4 Superficie activa
3.5 R.M.S
3.6 Máquina de Mediciyn por Coordenadas (MMC)
3.7 Funcionamiento
3.8 Aplicaciones
3.9 La máquina de mediciyn por coordenadas del INAOE
3.9.1 Componentes
3.9.2 Datos técnicos
3.9.3 Control electrynico
3.9.4 Palpadores
3.10 Proceso de alineación de la superficie reflectora primaria (paneles)
3.10.1 Composiciyn de un panel
3.10.2 Encender el equipo
3.10.3 Ingreso del segmento (panel) al área de mediciyn
3.10.4 Mediciyn
3.10.5 Ajustes
3.10.5.1 Gaps
3.10.5.2 Abrazaderas apretadas
3.10.5.3 Ajustadores orientados al centro
3.10.6 Liberación y entrega del panel medido
3.11 Metrología realizada en la Sierra Negra
3.11.1 Laser Tracker
3.11.2 Mediciyn y alineaciyn de un panel
3.11.3 Reportes de una mediciyn
3.11.4 Resultados con el Laser Tracker
3.11.5 Reparación y ajustes mecánicos

Comentarios finales

Aporte profesional

Aprendizaje

Conclusiones

Trabajo futuro

Innovaciyn

Glosario

Referencias Bibliográficas

RESUMEN

El propósito principal de esta memoria es evidenciar la experiencia profesional obtenida en el transcurso de 9 años colaborando como Técnico Metrólogo en el Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica (INAOE). El objetivo principal de la colaboración con el INAOE fue la alineación de la superficie reflectora primaria del Gran Telescopio Milimétrico “Alfonso Serrano” (GTM), mediante una máquina de medición por coordenadas (MMC).

Desde la llegada de los primeros componentes reflectores del espejo primario en 2005, la metrología de superficies se convirtió en una tarea crítica para el proyecto GTM. Los reflectores, también conocidos como paneles, juegan un papel muy importante por su aportación en la obtención de imágenes astronómicas de alta calidad, por lo que mantener alta precisión en su ubicación final representa un reto. Los paneles son instalados en series de 8 subpaneles y constituyen los segmentos del reflector primario.

En cualquier telescopio es vital que la forma precisa de la óptica, conocida también como la figura, se mantenga en todas las orientaciones del telescopio. Debido a que el reflector primario tiene 50 m de diámetro, el requerimiento es extremadamente difícil de alcanzar. El reto se debe a que los efectos de la gravedad, de los cambios térmicos y del viento provocan flexiones en la estructura del telescopio. Para que el telescopio funcione adecuadamente se requiere que el efecto de las flexiones de la estructura, en la figura de la óptica, se mantenga dentro de un margen de error total de 75μm rms.

Los paneles que forman la antena del gran telescopio milimétrico deben ser alineados porque debemos eliminar el error de inclinación de la superficie. Si la superficie no tiene una perfecta alineación, los segmentos individuales no pueden producir la parabólica que se necesita para reflejar la radiación. El reducir el rango de inclinación alineando las diferencias de nivel, nos permitirá un mejor apuntado de cada uno de los segmentos, y así podremos mantener la superficie simétrica con el fin de obtener una excelente imagen astronómica y evitar deformaciones en todas nuestras imágenes. Para llevar a cabo las mediciones de estos componentes, el proyecto hizo uso de una MMC construida y equipada en las instalaciones del INAOE por investigadores y personal del instituto.

La superficie del reflector primario está dividida en 180 segmentos distribuidos en cinco anillos concéntricos. El primer anillo tiene 12 segmentos, el segundo tiene 24 y los tres restantes tienen 48 cada uno. Se estima que cuando se concluya el ajuste de los paneles, el gtm tendrá un error final en su superficie de 70μm. Actualmente (principios del 2017) se cuenta con una superficie terminada de 32.5 metros de diámetro; sin embargo, cuando sea concluido será el más grande del mundo en su tipo. Y no solo eso, también podemos decir que el GTM es un instrumento de alta precisión, cuyo impacto en el avance del conocimiento astrofísico lo sitúa entre los telescopios más importantes del mundo.

ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA 1.1. Mapa de acceso (obtenida de[2])

FIGURA 1.2. Instalaciones del INAOE. (Obtenida de[3])

FIGURA 1.3. Organigrama (obtenida de[4])

FIGURA 1.4. Biblioteca del INAOE

FIGURA 2.1. Gran Telescopio Milimétrico “Alfonso Serrano” (obtenida de [7])

FIGURA 2.2. Localización geográfica de la Sierra Negra

FIGURA 2.3. Etapa de construcciyn (Modificado de[21])

FIGURA 2.4. Espectrygrafo de banda ancha

FIGURA 2.5. Cámara Milimétrica de 144 pixeles

FIGURA 2.6. Cámara Heterodina de líneas espectrales

FIGURA 3.1. Superficie Reflectora Primaria (obtenida de documento[7])

FIGURA 3.2. Máquina de medición por coordenadas (MMC) del INAOE

FIGURA 3.3. La MMC utiliza tres interferómetros lineales (X,Y,Z) para proporcionar distancia en cada eje (obtenida de [14]

FIGURA 3.4. Componentes de la MMC (modificada de[14])

FIGURA 3.5. Chasis de control de potencia de la MMC

FIGURA 3.6. Palpadores CT 6002 y MT 101M (tomado de[14])

FIGURA 3.7. Subpanel con sus 5 ajustadores (modificado de[18])

FIGURA 3.8. Composiciyn de un panel (modificado de[18])

FIGURA 3.9. Panel completo formado por 8 subpaneles donde podemos apreciar los 40 ajustadores (modificado de[18])

FIGURA 3.10. Segmento ensamblado (obtenida de[18])

FIGURA 3.11. Ingreso al sistema en tiempo real

FIGURA 3.12. Pantalla de control

FIGURA 3.13. Pantalla de movimientos

FIGURA 3.14. Segmento armado “panel completo”. (Obtenida de[15])

FIGURA 3.15. Forma del panel del Anillo

FIGURA 3.16. Forma del panel del Anillo 2,3,4 y

FIGURA 3.17. Gráfica de un panel completo

FIGURA 3.18. Gráficas por subpaneles (8 piezas)

FIGURA 3.19. Posiciones de los gaps

FIGURA 3.20. Herramientas de trabajo

FIGURA 3.21. Reporte de liberaciyn de un panel

FIGURA 3.22. Equipo de medición Laser Tracker Leica

FIGURA 3.23. Medición de un panel con el Laser Tracker

FIGURA 3.24. Reporte de mediciyn generado por el Laser Tracker

FIGURA 3.25. Paneles medidos e instalados

FIGURA 3.26. Total de paneles medidos

ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 1.1. Horarios de visitas (obtenida de[6])

TABLA 2.1. Especificaciones Técnicas del GTM (modificada de 10])

TABLA 3.2. Datos técnicos de la MMC (modificada de[14])

TABLA 3.3. Datos Técnicos del Laser Tracker Leica (modificada de[18])

TABLA 3.4. Paneles medidos e instalados

TABLA 3.5. Nomenclatura de los segmentos

RESUMEN

El propósito principal de esta memoria es evidenciar la experiencia profesional obtenida en el transcurso de 9 años colaborando como Técnico Metrólogo en el Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica (INAOE). El objetivo principal de la colaboración con el INAOE fue la alineación de la superficie reflectora primaria del Gran Telescopio Milimétrico “Alfonso Serrano” (GTM), mediante una máquina de medición por coordenadas (MMC).

Desde la llegada de los primeros componentes reflectores del espejo primario en2005, la metrología de superficies se convirtió en una tarea crítica para el proyectoGTM. Los reflectores, también conocidos como paneles, juegan un papel muyimportante por su aportación en la obtención de imágenes astronómicas de altacalidad, por lo que mantener alta precisión en su ubicación final representa unreto. Los paneles son instalados en series de 8 subpaneles y constituyen lossegmentos del reflector primario.

En cualquier telescopio es vital que la forma precisa de la óptica, conocida también como la figura, se mantenga en todas las orientaciones del telescopio. Debido a que el reflector primario tiene 50 m de diámetro, el requerimiento es extremadamente difícil de alcanzar. El reto se debe a que los efectos de la gravedad, de los cambios térmicos y del viento provocan flexiones en la estructura del telescopio. Para que el telescopio funcione adecuadamente se requiere que el efecto de las flexiones de la estructura, en la figura de la óptica, se mantenga dentro de un margen de error total de 75μm rms.

Los paneles que forman la antena del gran telescopio milimétrico deben seralineados porque debemos eliminar el error de inclinación de la superficie. Si lasuperficie no tiene una perfecta alineación, los segmentos individuales no puedenproducir la parabólica que se necesita para reflejar la radiación. El reducir el rangode inclinación alineando las diferencias de nivel, nos permitirá un mejor apuntadode cada uno de los segmentos, y así podremos mantener la superficie simétricacon el fin de obtener una excelente imagen astronómica y evitar deformaciones entodas nuestras imágenes. Para llevar a cabo las mediciones de estoscomponentes, el proyecto hizo uso de una MMC construida y equipada en lasinstalaciones del INAOE por investigadores y personal del instituto.

La superficie del reflector primario está dividida en 180 segmentos distribuidos encinco anillos concéntricos. El primer anillo tiene 12 segmentos, el segundo tiene 24y los tres restantes tienen 48 cada uno. Se estima que cuando se concluya elajuste de los paneles, el gtm tendrá un error final en su superficie de 70μm.Actualmente (principios del 2017) se cuenta con una superficie terminada de 32.5metros de diámetro; sin embargo, cuando sea concluido será el más grande delmundo en su tipo. Y no solo eso, también podemos decir que el GTM es uninstrumento de alta precisión, cuyo impacto en el avance del conocimientoastrofísico lo sitúa entre los telescopios más importantes del mundo.

CAPÍTULO I. INSTITUTO NACIONAL DEASTROFÍSICA ÓPTICA Y ELECTRÓNICA(INAOE)

1.1 Generalidades

El Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) fue creado por decreto presidencial el 11 de noviembre de 1971 como un organismo descentralizado, de interés público, con personalidad jurídica y patrimonio propio, ubicado en Tonantzintla, Puebla, con los siguientes objetivos:

- Preparar investigadores, profesores especializados, expertos y técnicosen astrofísica, óptica, electrónica, Ciencia y tecnología del espacio yCiencias y Tecnologías Biomédicas.
- Procurar la solución de problemas científicos y tecnológicos relacionadoscon las citadas disciplinas.
- Orientar sus actividades de investigación y docencia hacia la superación de las condiciones y resolución de los problemas del país.
- Con este decreto el INAOE tiene la facultad de impartir cursos y otorgargrados de maestría y doctorado en las diversas disciplinas que en él sedesarrollan.

EL INAOE es heredero de una gran tradición científica que data de 1942, cuando Luis Enrique Erro fundó el Observatorio Astrofísico Nacional de Tonantzintla. En aquel entonces, Tonantzintla se escogió como el lugar idóneo para la instalación del Observatorio, el cual cumplía con las exigentes normas de calidad y cantidad de noches despejadas por año, así como altura geográfica y mínima incidencia luminosa de poblaciones cercanas, ya que en la capital de la República no era posible instalar un moderno Observatorio.

Con la Cámara Schmidt de Tonantzintla se inauguró este Observatorio, abriéndose las puertas a la astronomía moderna en México y Latinoamérica. La importancia del Observatorio Astrofísico de Tonantzintla traspasó las fronteras de México, siendo reconocida la labor realizada por astrónomos reconocidos internacionalmente, entre los que figuraron el mismo fundador Luis Enrique Erro; el Dr. Guillermo Haro, el Prof. Luis Rivera Terrazas, el Dr. Luis Munch y el astrónomo Enrique Chavira, entre otros.

Erro fue sustituido en la dirección del Observatorio por el doctor Guillermo Haro, bajo cuya dirección se convirtió en uno de los centros más importantes de América Latina por la calidad del trabajo científico que en él se llevaba a cabo. Haro se dio cuenta de la importancia para el país de la óptica y la electrónica, por lo que en 1971 decidió fundar el INAOE.

En 1972 se fundó el Departamento de Óptica, y dos años después inició susactividades el Departamento de Electrónica. En 1972 se iniciaron los estudios demaestría en Óptica y en 1974 los de Electrónica. En 1984 se inició el programa dedoctorado en Óptica, y en 1993 los programas de doctorado en Electrónica; así como la maestría y doctorado en Astrofísica. En agosto de 1998 se inició el programa de maestría y doctorado en Ciencias Computacionales.

Finalmente se incluyeron las áreas de Ciencia y Tecnología del espacio y Ciencias y Tecnologías Biomédicas.

El Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica tiene su domicilio en la localidad de Santa María Tonantzintla, municipio de San Andrés Cholula, Puebla, sin perjuicio de que su Junta de Gobierno pueda autorizar el establecimiento de unidades, subsedes y representaciones de la Institución en otros lugares de la República Mexicana y del extranjero.

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FIGURA 1.1. Mapa de acceso (obtenida de[2])

1.2 Misión

Contribuir como centro público de investigación a la generación, avance y difusióndel conocimiento para el desarrollo del país y de la humanidad, por medio de laidentificación y solución de problemas científicos y tecnológicos y de la formaciónde especialistas en las áreas de Astrofísica, Óptica, Electrónica, CienciasComputacionales, Ciencia y Tecnología del Espacio, Ciencias y TecnologíasBiomédicas y áreas afines.

Participar con la Institución en la formación de científicos que nuestro paísdemanda en sus áreas prioritarias y constituirse como centro vital de servicios deinformación y acervos documentales, que conserve y difunda el conocimiento.

Favorecer la creación de conocimientos de frontera o de tecnología de puntafacilitando el libre flujo de información científica en todas las áreas del Instituto,para mantener así un fuerte compromiso de calidad con el mejoramiento continuode sus servicios y materiales bibliohemerográficos, por medio del análisis delcomportamiento general del usuario, y la capacitación continua del bibliotecario.

1.3 Visión

El INAOE será un centro público de investigación con un alto liderazgo a nivelinternacional en el ámbito de la investigación científica, el desarrollo tecnológico yla formación de recursos humanos dentro de las áreas de Astrofísica, Óptica,Electrónica, Ciencias Computacionales Ciencia y Tecnología del Espacio, CienciasBiomédicas y áreas afines, comprometido con el desarrollo nacional a través de lapromoción de valores sociales de solidaridad, creatividad y alta competitividad.

Tener la mejor biblioteca de ciencias, permisible a los recursos del INAOE, nuestrousuario debe contar con el apoyo científico de su biblioteca o centro deinformación aquí, en su cubículo, en su casa, en cualquier lugar y en todomomento, con acceso a un acervo excelente que satisfaga las necesidades de nuestras áreas básicas Astrofísica, Óptica, Electrónica, Ciencias Computacionales, Ciencia y Tecnología del Espacio, y Ciencias y Tecnologías Biomédicas.

Desarrollar servicios eficientes y oportunos para todos los usuarios, siempre con la tendencia a la modernidad.

Tener un acervo digital y de servicios que proporcionen datos concretos,puntuales, con información precisa, confiable y actualizada, que incluyan nuevastecnologías como lo requiere el desarrollo de los servicios de una biblioteca digital.

1.4 Objetivos Estratégicos

- Identificar y procurar la soluciyn de problemas científicos y tecnológicos en los campos de astrofísica, óptica, electrónica, telecomunicaciones, computación, instrumentación y demás áreas afines por medio de la investigación científica básica y aplicada, el desarrollo experimental y la innovación tecnológica.
- Preparar investigadores, profesores especialistas, expertos y técnicos en loscampos del conocimiento referido, en los niveles de especialización, licenciatura,maestría, doctorado y postdoctorado, a través de programas educativos deexcelencia.
- Orientar las actividades de investigación y docencia hacia la superación de las condiciones y la resolución de los problemas del país.
- Ampliar y fortalecer la cultura científica y tecnolygica en la sociedad a través de programas de difusión acordes a las actividades inherentes al centro.
- Fomentar el trabajo en redes, nacionales e internacionales, tanto para la ejecución de proyectos de investigación, la aplicación del conocimiento y la formación de capital humano.
- Promover y realizar reuniones y eventos de intercambio tanto nacionales como internacionales con instituciones afines.
- Vincularse con las organizaciones públicas y privadas de su entorno, de tal manera que los resultados de las investigaciones respondan de manera eficiente a las demandas de la sociedad, promover el establecimiento de centros de investigación con otros sectores y fomentar la innovación.
- Colaborar con las autoridades competentes en las actividades de promociyn de la metrología, el establecimiento de normas de calidad y la certificación.

1.5 Facultades

- Desarrollar investigaciones e impartir enseñanzas para la consecución de los objetivos previstos.
- Organizar sus planes de investigación y enseñanza.
- Adoptar métodos adecuados para evaluar sus actividades de investigación y enseñanza.
- Conceder grados y otorgar diplomas.

1.6 Instalaciones

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FIGURA 1.2. Instalaciones del INAOE. (Obtenida de[3])

1.7 ORGANIGRAMA

FIGURA 1.3. Organigrama (obtenida de[4])

1.8 Oferta educativa

Uno de los objetivos primordiales del INAOE desde su creación es el prepararinvestigadores, profesores especializados, expertos y técnicos en Astrofísica,Óptica, Electrónica, Ciencias Computacionales, Ciencia y Tecnología del Espacio,Ciencias y Tecnologías Biomédicas y áreas afines; así como orientar susactividades hacia la solución de problemas fundamentales para el país ofreciendolos siguientes posgrados:

1.9 BECAS

1.9.1 Becas CONACyT

Los programas de Posgrado del INAOE, están dentro del Programa Nacional de Posgrados de Calidad PNPC de CONACyT, por lo tanto; todos los alumnos que son aceptados a los programas del Instituto, pueden acceder a las becas otorgadas por el CONACyT.

1.9.2 Becas INAOE

Becas Tesis y proyecto terminal a alumnos externos, becas INAOE para cursos propedéuticos. El INAOE otorga un apoyo económico a aquellos participantes inscritos en los cursos propedéuticos.

1.9.3 OTRAS Becas

BECAS OEA para estudiantes extranjeros.BECAS SRE para estudiantes extranjeros.

1.10 BIBLIOTECA

Dada la jerarquía de la Biblioteca del INAOE, como biblioteca especializada en ciencias (Astrofísica, Óptica, Electrónica y CienciasComputacionales). Debeconsiderársele como unorganismo dinámico dondees indispensable quedisponga de una colección bien seleccionada y actualizada, porque sólo así podrá responder adecuadamente a losintereses y necesidades desus usuarios.

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FIGURA 1.4. Biblioteca del INAOE

Las colecciones del INAOE siempre se ha procurado que sean de calidad y de vanguardia, en la actualidad son las de una biblioteca especializada con tendencias a la digitalización de sus servicios por lo que puede decirse que es la colección de una biblioteca híbrida.

Los acervos de la Biblioteca del INAOE, no son colecciones amorfas y sin divisiones, sino un conjunto de colecciones complementarias que giran al parejo de los objetivos sustantivos del Instituto y de sus líneas de investigación.

Las colecciones o acervos están ubicados en dos áreas, procurando tener en el principal las colecciones más nuevas y en el segundo guardando ordenadamente lo que tiene poco uso, por ejemplo en el caso de las revistas, en la Biblioteca propiamente dicha se tiene de 2005 a la fecha y en la Biblioteca-Almacén 2004 retrospectivamente.

La colección contiene: Libros, publicaciones periódicas, tesis (Licenciatura, Maestría yDoctorado) Reportes Técnicos, Colecciones especiales y Audiovisuales (Videos, discos,microfichas).

Todo el material se procura clasificarlo y catalogarlo con las normas de la Biblioteca del Congreso de Estados Unidos.

Nuestra colección cuenta actualmente con 17,779 libros de circulación continua y de material de consulta, cerca de 500 títulos de revistas de los cuales actualmente se conservan vigentes 200 títulos, más de 150 videos VHS, 100 discos flexibles o compactos, complemento de libros, memorias de congresos, revistas en texto completo y algunas enciclopedias y diccionarios, 2000 tesis de licenciatura, maestría y doctorado y 200 reportes técnicos algunos ya digitalizados.

1.11 Visitas al INAOE

El Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica cuenta con un programade visitas guiadas dirigido a estudiantes de todos los niveles. Estos recorridos serealizan los martes y viernes a las 10:00 horas. Por otra parte, la temporada deobservaciones nocturnas en la histórica Cámara Schmidt es de octubre a marzo.En este caso, las veladas se realizan todos los jueves a las 19:00 horas.

Finalmente, el Gran Telescopio Milimétrico “Alfonso Serrano”

(GTM) también ofrece recorridos. Este observatorio se ubica en la cima del Volcán Sierra Negra, a 4,581 metros sobre el nivel del mar.

Las visitas al INAOE y al GTM no tienen costo.

Los datos personales que usted proporciona serán protegidos, incorporados y tratados en el sistema de solicitud de visitas del INAOE de conformidad con lo dispuesto por la Ley Federal de Transparencia y Acceso a la Información Pública Gubernamental y demás disposiciones aplicables.

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TABLA 1.1. Horarios de Visitas (obtenida de[6])

CAPÍTULO II. GRAN TELESCOPIOMILIMÉTRICO “ALFONSO SERRANO”

2.1 Introducción

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FIGURA 2.1. Gran Telescopio Milimétrico “Alfonso Serrano” (obtenida de[7])

El Gran Telescopio Milimétrico “Alfonso Serrano”, es un proyecto de colaboraciónbinacional entre E.E.U.U y México. Las instituciones que representan lacolaboración son, por E.E.U.U la Universidad de Massachusetts y por México elInstituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica (INAOE). El proyecto hacontemplado el diseño, construcción y operación del radio telescopio de 50 metrosde diámetro con su superficie primaria segmentada. El rango de longitudes deonda de operación será de 1.1 a 4 mm; se estima que, cuando se concluya elajuste de sus paneles, el GTM tendrá un error total en su superficie de 70μmproporcionándole una eficiencia del 45% a 1.2 mm y 70% a 3 mm.

Actualmente (principios del 2017) se cuenta con una superficie terminada de 32.5metros de diámetro; sin embargo, cuando sea concluido será el más grande delmundo en su tipo. Y no solo eso, también podemos decir que el GTM es uninstrumento de alta precisión, cuyo impacto en el avance del conocimientoastrofísico lo sitúa entre los telescopios más importantes del Mundo [8].

El Gran Telescopio Milimétrico “Alfonso Serrano” (GTM), es el telescopio de platoúnico y movible más grande del mundo, está diseñado para hacer observacionesastronómicas en longitudes de onda. Este proyecto binacional entre México y losEstados Unidos, representa el instrumento científico más grande y complejoconstruido en México. Situado en la cima del Volcán Sierra Negra a una altitud de4600 metros, el GTM recientemente ha iniciado la exploración de los procesosfísicos que controlan la formación y evolución de sistemas planetarios, estrellas,hoyos negros y galaxias a través de los 13.7 mil millones de años de historia delUniverso [8].

El GTM es un radiotelescopio de 50 m de diámetro que detecta luz con longitudesde onda milimétricas. El telescopio está en funcionamiento, y los 32.5 m dediámetro interiores de la superficie reflectora primaria están instalados en sutotalidad. Esta configuración permite que el sistema completo, incluyendo a losinstrumentos científicos, sea puesto en funcionamiento. A mediados de 2011, elGTM realizó con éxito una serie de observaciones de primera luz a 3 mm y a 1.1mm con el Redshift Search Receiver (RSR) y la cámara AzTEC respectivamente[10].

2.2 Sierra Negra

El Gran Telescopio Milimétrico “Alfonso Serrano” (GTM) está construido sobre la cima del volcán inactivo Sierra Negra, un cono secundario al Pico de Orizaba; geográficamente el GTM se ubica en la latitud 18º 59’ 06" N; y la longitud 97º 18’ 53" O, con una elevación de 4600m sobre el nivel del mar, dentro del Parque Nacional Pico de Orizaba en el estado mexicano de Puebla [10].

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Figura 2.2. Localización geográfica de la Sierra Negra.(https://www.openstreetmap.org/search?query=sierra%20negra%20mexiko#map=9/19.3319/-96.2485)

El sitio del GTM está a 100 km al este de la ciudad de Puebla y el InstitutoNacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE). La proximidad de SierraNegra a las instalaciones del Observatorio Nacional GTM (ONGTM) en el INAOE(a 2 hr por carretera), y a ciudades grandes y aeropuertos internacionales (Puebla 85 km - 2 hr, Ciudad de México 250 km - 4hr) permite un buen apoyo logístico en el sitio por parte del personal del ONGTM tanto en el INAOE como en UMass.

Su ubicación permite hacer observaciones de fuentes astronómicas tanto en el hemisferio norte como en el hemisferio sur, y la fracción del cielo asequible se superpone con aquella de otros observatorios importantes, en particular con los telescopios en Hawaii y el norte de Chile.

2.3 La construcción del telescopio

Inmediatamente después de la selección del sitio del GTM en el Volcán SierraNegra, en 1997, se iniciaron 2 obras, el camino de acceso a la cima de la montañay las excavaciones para cimentar el telescopio. Cuando se concluyó lacimentación, en el año 2000, la estructura básica de concreto incluía, además de 37 pilares anclados a una profundidad de 20 m, una rotonda subterránea hueca de 40 m de diámetro y 6 m de profundidad, que se ha estructurado en variashabitaciones muy grandes, que en la actualidad albergan laboratorios, dormitorios,cocina, sanitarios y cuartos de control del telescopio. La cimentación tambiénsoporta un cono de concreto hueco de 15 m de altura, en cuyo ápice se ancla elpivote que soporta al telescopio cuando se encuentra sometido a cargas laterales[8].

El GTM es un telescopio de apertura simple con una superficie reflectora primaria de 50 m de diámetro, y un espejo secundario de 2.5 m de diámetro. La óptica del telescopio produce un campo de visión de 8 minutos de arco de diámetro, que casi no sufre de aberraciones. La alidada del telescopio descansa sobre 16 ruedas encerradas en 4 carritos, que se deslizan sobre una vía de acero para realizar rotaciones acimutales. La alidada contiene un cuarto de control y las cabinas de receptores, donde la instrumentación recibirá el haz reflejado por el espejo terciario y la óptica templada de acoplamiento.

El reflector primario consiste de 180 segmentos distribuidos en 5 anillos concéntricos. Las deformaciones que sufra esta superficie se podrán corregir mediante 720 actuadores que operarán en lazo abierto para mantener la precisión de la superficie bajo las especificaciones de operación.

Las componentes estructurales más importantes son la pista, la alidada, las ruedas, los contrapesos, la estructura de soporte del reflector primario, el cuadrupodo del secundario, y los cuartos de control y recepción.

La alidada del telescopio descansa sobre 16 ruedas encerradas en 4 carritos, quese deslizan sobre una vía de acero para realizar rotaciones acimutales.La alidada contiene un cuarto de control y las cabinas de receptores, donde lainstrumentación recibirá el haz reflejado por el espejo terciario y la óptica templadade acoplamiento.

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Figura 2.3. Etapa de construcción (obtenida de[21])

2.4 Ciencia con el GTM

Algunos de los principales objetivos de la astronomía moderna son entender laevolución de las estructuras, desde las fluctuaciones primarias del fondo cósmicode microondas hasta la distribución y morfología de las galaxias en el universolocal, así como los procesos físicos de formación estelar en las distintas épocascosmológicas [7].

Las observaciones en longitudes de onda milimétricas ofrecen una oportunidadúnica para estudiar los ambientes más fríos, densos y obscuros en el Universo, loscuales a su vez suelen ser las regiones donde se origina la formación deestructuras.

Las capacidades sin precedente del GTM proveen una excelente sensibilidad parala detección de fuentes puntuales y de emisión superficial débil, debidoprincipalmente a sus 2000 m[2] de área colectora, la alta precisión de su superficie,y la calidad del cielo en Sierra Negra para observaciones astronómicas alongitudes de onda milimétricas. El GTM está complementado por un conjunto deinstrumentos de última generación que permitirán trazar la evolución de lasestructuras en una amplia variedad de escalas físicas y a través de la historiacompleta del Universo.

2.5 ¿Cómo funciona el GTM?

Como la mayoría de los telescopios, tiene una superficie principal o primaria quecolecta las ondas milimétricas, éstas son reflejadas a una superficie secundaria, lacual las enfoca en un punto donde se colocan los detectores que registran yprocesan las señales. El funcionamiento básico es el mismo de un radio receptorcomercial de frecuencia modulada. Usa una técnica dividida en dos etapas, una aaltas frecuencias en la detección inicial y otra etapa de baja frecuencia. Esta últimala consigue de la diferencia entre la frecuencia inicial y la generada por unoscilador local a una frecuencia fija cercana a la que se desea sintonizar,finalmente se procesa la diferencia y esto permite un mejor control de losparámetros a medir, pues es relativamente más fácil el procesamiento a bajasfrecuencias.

El principal objetivo científico del GTM es estudiar los procesos físicos de formación de estructuras y su evolución a través de la historia del Universo. De manera más específica, el GTM tiene la capacidad de investigar temas tan diversos como la constitución de cometas, atmósferas planetarias, la formación de exo-planetas y el nacimiento y evolución de estrellas, el crecimiento jerárquico de galaxias, cúmulos de galaxias, y su distribución a grandes escalas astronómicas, así como el fondo cósmico de microondas y sus anisotropías[7].

El telescopio está en funcionamiento, y los 32.5 m de diámetro interiores de lasuperficie reflectora primaria están instalados en su totalidad. Esta configuraciónpermite que el sistema completo, incluyendo a los instrumentos científicos, seapuesto en funcionamiento. A mediados de 2011, el GTM realizó con éxito unaserie de observaciones de primera luz a 3 mm y a 1.1 mm utilizando 2 de sus instrumentos científicos.

2.6 Instrumentos Científicos

Los instrumentos científicos del GTM proveen una combinación de receptores de continuo de banda ancha y heterodinos, e incluye 3 instrumentos.

Redshift Search Receiver (RSR), es el espectrógrafode banda ancha a 3 mm utilizado durante lasobservaciones de primera luz y actualmente instaladoen el GTM. Es un instrumento novedoso basado enMMIC, el cual fue diseñado para maximizar el anchode banda instantánea del receptor y cubrir la ventanaatmosférica de 90 GHz (73 - 111 GHz) en una únicasintonización. El receptor tiene 4 pixeles configuradosen dos haces y dos polarizaciones. Las polarizacionesortogonales están combinadas por transductoresbasados en guías de onda. El cambio de haz en elcielo se realiza a 1kHz mediante un rápido rotador depolarización Faraday y una rejilla de rendija anchapara intercambiar el haz reflejado y transmitido a cadareceptor.

AzTEC, es una cámara milimétrica con 144 pixelesque opera a 1.1 mm. Haciendo escaneos con eltelescopio o moviendo el espejo secundario se consigue producir imágenes completamente muestreadas. Actualmente, el diseño óptico y elacoplamiento del instrumento al telescopio solamentepermite a AzTEC iluminar los 32.5 m interiores delespejo primario, lo cual resulta en una resoluciónangular de 8.5 segundos de arco, aproximadamente.La cámara AzTEC fue instalada y probadaexitosamente.

SEQUOIA, es una cámara heterodina, un arreglocriogénico de 16 pixeles, en una configuración de 4×4con polarización dual, que opera entre 85 y 115 GHz.Por muchos años, SEQUOIA fue el “caballo debatalla” en el telescopio de 14 m FCRAO y, cuando seinstale en el GTM, seguirá siendo la cámaraheterodina de líneas espectrales más grande,operando a 3 mm.

2.7 Elementos ópticos adicionales

El GTM es un sistema óptico Cassegrain curvo con un espejo secundario de 2.5 m de diámetro y un espejo terciario plano localizado en el eje de elevación del telescopio. El espejo secundario es un espejo de aluminio maquinado con un rms de 30 micras, y está unido al telescopio por medio de un hexápodo activo que permite la optimización del foco, y hacer compensaciones laterales y de inclinación. El espejo terciario sigue el ángulo de elevación del telescopio y refleja el haz de luz hacia los receptores[7].

2.8 Sistema de transmisión

El sistema de transmisión de la antena se terminó hace tiempo. Esto permite evaluar con anticipación el desempeño en el apuntado y seguimiento del telescopio mediante el uso de un telescopio óptico montado en la antena. Con estas medidas se demostró que el telescopio tiene una precisión en el seguimiento de fuentes menores a 1 segundo de arco, y que los errores en el apuntado son consistentes con 3 segundos de arco[7].

2.9 Sistema de control y adquisición de datos

El sistema de control del GTM fue probado en el telescopio FCRAO de 14 m durante sus últimos años de operación. Estas pruebas previas fueron de gran ayuda una vez que el GTM inició sus operaciones. El sistema de adquisición de datos, el cual coordina al telescopio con sus instrumentos para producir datos científicos, es un software nuevo desarrollado basándonos en nuestra experiencia con el 14 m FCRAO. Este nuevo sistema se ha utilizado exitosamente con los instrumentos de prueba (la cámara óptica y el sistema de holografía) y con los primeros dos instrumentos científicos (AzTEC y el RSR).

2.10 Condiciones Meteorológicas

La estación meteorológica del GTM monitoriza el clima local y las condicionesatmosféricas a intervalos de algunos minutos. Se lleva un registro de las medidasde temperatura, presión, humedad, velocidad y dirección del viento, y latransparencia atmosférica (u opacidad) a 215 GHz. El Volcán Sierra Negra selocaliza en latitudes tropicales, a 100 km al oeste del Golfo de México, y por lotanto sufre variaciones climáticas estacionales entre los meses “húmedos” delverano (junio-septiembre) y los meses “secos” de invierno (octubre-mayo) [7].

El proyecto GTM ha recopilado gran cantidad de datos de las condicionesradiométricas en el sitio. Entre 1997 y 2008, las mediciones de la opacidadatmosférica a 215 GHz (1.4 mm) demuestran que el sitio del GTM tiene unaexcelente transparencia a ondas milimétricas, con una opacidad media, durantelos meses secos de invierno. Por lo tanto, será posible realizar observaciones a340 GHz (850μm) cuando las condiciones sean yptimas en el invierno. Aún durante los meses de verano, el Volcán Sierra Negra es un excelente sitio para hacer observaciones a 3 mm.

Generalmente las condiciones meteorológicas (viento, temperatura, presión) en elsitio del GTM son relativamente benignas a pesar de la elevada altitud. En cuantoal desempeño de la antena, el factor meteorológico que más afecta es la velocidaddel viento, ya que distorsiona la superficie primaria y afecta el apuntado deltelescopio. La velocidad promedio del viento es 6 m/s, y la temperatura mediaoscila alrededor de 0° C con variaciones diurnas de 5° C. El GTM ha sidodiseñado para tener precisiones de apuntado < 1 segundos de arco encondiciones de viento < 10 m/s, las cuales se cumplen 90% del tiempo.

2.11 Objetivos científicos

El GTM es una importante y novedosa instalación astronómica para realizarobservaciones a longitudes de onda milimétricas cortas (1.1 mm - 4 mm) conbuena eficiencia, y capaz de observar hasta a 0.8 mm cuando las condiciones declima son óptimas. El GTM tiene como principales ventajas que cuenta con unasuperficie primaria grande, la cual permite velocidades altas de cartografiado yresoluciones angulares moderadas (6 - 20 segundos de arco), y que estáconstruido en un sitio a gran altitud (4,600 m). Una vez que se complete lainstalación de la superficie primaria (actualmente con 32.5m instalados) el GTMcontará con un área reflectora de 50 m, convirtiéndolo en el telescopio de una solaantena más grande del mundo diseñado para hacer observaciones astronómicas alongitudes de onda milimétricas cortas [7].

2.12 Especificaciones técnicas

El GTM es un telescopio milimétrico de una sola antena, con una superficie reflectora de 50m de diámetro. La estructura se erige a una altura equivalente a la de un edificio de 20 pisos. Operará con excelente eficiencia a longitudes de onda mayores de 1 mm, y será capaz de realizar observaciones a 0.85 mm.

La precisión de la superficie fue uno de los grandes desafíos del diseño. SegúnItziar [9] El gtm será mejor que otros telescopios de su clase en este aspecto, alcontar con una superficie activa compuesta por 180 segmentos móviles. Cadasegmento se apoya en una estructura rígida de reacción, la cual se sujeta a laestructura del reflector por medio de un armazón o submarco posterior. Laposición de cada submarco respecto a la estructura de soporte se puede ajustarmediante cuatro actuadores, y así se espera corregir las deformacionesproducidas por la gravedad o los gradientes térmicos. Los sensores detemperatura, colocados sobre todas las partes críticas de la estructura, enviaránsus datos al sistema de control, y la superficie se medirá periódicamente contécnicas holográficas. Las simulaciones realizadas durante el diseño de la antenaindican que será posible mantener la precisión de su superficie en presencia devientos de hasta 10 m/s, cumpliendo así con las especificaciones técnicas.

Las especificaciones técnicas son muy exigentes, como se muestra en la tabla 2.1

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TABLA 2.1. Especificaciones Técnicas del GTM (modificada de[10])

El GTM es un telescopio al aire libre, menciona Carrasco [9] sin radomo u otraestructura que lo envuelva, para garantizar un desempeño óptimo bajo las mejorescondiciones de observación, particularmente para las delicadas observaciones delcontinuo.

La antena está diseñada para satisfacer los requerimientos básicos de apuntadoen condiciones benignas: sin cargas de viento y con temperaturas nocturnasestables. Las cargas eólicas y térmicas introducen errores de apuntado que debenser detectados y compensados. El sistema inicial se basará en técnicas estándar,como el modelo de apuntado de la antena, la estabilización térmica de laestructura y un cuidado extremo en el diseño de los controladores de movimientode la antena. Dichos principios básicos se complementarán con las medidas deinclinómetros montados cerca del eje de elevación. Adicionalmente, los sensoresde temperatura se utilizarán en conjunción con modelos de elementos finitos paradeterminar deformaciones estructurales, como las desviaciones del perfil delespejo primario o la deslocalización del subreflector respecto a la parábola demejor ajuste. Una vez conocidas las deformaciones estructurales, éstas secorregirán para que las propiedades de apuntado correspondan al objetivo final dedesempeño de la antena.

CAPÍTULO III. ALINEACIÓN DE LA SUPERFICIEREFLECTORA PRIMARIA DEL GRAN TELESCOPIO MILIMÉTRICO

3.1 OBJETIVOS

3.1.1 Objetivo General

Alinear los segmentos (paneles) que forman la superficie reflectora primaria del Gran Telescopio Milimétrico “Alfonso Serrano”, mediante una maquina de medición por coordenadas.

3.1.2 Objetivos Específicos

- Obtener la mejor calidad en la alineación de la superficie reflectora primaria mediante una máquina de medición por coordenadas.
- Lograr uniformidad en el proceso de ajuste de los segmentos que forman la superficie reflectora primaria del gtm, para lograr una superficie optima.
- Satisfacer las necesidades metrológicas que requiere el gtm, realizando mediciones a objetos tales como herramientas de pulido, espejos secundarios y moldes de fibra de carbono o de acero, etcétera.

3.2 Superficie Reflectora Primaria

La superficie reflectora primaria de 50 m está constituida por 180 segmentosdistribuidos en 5 anillos concéntricos. Actualmente se tienen 84 segmentosinstalados en los tres anillos interiores, proporcionando una apertura de 32.5 m dediámetro. Cada segmento consta de 8 subpaneles de níquel electroformadofabricados por Media Lario Technologies (y son similares en su construcción a lospaneles construidos por Media Lario Technologies para las antenas de ALMA).Los subpaneles están unidos y alineados a una estructura de soporte paraproducir un segmento individual de la superficie. Estos segmentos se conectan yse alinean a la estructura del telescopio, por medio de actuadores, para proveer algtm de una superficie reflectora primaria parabólica y activa. Las correcciones dela superficie activa continuamente compensan las deformaciones gravitacionalesen elevación de la antena. Para llevar a cabo las primeras pruebas astronómicas yla primera temporada de observaciones de ciencia temprana (ES1) en laprimavera de 2013, la superficie primaria se ajustó a una elevación de 61 gradosusando medidas de holografía de satélites geoestacionarios a 12 GHz. Lasuperficie activa se instaló en el otoño de 2013, brindando la oportunidad derealizar observaciones con una ganancia óptima y constante a elevaciones entre20 y 85 grados de elevación. En el 2017 se completarán, alinearán ycaracterizarán los 50m de la superficie primaria activa [7].

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FIGURA 3.1. Superficie Reflectora Primaria (modificado de[7])

3.3 ¿Por qué se deben alinear los paneles?

Los paneles que forman la antena del gran telescopio milimétrico deben ser alineados porque debemos eliminar el error de inclinación de la superficie.

Si la superficie no tiene una perfecta alineación, los segmentos individuales no pueden producir la parabólica que se necesita para reflejar la radiación.

El reducir el rango de inclinación alineando las diferencias de nivel, nos permitirá un mejor apuntado de cada uno de los segmentos, y así podremos mantener la superficie simétrica con el fin de obtener una excelente imagen astronómica y evitar deformaciones en todas nuestras imágenes.

3.4 Superficie activa

Con las campañas de alineación y ajuste se ha logrado una precisión de lossegmentos en un rango de 20-35 micras; adicionalmente, se han medido ycorregido los espejos secundario y terciario con el mismo objetivo. Para llevar acabo las mediciones de estos componentes, el proyecto hizo uso de una MMCconstruida y equipada en las instalaciones del INAOE por investigadores ypersonal del instituto.

Debido a que el reflector primario tiene 50 m de diámetro el requerimiento es extremadamente difícil de alcanzar. El reto se debe a que los efectos de la gravedad, de los cambios térmicos y del viento provocan flexiones en la estructura del telescopio. Para que el telescopio funcione adecuadamente, se requiere que el efecto de las flexiones de la estructura, en la figura de la óptica, se mantenga dentro de un presupuesto de errores total de 75 micras rms.

3.5 R.M.S.

El rms es la media cuadrática, valor cuadrático medio (del inglés root meansquare) es una medida estadística de la magnitud de una cantidad variable. Puedecalcularse para una serie de valores discretos o para una función matemática devariable continua. El nombre deriva del hecho de que es la raíz cuadrada de lamedia aritmética de los cuadrados de los valores.

A veces la variable toma valores positivos y negativos, como ocurre, por ejemplo,en los errores de medida. Como en nuestro caso requerimos de valores tantopositivos como negativos para hacer los ajustes, utilizamos esta fórmula.

3.6 Máquina de Medición por Coordenadas (MMC)

Una máquina de medición por coordenadas (MMC), es un equipo electrónico de medición directa en el que el instrumento recorre el objeto que se desea medir y mediante una toma de datos y su procesamiento con un software especializado se obtienen las dimensiones del objeto en cuestión.

3.7 Funcionamiento

Para realizar la medición se fija el objeto a medir. Para la medición la MMC recorre el objeto con un captador o palpador de gran precisión con amplificación electrónica, que hace que desaparezcan los errores por la inercia o rozamiento que aparecen en los sistemas de amplificación mecánico.

El palpador se puede desplazar sobre unas guías en direcciones ortogonales. Estamáquina toma como datos los puntos que el operario toque con el palpador y losguarda en una memoria para su posterior procesamiento. El posicionamiento delpalpador no se hace directamente, sino que se utiliza un amplificador de imagenque incorpora el palpador para que tenga una mayor exactitud al seleccionar lospuntos.

Una vez que se tienen las coordenadas de todos los puntos de interés, mediante el software se pueden realizar cálculos, como cálculos de áreas, cálculo de perímetros, medidas de aristas de la pieza y otras muchas funciones como mediciones de ángulos, rugosidad o posiciones relativas.

3.8 Aplicaciones

Estas máquinas se utilizan en los procesos de calidad, después del proceso defabricación, con el objetivo de validar las piezas fabricadas y asegurando quecumplen la tolerancia permitida. Las MMC realizan mediciones dimensionales ymediciones de desviación de la regularidad geométrica. En la actualidad existenmáquinas de medición por coordenadas con diferentes configuraciones. Cadaconfiguración está diseñada para obtener ciertos beneficios. Algunos ejemplos deconfiguraciones son MMC de tipo mesa móvil y mesa cantiléver, MMC de tipopuente móvil, MMC de tipo columna o MMC de tipo brazo horizontal entre otros.

3.9 La máquina de medición por coordenadas del INAOE

La Máquina de medición por coordenadas (MMC) del INAOE, fue construidadurante el periodo 1996-2003 y cuenta con un volumen de medición de 4.5m x 6mhorizontal por 4.2m vertical, utiliza un interferómetro óptico lineal en cada eje paraproporcionar datos de posición de la cabeza de medición. Estos datos sonrelativos y no absolutos, es decir, los interferómetros detectan el cambio dedistancia entre dos componentes, y no la distancia absoluta entre ellos [9].

Por esta razón, la interrupción del sistema de medición resulta en un reseteo de los contadores de distancia a cero, perdiendo cualquier lectura previa y también el origen previamente establecido para cada eje de movimiento.

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FIGURA 3.2. Máquina de medición por coordenadas (MMC) del INAOE

Para ayudar a minimizar la pérdida de información durante un reseteo, y para establecer puntos de referencia absolutos (fijos) en cada eje, se construyeron tres registradores de origen, colocando uno en cada eje de la máquina. Estos registradores usan un haz láser para definir el origen, y un sensor óptico para encontrar dicho origen, ambos componentes en movimiento relativo definido por los ejes de movimiento de la MMC.

Después de la instalación el error en el origen es de 2.5 - 4.5 micras, comparadocon un error de 100μm proporcionado por el sistema electro-mecánico usadopreviamente.

La máquina de medición por coordenadas de INAOE utiliza interferómetros ópticosen cada uno de sus ejes ortogonales para proporcionar datos de posición.Típicamente un interferómetro está montado sobre el componente "fijo" mientrasun retroreflector se coloca en la sección móvil. El sistema detecta un cambio en ladistancia entre el interferómetro y el reflector, en base a la luz emitida del divisor yposteriormente reflejada del espejo como lo veremos en la siguiente figura.

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FIGURA 3.3. La MMC utiliza tres interferómetros lineales (X, Y, Z) paraproporcionar distancia en cada eje (modificado de [14])

Al encender los interferómetros el conteo esta en cero, y el conteo de distancia seinicia con cualquier movimiento de la máquina. Cuando la cabeza de mediciónestá ubicada en un lugar adecuado (por ejemplo, con el palpador tocando unpunto de referencia del objeto a medir), se puede realizar un reseteo de loscontadores nuevamente, y así se define el origen de medición para el trabajo enproceso.

Si se interrumpe el sistema, lo que sucede por ejemplo con un corte de energía eléctrica o el bloqueo del haz de luz del interferómetro, los contadores de distancia hacen un reseteo a cero, y se pierde información de posición de la MMC. También se pierde el punto de origen previamente definido. Esto implica re-iniciar el proceso de medición desde el principio.

Para evitar las problemas asociados con la pérdida del conteo de los interferómetros, se incorporaron puntos de referencia fijos en cada eje, los cuales proporcionan un origen para cada escala interferométrica de medición. Si se interrumpe el sistema basta mover la MMC para encontrar los orígenes en cada eje, y sincronizar los contadores con estos puntos de referencia fija.

3.9.1 Componentes

En la siguiente figura se muestran los principales componentes de la Máquina de Medición por Coordenadas (MMC) localizada en el Laboratorio de Superficies Asféricas del INAOE.

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FIGURA 3.4. Componentes de la MMC (modificada de[14])

3.9.2 Datos técnicos

TABLA 3.2. Datos técnicos de la MMC (modificada de[14])

3.9.3 Control electrónico

El sistema de control electrónico de la MMC es un control digital usando unacomputadora con las interfaces apropiadas, tales como: tarjetas interpoladoras deencoders, salidas analógicas para el comando a los amplificadores de los motores,interfaz rápida para leer las posiciones de los interferómetros, interfaz GPIB paraprogramar el interferómetro y entradas y salidas para los límites. Adicionalmente,se usan los periféricos estándar de una computadora, tales como seriales, video,red, etcétera [9].

La computadora que se utiliza, debe contar con un sistema operativo de tiemporeal y se encarga hasta del último detalle del control de la máquina, así como de lainterfaz con el operador. Esta computadora también se usa para el desarrollo delos programas de control, captura de datos, comunicaciones de red y tiene lacapacidad para procesar datos, aunque esta no es una actividad que se realice enesta computadora [9].

El sistema de control reconoce un subconjunto (por ahora) de los códigos G, que es el estándar para el manejo de máquinas de control numérico. El subconjunto implementado permite mucho más de lo que hasta ahora ha sido necesario.En la siguiente imagen se muestra el chasis de potencia de control, donde se tienen los amplificadores y sus fuentes, alimentación eléctrica, relevadores y protecciones, etcétera; para cada uno de los ejes.

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FIGURA 3.5. Chasis de control de potencia de la MMC

3.9.4 Palpadores

El sistema de palpación es el que permite registrar puntos de interés sobre elobjeto del cual se quieren conocer dimensiones y geometría, asociando acualquier punto una terna de coordenadas. Para especificar los puntos sobre elobjeto se utilizan palpadores de contacto que proveen una señal eléctrica alsistema de control. La MMC cuenta actualmente con 4 palpadores, tres de ellos deexploración continua y uno de exploración discreta. Todos los palpadores son dela marca HEIDENHAIN [14].

El principal trabajo para la MMC fue la medición de los paneles del GTM, estosson superficies parabólicas fuera de eje de aproximadamente 5 m x 3 m, pero sonsuperficies muy cercanas a un plano ya que su máxima sagita, desviación de unplano, es de 8.5 cm, por esto, la técnica de medición de los paneles será medir lassagitas de las superficies y compararlas con las sagitas ideales, para estonecesitamos solamente un medidor de longitudes de alta precisión que seatrasladado por la MMC, de tal manera, que la MMC proporcionará las coordenadasX y Y, y el medidor de longitudes proporcionará la coordenada Z.

Los palpadores MT 101M, MT 101K y CT 6002 son sistemas de medición de longitud, con rangos de medición grandes, con una alta precisión lineal y resolución en el rango de los nanómetros.

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FIGURA 3.6. Palpadores CT 6002 y MT 101M (obtenida de[14])

Los palpadores MT 101M, MT 101K y CT 6002 de HEIDENHAIN funcionan deacuerdo al principio de Abbe, es decir, la escala de medición y el husillo delpalpador están exactamente alineados, todas las componentes del palpador estándiseñadas en términos de su estabilidad térmica y mecánica para obtener la mayorprecisión posible.

Ya que las variaciones de temperatura afectan las mediciones, HEIDENHAIN usa materiales especiales con bajos coeficientes de expansión térmica, tales como ZERODUR e INVAR, para garantizar la precisión sobre un rango de temperaturas relativamente grande. Además, las vibraciones y las cargas de choque no tienen influencia negativa en la precisión, los husillos toleran altas fuerzas radiales y se mueven con muy baja fricción.

Con estos palpadores se aumentaron las capacidades de la MMC para medir,inspeccionar y digitalizar superficies en 3 dimensiones, teniendo una repetibilidadmenor a 1 micra y el estilete permite deflexiones hasta de 5 mm en todasdirecciones.

3.10 Proceso de Alineación de la Superficie Reflectora Primaria(paneles)

Cada segmento (panel) consta típicamente de 8 subpaneles de níquel electroformado, cada uno de los cuales se monta en una estructura de aluminio en forma de panal llamado base-plate, que a su vez está soportado por ocho barras axiales y montado sobre una base llamada subframe, una vez armado el panel completo, es colocado (montado) en 4 tripies (uno en cada esquina). Cada subpanel tiene 5 ajustadores y es precisamente ahí donde se hacen las mediciones a todos los segmentos.

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FIGURA 3.7. Subpanel con sus 5 ajustadores (modificado de[18])

3.10.1 Composición de un panel

Los paneles reflectores primarios del GTM tienen una estructura en forma desándwich con las partes frontal y posterior hechas de láminas de níquelelectroformado siendo el núcleo un panal de aluminio hexagonal. Ambosrevestimientos, el reflectante y el respaldo, son replicas del molde maestro deacero inoxidable. El espesor de cada cara es de aproximadamente 0.5 mm. Elnúcleo del sándwich tiene prácticamente la forma de un “panal de abejas” y estáhecho de una aleación de aluminio, el cual es utilizado para aplicacionesaeroespaciales, y tiene un tratamiento especial de resistencia a la corrosión. Lasperforaciones que presenta el panal permiten la ventilación y aseguran unequilibrio entre la presión interna y externa. El espesor del panal es de 30 mm. Elsellado de los bordes del panel está asegurado con “silicyn blanco”, y toda la parteposterior se cubre primero con “armaflex” y se tapa con “papel militar”, dejandodescubiertos los 5 puntos de montaje llamados flenchs, ahí se fijarán losajustadores, y acoplando estas 2 partes se pueden realizar los desplazamientosverticales. Los paneles traen una marca en forma de cruz en la parte frontal quecoincide con la ubicación del ajustador en la parte posterior.

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FIGURA 3.8. Composición de un panel (modificado de[18])

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FIGURA 3.9. Panel completo formado por 8 subpaneles donde podemosapreciar los 40 ajustadores (modificado de [18])

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FIGURA 3.10. Segmento ensamblado (obtenida de[18])

3.10.2 Encender el equipo

Para iniciar con la utilización de la MMC del laboratorio de superficies asféricas, debemos seguir las siguientes instrucciones:

- Encender el chasis de control de potencia (FIGURA 3.5.)
- Una vez encendidos los motores procedemos a encender la computadora (servidor) principal, que contiene el software y el programa para el control de la máquina en tiempo real.
- Encendemos también la interfaz de usuario que consiste en un programa gráfico, que se comunica con la electrónica de control de movimiento mediante instrucciones, se ejecuta en la computadora de usuario que es una laptop, la cual tiene el sistema operativo Linux.

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FIGURA 3.11. Ingreso al sistema en tiempo real

- En la ventana principal de la interfaz ingresar al sistema operativo rtlinux, una vez haya ingresado, se abre una terminal y también se abrirá automáticamente una nueva ventana en la cual debe colocar el nombre del usuario y su contraseña. Nota: es importante entrar en rtlinux, ya que es en tiempo real de lo contrario, no se moverá la MMC.
- Ya estando dentro de la terminal se teclean los siguientes comandos con los cuales nos saldrán las pantallas para realizar las mediciones.
- Nota: debemos entrar como super usuario para tener acceso a todo.

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Después de teclear los anteriores comandos nos saldrán nuestras pantallas para poder iniciar una medición.

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FIGURA 3.12. Pantalla de control

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FIGURA 3.13. Pantalla de movimientos

Con estas pantallas podemos controlar completamente los ejes XYZ de la máquina de medición por coordenadas y ya podemos empezar a medir.

Notas:

- Si en la pantalla donde se despliegan los datos sale la leyenda “abortando razyn grave”, es porque no se encendiy bien la consola, verificar que el paro general esté fuera y que el arranque de los ventiladores y los ejes estén habilitados.
- Si la pantalla se congela y el sistema no responde, colocar los frenos de cada eje, y enseguida apagar la consola (chasis de potencia), después cerrar sesión, “matar” los procesos y apagar todo, esperar unos minutos y volver a encender todo.
- Siempre, retirar el eje Z del objeto a medir por seguridad.

3.10.3 Ingreso del segmento (panel) al área de medición

El primer paso para iniciar la medición a cualquier segmento, también llamado panel, es recibirlo en el área de medición. Una vez recibido el panel y ya montado en los tripies, se limpia toda la superficie con acetona y toallas.

En la siguiente figura se muestra un panel recibido en el área de medición y listo para empezar a trabajar en el.

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FIGURA 3.14. Segmento armado “panel completo”. (Obtenida de[15])

Inmediatamente se toman los datos de las coordenadas de las esquinas del segmento.

Esto se hace ya con la MMC y se guardan en un block de notas con el nombre de esquinas.m. Al tomar los datos de las esquinas del panel le estamos indicando a la máquina a través del programa, el área en la que debe desplazarse para tomar los puntos y realizar la medición.

Programa: esquinas.m

Ejemplo:

%**Posiciones de las cuatro esquinas del Panel%

%****************************************%Punto 1

p(1,1) = 3260.103;

p(1,2) = 5819.929;

p(1,3) = 2533.257-20;

%Punto 2

p(2,1) = 553.589;

p(2,2) = 5784.900;

p(2,3) = 2538.945-20;

%Punto 3

p(3,1) = 914.930;

p(3,2) = 715.245;

p(3,3) = 2632.310-20;

%Punto 4

p(4,1) = 3032.711;

p(4,2) = 742.776;

p(4,3) = 2629.089-20;p

3.10.4 Medición

Una vez registradas las coordenadas de las esquinas del panel podemos enviar nuestra primera medición.

En una nueva terminal dentro de Linux, se ejecutan los siguientes comandos:

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Después de dar estas instrucciones la MMC iniciará con la medición del panel.

El programa que se utiliza específicamente para mandar la medición se llama panel está programado en lenguaje C.

Este ejemplo es parte del programa que se utiliza para realizar una medición.

Nombre del programa: panel software utilizado: Lenguaje C

clear all;

printf("\n\n");

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printf("Dar las coordenadas de las esquinas en el orden mostrado,\n");

printf("en milímetros\n");

msg = "XYZ";

fprintf('Lee datos de las esquinas: esquinas.m\n') esquinas

%p = zeros(4,3); %for i=1:4

% for j=1:3

% printf("P%d %s = ", i, msg(j));

% ardatos = fgetl(stdin, 90);

% p(i,j) = sscanf(ardatos,"%f\n", "C");

% end

% printf("\n");%end

# Lee el número de anillo

while( 1 )

puts("Dar el número de anillo: "); ardatos = fgetl(stdin, 90);

anillo = sscanf(ardatos, "%d\n", "C");if((anillo >= 1) && (anillo <= 5))break;

end

puts("anillo inválido\n");end

** Los programas completos, deberán ser solicitados al instituto.

3.10.5 Ajustes

Una vez terminada la medición, el programa aamkr nos genera una gráfica y unreporte de valores que incluye entre otros datos el error rms que tiene el panel ylos valores numéricos que propone ajustar para disminuir ese error y llegar a las 20 micras ó menos, que es la medida necesaria y aceptable para poder liberar un panel y entregarlo ya medido. Entonces se toman estos valores y de forma empírica se procede a mover los ajustadores.

El panel tiene en total 40 ajustadores, 5 por cada subpanel, como ya se mencionó;y podemos ajustar en esos 40 puntos para disminuir el error rms y lograr las 20micras. La antena requiere un error total de superficie de 70 mm. Hay dosherramientas (llaves) para realizar los ajustes. Con la llave de bushing, una vueltacompleta resulta en un desplazamiento vertical de 250 micras; y con la llave deajustador una vuelta completa resulta en un desplazamiento vertical de 500micras. El ajuste se realiza girando la cuerda, y todos los ajustes se realizanmanualmente.

Conforme se ganaba experiencia a lo largo de los ajustes, se mejoró la eficiencia y se redujeron el número de iteraciones aplicadas a cada uno de los segmentos medidos. Un panel entra al área de medición aproximadamente a 4,000 ó 3,000 micras de error y se necesitan unas 15 ó 20 iteraciones para llegar al objetivo, cada medición tarda una hora aproximadamente, logrando entregar un panel medido después de unas 36 hrs. de trabajo.

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FIGURA 3.15. Forma del panel del Anillo 1

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FIGURA 3.16. Forma del Panel del Anillo 2,3,4 y 5

A continuación se muestra el ejemplo de un reporte de medición generado por el programa “panel”.

REPORTE DEL ANALISIS DE MEDICIONES DE PANEL

Laboratorio de Superficies Asféricas

Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica

Programa de análisis: aamkr

Archivo de datos: an4pa35med016.dat

Fecha y hora del reporte: Dec 20 05:53:10 2011

Panel completo error rms = 0.030101 mm

Panel completo error pico a pico = 0.145028 mm

Error rms debido a deformación de subpaneles = 0.023638 mm Lista de ajustes requeridos (micrómetros)

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Lista de ajustes requeridos (vueltas)

Para la cuerda fina de 250 micras/vuelta

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Como podemos ver, este es un ejemplo de reporte de medición realizada al panel 44 del anillo 4 y es la medición número 15 esto es: an4pa35med16, el error rms en esta medición es de 30 micras, solo faltan 10 micras para liberarlo. Y también nos muestra la lista de valores requeridos en cada ajustador. Estos valores debemos ajustar en cada posición.

Para visualizar la gráfica total, en una terminal se teclea el comando gv más el nombre del archivo con la extensión ps. Ejemplo: gv an4pa35med16.ps.

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FIGURA 3.17. Gráfica de un panel completo

Para visualizar las gráficas individuales, se teclea el comando gv más el nombredel archivo con guión bajo sp y extensión ps. Ejemplo: gv an4pa35med016_sp.ps

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FIGURA 3.18. Gráficas por subpaneles (8 residuales)

3.10.5.1 Gaps

Los gaps son el espacio vacío que queda al unir los 8 subpaneles entre sí, estasaperturas deben estar en un rango de 1.4 a 2.4 milímetros, pero sufrendesplazamientos laterales al realizar los ajustes, tomando en cuenta 20 gaps entodo el panel completo, estos gaps se van monitoreando y tomando sus valorescon un vernier o calibrador pie de rey durante toda la medición, y si llegaran asalirse del rango antes mencionado, se manda a llamar al personal deldepartamento de integración para que se corrijan y reacomoden estas aperturas.

Ejemplo de la posición de los gaps en el panel.

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FIGURA 3.19. Posiciones de los gaps en los anillos 2,3,4 y 5

3.10.5.2 Abrazaderas apretadas

Los 40 ajustadores junto con los bushings se sujetan con abrazaderas, las cualesse aflojan para hacer los ajustes y se aprietan una vez se termine de ajustar.Cuando ya el panel esté completamente terminado, las 80 abrazaderas debenquedar apretadas, el departamento de calidad revisará que así se cumpla.

3.10.5.3 Ajustadores orientados al centro

Los ajustadores tienen una ranura (excepto los ajustadores centrales) con la cualpodemos guiarnos para revisar que estén orientados hacia el centro cuando se harealizado un ajuste. Al terminar de medir el panel los 32 ajustadores deberánquedar orientados hacia el centro, el departamento de calidad revisará que así secumpla.

A continuación se muestran las herramientas indispensables para realizar estetrabajo:

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FIGURA 3.20. Herramientas de trabajo

3.10.6 Liberación y entrega del panel medido

Una vez que el panel ha llegado a un rms de 20 micras o menos, se procede aliberarlo del área de medición y entregarlo al departamento de transporte enpresencia del departamento de calidad, para ser cargado en un camión especial yenviado a la montaña, donde posteriormente será instalado en la antena del GTM.

Para liberar el panel se necesita generar el reporte de liberación del segmento, elcual contiene información como número de panel, número de anillo, fecha, folio,etc. El mismo reporte será firmado por el departamento de medición, el de calidady el de transporte. Se revisa que la superficie del panel este limpia, lasabrazaderas estén apretadas, los ajustadores orientados hacia el centro, lasbarras axiales pintadas con pintura testigo amarilla y cubiertas con cinta canela.

Se imprime el reporte de medición, las gráficas y el reporte de liberación, se recaban las firmas y se guardan para el archivo.

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FIGURA 3.21. Reporte de liberación de un panel

3.11 Metrología realizada en la Sierra Negra

Una vez que se termina de medir un panel en el Laboratorio de Superficies Asféricas, después de ser revisado por el departamento de calidad y colocado en el camión de transporte, es llevado a la montaña, donde quedará instalado en la antena en el lugar que le corresponda dependiendo de su nomenclatura.

Al ser instalado y debido a la deformación que seguramente sufrió por el movimiento generado a la hora de transportarlo, se vuelve a medir “re-alinear”, ahora con un equipo de metrología llamado Laser Tracker.

3.11.1 Laser Tracker

La metrología del panel se lleva a cabo utilizando un Leica Absolute Trackers, modelo AT901-B. Este instrumento combina un interferómetro de medición de distancia (IFM) con un "medidor de distancia absoluta" (ADM) para alta precisión, particularmente para mediciones tomadas al vuelo desde un objetivo en movimiento. La esfera del laser se une a una varita y se mueve continuamente por un operador sobre la superficie de cada subpanel, deteniéndose sólo cuando se va a tomar el dato para el registro.

A continuación se muestran las especificaciones generales para el AT901-B.

Leica AT901-B Absolute Laser Tracker

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TABLA 3.3. Datos Técnicos del Laser Tracker Leica (Modificado de[18])

El software de rastreo propietario permite la adquisición de datos de coordenadasno compensados, es decir, el punto medido es el centro. Los puntos decoordenadas se graban manualmente individualmente o automáticamenteespecificando un intervalo de tiempo o distancia entre puntos consecutivos. Laadquisición de datos para los paneles primarios hace uso de ambos métodos.

La cabeza del seguidor se encuentra cerca del borde interior del panel. Se verá que nuestra geometría de medición elegida da como resultado un ángulo de barrenado para el rayo de seguimiento en la superficie del panel. Requerimos la mayor exactitud de medición en la dirección normal a la superficie, sin embargo los errores principales de seguimiento están asociados con la rotación de la cabeza durante el movimiento lateral.

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FIGURA 3.22. Equipo de Medición Laser Tracker Leica (Modificado de[18])

3.11.2 Medición y alineación de un panel

Dado que los paneles tienen una curvatura superficial baja en comparación consus dimensiones, es necesario determinar la ubicación precisa de la nube depuntos de la superficie del panel con respecto a la parábola de diseño. Esto selogra midiendo la ubicación de las marcas cruzadas incorporadas en cadasuperficie superior del subpanel. Las coordenadas de estas características seutilizan para proporcionar las transformaciones apropiadas durante el ajuste dedatos. Las marcas cruzadas son de hecho crestas de rayas, siendo el negativo decruces trazado en los moldes utilizados durante la replicación de un subpanel. Untotal de 16 cruces se miden en cada panel. El centro de cada cruce se midemanualmente usando el método de ajuste de esfera, o una herramienta reflectorade superficie.

La nube de puntos de superficie se obtiene mediante el rastreador sobre lossubpaneles. Los puntos de datos se toman automáticamente cada 5 cm dedesplazamiento. La separación de la línea de exploración es del orden de 30 cm,proporcionando unos 120 puntos por subpanel. También se probaron nubes depuntos de mayor densidad. El AT901-B es muy adecuado para la recogida dedatos en la marcha, y un panel completo se puede escanear en menos de 2minutos. Las líneas de exploración se toman a 3 cm de los bordes del subpanel.

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Figura 3.23 Medición de un panel con el Laser Tracker (Modificado de[18])

3.11.3 Reportes de una medición

Ejemplo de una medición y alineación realizada a un panel del anillo 2. Serequirieron 10 iteraciones para reducir el error medio de RMS superficial de 677 a 23 mm.

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FIGURA 3.24. Reporte de una medición generado por el Laser Tracker

3.11.4 Resultados con el Laser Tracker

Durante el último registro de mediciones llevadas a cabo, se revisaron yreajustaron un total de 84 paneles de superficie que comprenden el actual reflectorprimario de 32.5m. El error medio final rms para el proceso de ajuste fue de 33mmo menos por anillo. Los resultados finales superaron el objetivo inicial de fijarpaneles a 40mm.

Los resultados de la alineación se obtuvieron usando un proceso de ajusteiterativo basado en la metrología del rastreador láser. El Tracker permite una altaresolución espacial con tiempos cortos de recolección de datos, lo que permiterealizar el proceso completo de iteración en pocas horas. Se empleó un procesode ajuste empírico, utilizando la intuición del equipo de metrología y la experienciaadquirida con cada ajuste.

3.11.5 Reparación y ajustes mecánicos

En la primavera de 2012 se inició un proceso de reparación de cada segmento de los anillos 1, 2 y 3, realizando las siguientes actividades:

- Desmontaje de los segmentos del "back-structure" de la antena y su instalación en el sótano del telescopio.
- Desarmado y limpieza de todos los componentes mecánicos, con énfasis en los ajustadores y sus cuerdas diferenciales.
- Reemplazo de los componentes de plástico (uniones esféricas) con piezas metálicas según el diseño original.
- Rearmado, ajuste, y alineación.
- Reinstalación en el “back-structure” de la antena, y metrología.

Debido al acercamiento de la fecha límite programada para realizar observacionescientíficas en el periodo de febrero-julio de 2013, se priorizaron reparacionesesenciales y una mejora de los procedimientos mecánicos. Durante el periodomarzo-diciembre 2012 se logró la renovación de los anillos 1 y 2 (12 y 24segmentos respectivamente), y 10 segmentos de anillo 3. Durante el periodoagosto-octubre 2013 se realizó la renovación de 38 segmentos adicionales delanillo 3, esta vez implementando cambios en el diseño que permitieron un ajustelateral de los subpaneles. Esto redujo los esfuerzos sobre los componentescríticos, y facilitó el proceso de alineación de la superficie. Para trabajos futuros (elresto de segmentos y la instalación de anillos 4 y 5), se incluirán estasmodificaciones como un estándar.

Comentarios finales

Durante mi tiempo de trabajo en este proyecto, se midieron 132 paneles, 12 delanillo 1, 24 del anillo 2, 48 del anillo 3, y 48 del anillo 4. Se instalaron en la antena 84 paneles, correspondientes al anillo 1, 2 y 3, quedando pendientes de instalar los 48 paneles ya medidos del anillo 4 y también queda pendiente de medir e instalar 48 paneles del anillo 5. En la tabla 3.4 se muestran estos avances.

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TABLA 3.4. Paneles medidos e instalados

En esta imagen podemos observar como lucen los paneles ya medidos e instalados y los que aún faltan por medir e instalar.

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FIGURA 3.25. Paneles medidos e instalados (Modificado de[8])

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FIGURA 3.26. Total de paneles medidos.

Los paneles tienen una nomenclatura que nos sirve para identificar la posición que les corresponde en la antena, por ejemplo el panel D12R3S45 significa que su posición es: Doceavo 12, Anillo 3 y es el segmento 45.

En la tabla 3.5 se muestra la nomenclatura de todos los segmentos que forman lasuperficie reflectora primaria del Gran Telescopio Milimétrico “Alfonso Serrano”.

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TABLA 3.5. Nomenclatura de los segmentos

Aporte profesional

En primera instancia lo que pude aportar por encima de los estudios,conocimientos y competencias, fueron sin duda mis ganas y deseos de trabajar, elmanejar la máquina de medición por coordenadas más grande del mundo, fuecomo obtener un premio, tal vez sin merecerlo pero muy mío al fin, realizar lamedición y el ajuste a los paneles del telescopio resultó un proceso agradable,disfrutaba lo que hacía, y cada día me preocupaba por seguir aprendiendo nuevosmétodos y ver la forma en cómo podría mejorar el proceso, ya fuera endisminución de tiempo al realizar los ajustes o en entregar un reporte masdetallado de lo que pasaba al realizar las mediciones, o en hacer manuales deusuario para que otras personas pudieran hacer lo que yo hacía, etcétera.

Durante el tiempo de trabajo, elaboré y documenté un manual de usuario para elproceso de alineación con la máquina de medición por coordenadas del INAOE,un manual de usuario para el proceso de ajuste a superficies de níquelelectroformado, un manual de usuario para el encendido y puesta en movimientode la máquina pulidora del INAOE. Diseñé un formato de reporte de segmentomedido, también diseñé un formato de reporte de mantenimiento a panelesinstalados en el gran telescopio milimétrico. Se crearon carpetas físicas y digitalespara conservar y resguardar todas las mediciones realizadas a los segmentos quecomprenden los anillos del telescopio. Esta información se encuentra dentro delArchivo General del Laboratorio de Superficies Asféricas del INAOE.

Cabe mencionar que nuestra área de trabajo siempre estuvo limpia y ordenada, además contamos con bitácoras para llevar los registros claros y sencillos de las cosas que hacemos en el día a día y que pueden resultar relevantes dejando evidencias para demostrar nuestro trabajo. Utilizamos los equipos de protección que nos asignan como son botas, guantes, cascos, batas, etcétera. Con estas acciones responsables evitamos accidentes laborales y también logramos entregar en tiempo y forma los segmentos alineados.

Aprendizaje

Aprendí muchas cosas pero yo creo que la más importante sin duda fue manejar la máquina de medición por coordenadas, ya que es un instrumento de medición con el cual puedo describir las características geométricas tridimensionales de objetos en general y aunque en esta ocasión fue aplicado a los paneles, podría medir características geométricas tridimensionales de objetos en general y ofrecer mis servicios de metrólogo asegurando alcanzar las metas requeridas y logrando un alto grado de satisfacción, puedo trabajar de manera eficaz y con un alto compromiso de mejora continua cumpliendo todos los requisitos y las normas establecidas que requieran o necesiten aplicar.

Conclusiones

En marzo de 2013 se logró entregar la superficie reflectora primaria con los anillos 1, 2 y 3 terminados, obteniéndose un error RMS de 50, 44 y 68 mm respectivamente, siendo una cifra final de 54 mm el error rms efectivo.

El objetivo del trabajo se alcanzó ya que se alinearon los 32.5 metros de superficie, el procedimiento de alineación y ajuste se realizó con una óptima calidad. La máquina de medición por coordenadas MMC fue invaluable para realizar la metrología a la superficie reflectora primaria del gtm.

También se midieron otras piezas importantes como el reflector secundario, que es una pieza monolítica de aluminio, fundido, maquinado y pulido para obtener el perfil hiperbólico. Las mediciones a este espejo dieron un error RMS de 63 mm. Se inició un programa de corrección de la superficie por desbaste, removiendo las zonas altas con un desbastador orbital. Se mantuvo un control estricto sobre los tiempos y presión del desbaste, el abrasivo, etcétera, y se destinó el trabajo a un solo operador, con el fin de evitar fallas por desbaste excesivo. Después de 22 iteraciones, se redujo el error RMS a 36 mm.

Durante el periodo 2012-2013 se realizó una revisión a fondo de la mecánica delespejo primario y los procedimientos de metrología en el proyecto GTM. Se logróreducir el error RMS de los reflectores principales a niveles aceptables para lasobservaciones astronómicas, quedando cerca de las especificaciones técnicas delproyecto. Durante los próximos años seguiremos con el mantenimiento ymejoramiento de las superficies reflectoras, siendo éstos componentes críticos.

El procedimiento para realizar las mediciones puede ser mejorado modificando el software y aplicando un método que obtenga más puntos de muestreo de los que se seleccionan actualmente pero en menor tiempo, y/o se pueden implementar otras técnicas sobre cómo realizar los ajustes más exactos y más rápidos en cada uno de los ajustadores. El presente trabajo puede servir en un futuro como base para realizar mediciones a piezas de gran tamaño, gracias a que la MMC del INAOE es la más grande del mundo, si se hace una calibración certificada actualizada se pueden lograr convenios con empresas e instituciones externas para medir sus piezas y obtener ingresos de otros proyectos.

Solo me resta decir que el gtm es el mayor radio telescopio del mundo. Por algúntiempo su capacidad colectora de luz, superará por un factor de al menos dos acualquier otro instrumento operando a estas frecuencias. Debido a suextraordinaria sensibilidad, se obtendrá información clave en aspectos tales comola formación de estructuras a gran escala en el universo temprano hasta elpresente.

Trabajo futuro

Los equipos portátiles de medición por coordenadas son muy necesarios para realizar metrología y alineación de objetos en el campo. La necesidad del proyecto de proveer metrología en la Sierra Negra, para agilizar y porque no hasta mejorar el proceso de medición, dio como resultado la adquisición de instrumentos portátiles de medición por coordenadas de alta precisión como son los Laser Trackers. Se estima que los paneles que faltan para terminar la superficie, sean alineados y ajustados con estos equipos nuevos.

El mayor legado del GTM, además de los resultados directos relacionados connuestro mejor entendimiento del Universo es y será la fuente de inspiraciónconstante para los jóvenes investigadores mexicanos para trabajar en áreasrelacionadas con la ciencia, la ingeniería, la tecnología y las matemáticas que, asu vez, tienen un efecto positivo en la economía y la sociedad en el futuro.

Innovación

Recientemente estamos introduciendo la fotogrametría como método alterno, mejorando así nuestra confianza en los resultados obtenidos.

El principio fundamental de la fotogrametría es la triangulación. Esta técnica de medición se logra tomando fotografías desde al menos 2 ubicaciones, donde las líneas de visión se obtienen de la posición de cada cámara, hasta los puntos de interés en un objeto, estas líneas se intersectan matemáticamente para producir las coordenadas 3D. La forma, tamaño y posición de los objetos se determina a partir de las imágenes bidimensionales obtenidas de múltiples targets (dianas) colocados en la superficie de un objeto , así como los elementos que permiten escalar la medición y definir un sistema de coordenadas.

La técnica de Fotogrametría está siendo evaluada como una alternativa a las mediciones con el Laser Tracker de la superficie reflectora.

El proyecto tiene un equipo adquirido en el 2010 y consta de:

- 1 cámara INCA 3 de Geodetic Systems con software de análisis VStars
- 1 barra de escala de 2000 mm
- 1 autobar
- 1 Juego de targets de diferentes dimensiones

Uno de los trabajos más recientes de metrología con esta técnica ha sido la inspección del espejo secundario del GTM, llevado a cabo en noviembre de 2013, tras un periodo de observación. El objetivo principal de estas mediciones fue verificar la estabilidad del espejo después de una campaña de mejora, y comparar los resultados obtenidos con los del laser Tracker.

Glosario

ALMA: Atacama Large Millimeter Array. Conjunto de 64 antenas submilimétricas de 12 m de diámetro, que se encuentra en el desierto de Atacama, Chile. El interferómetro está administrado por un consorcio entre Estados Unidos, varios países europeos y Japón.

AzTEC: Astronomical Thermal Emission Camera. Cámara bolométrica de 144 pixeles que será uno de los instrumentos iniciales del gtm y que en la actualidad está funcionando en el telescopio de 15 m JCMT sito en Hawai.

fcrao: Five College Radio Astronomy Observatory, Telescopio de 14 m operado por la University of Massachusetts Amherst.

Fotogrametría: La fotogrametría es una técnica para determinar las propiedades geométricas de los objetos y las situaciones espaciales a partir de imágenes fotográficas. Puede ser de corto o largo alcance.

GTM: Gran Telescopio Milimétrico. También denotado lmt, por sus siglas en inglés, Large Millimeter Telescope.

Hoyo negro supermasivo: se cree que pueblan los centros de las galaxias y que pueden tener una masa de millones o miles de millones de masas solares.

INAOE: Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica ubicado en Tonantzintla, Puebla, México. Contraparte mexicana del proyecto gtm.

Instrumentación Científica: Los instrumentos del GTM proveen una combinación de receptores de continuo de banda ancha y heterodinos, e incluye 3 instrumentos (SEQUOIA, Redshift Search Receiver, y AzTEC), los cuales ya han sido probados y utilizados exitosamente en otros telescopios (sub)milimétricos.

Láser Tracker: Son máquinas de medición por coordenadas (CMM) portátilesextremadamente precisas que le permiten fabricar productos, optimizar procesos yofrecer soluciones, al realizar mediciones de manera rápida, sencilla y precisa.Estos Laser Trackers optimizan la gestión de la productividad del flujo de trabajopara aplicaciones de metrología a gran escala, incluyendo alineación deensamblajes, inspección de piezas, instalación y alineación de máquinas eingeniería inversa, entre otras.

Máquina XYZ: Una máquina de medición por coordenadas (MMC), es un equipo electrónico de medición directa en el que el instrumento recorre el objeto que se desea medir y mediante una toma de datos y su procesamiento con un software especializado se obtienen las dimensiones del objeto en cuestión.

Metrología: La metrología es la rama de la física que estudia las mediciones delas magnitudes garantizando su normalización mediante la trazabilidad. Acorta laincertidumbre en las medidas mediante un campo de tolerancia. Incluye el estudio,mantenimiento y aplicación del sistema de pesos y medidas. Actúa tanto en losámbitos científico, industrial y legal, como en cualquier otro demandado por lasociedad. Su objetivo fundamental es la obtención y expresión del valor delas magnitudes empleando para ello instrumentos, métodos y medios apropiados,con la exactitud requerida en cada caso. La metrología tiene dos característicasmuy importantes: el resultado de la medición y la incertidumbre de medida.

NASA: National Aeronautics and Space Administration. Administración de Aeronáutica y del Espacio de Estados Unidos.

Nubes moleculares gigantes: concentraciones de polvo y gas interestelar donde se forman las estrellas.

Proyecto Binacional: Que comprende dos naciones, en este caso, México y Estados Unidos. Las instituciones que representan la colaboración son, por E.E.U.U la Universidad de Massachusetts y por México el Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica (INAOE).

Radiotelescopios: Un radiotelescopio capta ondas emitidas por fuentes de radio,generalmente a través de una gran antena parabólica (plato), o un conjunto deellas, a diferencia de un telescopio ordinario, que capta imágenes en luz visible.

Radioastronomía: Es la parte de la astronomía dedicada a las observaciones através de radiotelescopios.

Receptor heterodino: Receptor coherente que usa un convertidor de frecuencias o mezclador para transformar la banda de frecuencias de entrada a una banda de frecuencia intermedia, de frecuencia mucho menor. A esta frecuencia más baja, el procesamiento de la señal es mucho más fácil. Casi todos los receptores coherentes son heterodinos.

Sequoia: Second Quabbin Optical Imaging Array. Cámara de plano focal de 32 elementos para espectroscopía. Es uno de los instrumentos iniciales del gtm, opera también en el telescopio de 14 m del fcrao.

ua: unidad astronómica. Distancia promedio Tierra-Sol, aproximadamente igual a 150 millones de kilómetros.

UMass: University of Massachusetts Amherst. Contraparte estadounidense del proyecto gtm.

Referencias Bibliográficas

[1]Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica, http://www.inaoe.gob.mx/historia.php?movil=0, última visita: 14/08/2017.

[2]Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica, http://www.inaoe.gob.mx/mapa_acceso.php?movil=0, última visita: 14/08/2017.

[3]Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica, http://www.inaoe.gob.mx/mapa_instalaciones.php?movil=0, última visita: 14/08/2017.

[4]Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica, http://www.inaoe.gob.mx/organigrama.php?movil=0, última visita: 15/08/2017.

[5]Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica, http://yolotli.inaoep.mx/?movil=0, última visita: 15/08/2017.

[6]Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica, http://www.inaoe.gob.mx/visitas/, última visita: 15/08/2017.

[7]El Gran telescopio milimétrico Alfonso Serrano, http://www.lmtgtm.org/?lang=es.Última visita: 10/06/2017.

[8]Introducción y ciencia con el GTM, http://wiki.lmtgtm.org/gtm/intro.html últimavisita: 10/06/2017.

[9]Esperanza Carrasco, Itziar Aretxaga, William M. Irvine, El gran telescopiomilimétrico, dos países vecinos exploran juntos el cosmos, ISBN 968-9085-00-X, Año 2006.

[10]Edgar Castillo Domínguez, MC., INAOE, Instrumentación complementaria parael GTM, (Desarrollo de bolómetros y radiómetros en el INAOE), Abril 2011.

[11]INAOE, un centro de investigación en México con reconocimiento internacionalhttp://www.conacytprensa.mx/index.php/ciencia/universo/347-inaoe-un-centro-de-investigacion-en-mexico-con-reconocimiento-internacional. Octubre 2014.

[12]Susana Paz, Agencia Informativa CONACyT, El Gran Telescopio Milimétrico observa el universo desde Puebla, http://www.conacytprensa.mx/index.php/ciencia/universo/465-19nov-nota-el- gran-telescopio-milimetrico-observa-el-universo-desde-puebla, noviembre de2014.

[13]Dr. David M. Gale Regan, M.C. César E. Sampieri G. Reporte técnico, Losregistradores de origen para la máquina de medición por coordenadas deINAOE, Febrero de 2007.

[14]Sergio Vázquez y Montiel, Alberto Jaramillo Núñez, Jorge Pedraza Chávez,David Gale, La máquina de medición por coordenadas (XYZ) del INAOEcaracterísticas y una breve historia. Octubre del 2003.

[15]Observatorio Astrofísico Nacional de Tonantzintla, http://www.inaoep.mx/~rretes/OANTON-INAOEr.pdf, última visita, 08/08/17.

[16]Medición y Ajuste de las Superficies Ópticas del Gran Telescopio Milimétrico,http://somi.ccadet.unam.mx/somi29/memoriassomi29/PDFS/Intrumentacion/72 - JTSOMI-84-72.pdf, última visita, 18/08/17.

[17]El Gran Telescopio Milimétrico, Las Contribuciones del Grupo de Óptica,Sergio Vázquez y Montiel, Grupo de Instrumentación Óptica. http://www.fcfm.buap.mx/telescopios/docs/El_Gran_Telescopio_Milimetrico.pdfúltima visita, 21/08/17.

[18]https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/9151/1/Metrology-and-surface-adjustment-of-primary-reflector-panels-on-the/10.1117/12.2056859.full, última visita, 21/08/17.

[19]https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/9912/1/Coordinate- metrology-of-a-primary-surface-composite-panel-from-the/ 10.1117/12.2233892.full, última visita, 21/08/17.

[20]Dr. David M. Gale, Medición y Ajuste de las Superficies Ópticas del GranTelescopio Milimétrico, 2012-2103.

[21]El Gran Telescopio Milimétrico, http://tectonicablog.com/?p=11290, últimavisita, 05/09/2017.

[22]Dr. Luis Carrasco Bazua, Investigador titular “D” Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica, El Gran Telescopio Milimétrico 1998-2004,http://www.revista.unam.mx/vol.5/num4/art22/art22.pdf, Revista DigitalUniversitaria, 10 de mayo 2004, volumen 5 número 4, ISSN: 1067-6079.

[23]Centro Nacional de Metrología (CENAM), http://www.cenam.mx/ammc/Default.aspx, última visita, 07/09/2017.

“Cuando uno ama lo que hace y además lo hace con pasión,su capacidad de crecer, mejorar y aportar no acaba nunca”

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Detalles

Título
Metrología Dimensional Aplicada a Superficies Activas en Telescopios
Subtítulo
Alineación de la Superficie Reflectora Primaria del Gran Telescopio Milimétrico "Alfonso Serrano"
Autor
Año
2017
Páginas
69
No. de catálogo
V421183
ISBN (Libro)
9783668715059
Tamaño de fichero
4040 KB
Idioma
Español
Etiqueta
metrología, dimensional, aplicada, superficies, activas, telescopios, alineación, superficie, reflectora, primaria, gran, telescopio, milimétrico, alfonso, serrano
Citar trabajo
Nohemí Sánchez Medel (Autor), 2017, Metrología Dimensional Aplicada a Superficies Activas en Telescopios, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/421183

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Título: Metrología Dimensional Aplicada a Superficies Activas en Telescopios


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