Design and Testing of the Motorized 2-DoF Folding Mirror 1 for the VLT BlueMUSE Instrument

Resumen Técnico: Diseño y Pruebas del Espejo Plegable Motorizado de 2 DoF 1 para el Instrumento BlueMUSE del VLT

Planteamiento del Problema
El instrumento BlueMUSE, un espectrógrafo de campo integral optimizado para el azul para el Very Large Telescope (VLT), requiere una alta estabilidad térmica para mantener el rendimiento óptico. El instrumento utiliza 32 espejos plegables (FM) distribuidos en su óptica de relevo. Específicamente, las unidades del Espejo Plegable 1 (FM1) proporcionan ajustes de tip y tilt (dos grados de libertad rotacionales) para corregir desalineaciones del haz. Aunque el sitio del VLT en Cerro Paranal posee un clima estable, las variaciones térmicas diurnas inducen deformaciones termo-mecánicas en los montajes de precisión, provocando desviaciones del haz del orden de arcosegundos. El instrumento MUSE actual depende de montajes de FM ajustados manualmente, lo que requiere recalibraciones delicadas y laboriosas por parte de los operadores entre exposiciones. El proyecto requiere un montura motorizada compacta, automatizada y térmicamente estable para el FM1, capaz de una repetibilidad y estabilidad a nivel de arcosegundos (específicamente una estabilidad < 0.5 arcsec bajo variaciones de ±2°C) para eliminar la intervención manual.

Metodología
Los autores desarrollaron una arquitectura de montura motorizada personalizada y un banco de pruebas experimental dedicado para validar el diseño.

• Arquitectura Mecánica: El diseño emplea un sistema de movimiento de alta reducción para convertir la rotación del motor en un desplazamiento angular fino. El mecanismo utiliza un accionamiento de cremallera y piñón para generar movimiento lineal, el cual actúa sobre una pendiente cerámica de alta rigidez (EKasic silicon carbide). Una unidad de transferencia de bolas contacta con esta pendiente, transmitiendo el desplazamiento vertical a un brazo de palanca conectado al soporte del espejo. Este sistema de palanca convierte el movimiento lineal en las rotaciones requeridas de tip y tilt ($\Theta_{XF M}$ y $\Theta_{YF M}$). Se realizó un Análisis de Elementos Finitos (FEA) para comparar el acero inoxidable y el Invar 36 para los componentes estructurales, seleccionándose el Invar 36 por su bajo coeficiente de expansión térmica para minimizar la deriva inducida térmicamente.
• Sistema de Control: El sistema es controlado mediante un entorno Beckhoff EtherCAT utilizando motores de corriente continua (DC), encoders y finales de carrera. La estrategia de control opera de manera de lazo abierto, pero depende de una secuencia de búsqueda de origen (homing) (retrocediendo más allá de un interruptor de límite) antes de cada movimiento para eliminar el backlash (juego mecánico) y los errores de flexión mecánica. Se planea una tabla de búsqueda de calibración para corregir las no linealidades en la transmisión mecánica.
• Configuración Experimental: Se fabricó un prototipo de acero inoxidable y se probó utilizando un banco de pruebas óptico basado en autocolinación. La configuración mide el desplazamiento angular reflejando un haz dos veces en el prototipo de FM1, multiplicando la sensibilidad (ángulo medido = $4\theta$). Se emplearon dos modos de prueba distintos:
  1. Repetibilidad: Medida comandando al motor a una posición específica tras el homing y comparando el resultado con un haz de referencia.
  2. Estabilidad: Medida monitoreando la deriva angular a lo largo del tiempo bajo condiciones ambientales y ciclos térmicos controlados (usando calentadores dentro de un recinto de acrílico) para simular variaciones ambientales.

Contribuciones Clave

• Diseño Mecánico Personalizado: El artículo presenta un novedoso mecanismo de actuación de 2 DoF compacto que utiliza un sistema de cremallera y piñón, una pendiente cerámica inclinada y un brazo de palanca, logrando una relación de transmisión teórica de 0.153 arcsec/rad.
• Análisis de Selección de Materiales: El estudio proporciona datos comparativos de FEA demostrando que reemplazar el acero inoxidable por Invar 36 reduce la variación angular térmica prevista de 4.8 arcsec a 0.17 arcsec, satisfaciendo los estrictos requisitos de estabilidad térmica del proyecto.
• Validación del Prototipo: Los autores fabricaron y probaron con éxito un prototipo de primera generación, caracterizando su desempeño mecánico e identificando factores críticos como el backlash, la fricción y la flexión de la pendiente.
• Desarrollo del Banco de Pruebas: Se desarrolló un banco de pruebas óptico especializado para medir la estabilidad a nivel de arcosegundos, incluyendo una técnica de medición de haz diferencial para desacoplar el movimiento del espejo de la inestabilidad del propio banco de pruebas.

Resultados

• Repetibilidad: El prototipo demostró una excelente repetibilidad. El eje $\Theta_{XF M}$ logró una repetibilidad de 0.5 arcsec, y el eje $\Theta_{YF M}$ logró 0.25 arcsec. Ambos valores están muy por debajo del requisito de 2.5 arcsec, confirmando que la estrategia de homing mitiga eficazmente el backlash y los efectos elásticos.
• Estabilidad Ambiental: Bajo condiciones de laboratorio ambiente (aprox. 1°C de variación), el eje $\Theta_{XF M}$ se mantuvo estable dentro de 1.5 arcsec durante varios días. El eje $\Theta_{YF M}$ mostró una mayor sensibilidad (6 arcsec), lo que los autores atribuyen en gran medida a la configuración del banco de pruebas más que al mecanismo en sí.
• Estabilidad Térmica: Las pruebas iniciales de ciclos térmicos (variación de 3.5°C) resultaron en derivas angulares que excedieron el requisito de 0.5 arcsec (9.5 arcsec para $\Theta_{XF M}$). Sin embargo, los autores señalan que estos resultados son preliminares. Las pruebas de control sin el mecanismo FM1 revelaron que el propio banco de pruebas óptico exhibió una sensibilidad térmica significativa (derivas un orden de magnitud superiores a los requisitos). Por consiguiente, los autores aún no pueden atribuir definitivamente la deriva observada únicamente al mecanismo FM1.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la arquitectura mecánica propuesta es capaz de cumplir con los requisitos de precisión angular del proyecto BlueMUSE, como lo evidencia el éxito de las pruebas de repetibilidad. Los resultados confirman que el diseño puede lograr un posicionamiento a nivel de arcosegundos cuando se opera con una estrategia consistente basada en homing.

Respecto a la estabilidad térmica, los autores mantienen una postura modesta. Aunque el prototipo de acero inoxidable exhibió una deriva térmica superior a las especificaciones, los resultados de FEA sugieren que el diseño final utilizando Invar 36 cumplirá con el requisito de estabilidad de 0.5 arcsec. Los autores enfatizan que los resultados iniciales de las pruebas térmicas son inconcluyentes debido a las limitaciones del banco de pruebas (gradientes térmicos, recinto de acrílico y sensibilidad de la mesa óptica). Por lo tanto, el artículo concluye que, si bien se ha validado el desempeño de la repetibilidad, la estabilidad térmica intrínseca del diseño final requiere una mayor caracterización utilizando un montaje de prueba mejorado (que cuente con una placa de soporte de PEEK, mejor aislamiento y sensores de temperatura distribuidos) y la implementación de los materiales finales (Invar 36 y Zerodur).