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Tecnologia di controllo del movimento miniaturizzata per la coppia di "binocoli" più grande del mondo

Il telescopio autonomo più potente al mondo è entrato in funzione nel 2004 sul Monte Graham, nello stato americano dell’Arizona.

Gli astronomi puntano, in particolare, ad avvistare sistemi galattici lontani, giovani stelle doppie e soli appena nati. Fondamentalmente, il Large Binocular Telescope (LBT), che ha un’altezza di oltre 20 m e un peso di oltre 600 t, è un binocolo sovradimensionato. I suoi due riflettori hanno un diametro di 8,4 m ciascuno e insieme formano una parabola di circa 100 metri quadrati che serve per catturare la luce. In questo modo, può intercettare persino la radiazione di oggetti debolmente illuminati che si trovano ai confini dell’universo oggetto di osservazione. L’interazione fra i due riflettori montati a 14,4 m di distanza l’uno dall’altro fornisce al telescopio una risoluzione che corrisponderebbe a quella di un binocolo del diametro di 23 metri. Ogni riflettore assomiglia a un gigantesco alveare realizzato in vetro borosilicato del peso di 15,6 t.

Tecnologia di controllo del movimento miniaturizzata per la coppia di "binocoli" più grande del mondo

Interferenza: il segreto per immagini a più alta definizione

Il design del telescopio e dei relativi sistemi ottici integrati fornisce agli scienziati un elevato livello di flessibilità nelle osservazioni. È possibile, infatti, utilizzare ciascun riflettore in modo indipendente l’uno dall’altro per osservare lo stesso oggetto o per studiare oggetti diversi inclinando leggermente gli assi di osservazione oppure utilizzare entrambi i riflettori per osservare lo stesso oggetto alla massima risoluzione. Sono agevolati, in questo, da un espediente fisico:

per ottenere questa definizione eccezionalmente elevata, i raggi di luce riflessi da ciascun riflettore vengono sovrapposti, cioè messi in una condizione di interferenza. Di conseguenza, la risoluzione è quasi dieci volte superiore rispetto ai telescopi standalone convenzionali. Tuttavia, il requisito da soddisfare per garantire il buon funzionamento dell’LBT è che i singoli componenti prodotti nei tre Paesi partner - Stati Uniti, Italia e Germania - interagiscano senza problemi. Inoltre, devono funzionare correttamente presso il luogo di utilizzo anche in condizioni avverse. Il Monte Graham, in fondo, è alto circa 3.300 metri. A questa altitudine, il clima è caratterizzato da temperature inferiori allo zero, da un’umidità molto elevata, fino al 90%, e da escursioni termiche estreme.

Unità di posizionamento per la generazione di interferenze

Se si vuole creare un’immagine ad alta risoluzione mediante generazione di interferenze, i moduli ottici collegati ai due riflettori utilizzati per il raggruppamento e la sovrapposizione della luce riflessa devono essere posizionati con una precisione di 5 µm. A tale scopo, l’azienda Feinmess di Dresda (Germania) ha sviluppato un sistema di posizionamento a tre assi che sposta il rispettivo sistema ottico sui due riflettori dell’LBT nella posizione corretta. In orizzontale si devono coprire distanze fino a 200 mm (posizionamento longitudinale), mentre in verticale, per la messa a fuoco, le distanze arrivano a 50 mm. Allo stesso tempo, il modulo ottico deve essere ruotato di un angolo fino a 36 gradi. Per garantire la precisione di posizionamento richiesta, il sistema deve funzionare con il minimo gioco possibile. Questo è il motivo per cui risultano determinanti gli azionamenti sugli alberini.

In questo caso, si è optato per le soluzioni di azionamento di FAULHABER. Il tradizionale motore ad armatura a campana con bobina rotore coreless risulta perfetto per questi settori applicativi. I piccoli azionamenti CC funzionano in modo affidabile anche in condizioni ambientali ostili. Sono in grado di resistere a temperature ambientali comprese tra -30°C e +125°C e, laddove opportunamente considerato in fase di progettazione, non risentono nemmeno di un elevato livello di umidità (fino al 98%). Un importante criterio di base per la scelta del motore è stato anche l'avvio istantaneo del motore DC, con coppia elevata, una volta applicata la tensione. In questo modo si garantisce una risposta diretta ai segnali di controllo. La bobina in rame coreless consente un design del motore estremamente leggero con un’efficienza elevata fino all’80%. I motori utilizzati su tutti e tre gli alberini del sistema di posizionamento hanno un diametro di 26 mm e sono lunghi solo 42 mm; a velocità fino a 6.000 giri/min forniscono una potenza di 23,2 W.

Tecnologia di controllo del movimento miniaturizzata per la coppia di "binocoli" più grande del mondo

Motore, riduttore ed encoder a impulsi: un'unità compatta

Nell’applicazione descritta sopra, i motori sono stati abbinati a riduttori planetari a due stadi con rapporto di 16:1. Collegati a flangia all’estremità del motore, vantano prestazioni impressionanti, non solo dal punto di vista del design compatto, ma anche per il funzionamento stabile e la durata. Il gioco del riduttore è stato ottimizzato per l’utilizzo nel sistema di posizionamento. Anziché valori di circa 1 grado, come avviene in genere nei riduttori standard, questi riduttori planetari hanno un gioco di soli 12 minuti d’angolo, misurati sull’albero di uscita.

Conoscere la posizione effettiva dei motori è un prerequisito essenziale per il posizionamento di precisione. Con i sistemi di posizionamento impiegati sull’LBT, questa viene rilevata su ciascun motore da un encoder ottico a impulsi che genera 500 impulsi per giro. Utilizzando un disco metallico, un sistema a luce trasmessa genera due segnali di uscita in quadratura di fase. L’impulso d’indice è sincronizzato con l’uscita B. Per ciascuno dei tre canali sono presenti segnali complementari invertiti. L’encoder a impulsi è montato sull’estremità libera dell’albero motore ed è fissato con tre viti. La tensione di alimentazione per l’encoder a impulsi e il motore CC miniaturizzato così come i segnali di uscita sono collegati tramite un cavo a nastro e un connettore a 10 pin. Dato che le unità di azionamento, composte da motore, riduttore ed encoder a impulsi, sono estremamente compatte, risultano facili da integrare nei sistemi di posizionamento a tre assi. La tecnologia di controllo di posizione miniaturizzata svolge, pertanto, un ruolo decisivo nel consentire all’LBT di esplorare nuove frontiere nella ricerca astronomica.

Prodotti

Motori C.C.
Assenza di coppia residua
Controllo preciso del posizionamento e della velocità
Elevata efficienza
Basso livello di rumorosità
Coppia elevata
Peso ridotto
Inerzia del rotore estremamente bassa
Funzionamento di avvio/arresto dinamico
Dettagli
Ulteriori informazioni

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