ES2344340T3 - Sistema para el acabado magnetoreologico de sustratos. - Google Patents
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Abstract
Un sistema para el acabado magnetoreológico de sustratos, que comprende: a) una estructura (10''); b) una rueda portadora (31) montada de manera rotativa sobre dicha estructura, teniendo dicha rueda un interior hueco (35), definiendo la superficie exterior de dicha rueda una superficie portadora (32'') para un fluido magnetoreológico (42'') en una zona (58) de trabajo, siendo dicha rueda portadora una sección ecuatorial de una esfera; c) un sistema (17) de imanes montado en dicha estructura (10'') para espesar dicho fluido magnetoreológico (42'') sobre dicha superficie portadora (32''), incluyendo dicho sistema (17) de imanes un electroimán que tiene unos devanados (13'') alrededor de un núcleo, una primera y segunda piezas (14'', 16'') de culata sujetas a los extremos opuestos de dicho núcleo, que se extienden sustancialmente paralelas y que incluyen una primera y una segunda piezas polares (34'', 36''), caracterizado porque dicho sistema (17) de imanes está dispuesto dentro de la envolvente (35) proyectada de dicha esfera, dichas piezas (14'', 16'') de culata están en cercana proximidad con una pared interior de dicha superficie portadora (32'') y dichas piezas (34, 36) polares están sujetas a, y entre, dicha primera y segunda piezas (14'', 16'') de culata respectivamente y se extienden la una hacia la otra para definir un espacio magnético (37) entre las mismas, adyacente a dicha pared interior, para crear un campo magnético en una zona (58) de trabajo de dicha superficie portadora (32'').
Description
Sistema para el acabado magnetoreológico de
sustratos.
La presente invención se refiere a sistemas
abrasivos de acabado y pulido de tipo slurry para sustratos; más
particularmente, a los sistemas que emplean fluidos
magnetoreológicos (MRF) e imanes adyacentes a una rueda portadora
esférica para espesar magnéticamente el fluido en un área de trabajo
de la rueda; y más particularmente, a un sistema mejorado en el
cual los imanes de espesamiento están dispuestos dentro la propia
rueda.
El uso de fluidos magnetoreológicos espesados
magnéticamente para el acabado y el pulido abrasivos de sustratos
es común. Tales fluidos, que contienen partículas abrasivas
magnéticamente blandas dispersas en un vehículo líquido, exhiben
comportamientos plásticos inducidos por magnetismo en presencia de
un campo magnético. La viscosidad aparente del fluido puede
aumentarse magnéticamente en muchos órdenes de magnitud, de tal modo
que la consistencia del fluido cambia de ser prácticamente acuoso a
ser prácticamente una pasta muy espesa. Cuando se dirige dicha
pasta apropiadamente contra la superficie de un sustrato a conformar
o pulir, por ejemplo, un elemento óptico, puede lograrse un alto
nivel de calidad, precisión y control del acabado.
La Patente Estadounidense Nº 5.951.369,
concedida el 14 de Septiembre de 1999 a Kordonski y otros, describe
procedimientos, fluidos, y aparatos para el acabado magnetoreológico
determinista de sustratos. Esta patente es aquí denominada
"369".
En un sistema de acabado magnetoreológico
típico, tal como el descrito en la patente '369, una superficie de
trabajo comprende una rueda orientada verticalmente que tiene una
corona axialmente ancha que está recortada simétricamente con
respecto a un buje. Unas piezas polares magnéticas conformadas
especialmente se extienden hacia lados opuestos de la rueda por
debajo de la corona recortada para proporcionar una zona magnética
de trabajo sobre la superficie de la rueda, preferiblemente cerca
de la posición de punto muerto superior. La superficie de la rueda
es preferiblemente una sección ecuatorial de una esfera.
Montado sobre la zona de trabajo hay un receptor
de sustrato, tal como un plato, para aproximar un sustrato a acabar
hasta la zona de trabajo. El plato puede manipularse de manera
programada con una pluralidad de modos de movimiento y
preferiblemente se controla mediante un controlador programable o un
ordenador.
Un fluido magnetoreológico en estado no
magnetizado es extruido en forma de cinta desde una boquilla sobre
la superficie de trabajo de la rueda, que lo porta hacia la zona de
trabajo en la cual se magnetiza y adquiere una consistencia
pastosa. En la zona de trabajo, el MRF pastoso efectúa sobre el
sustrato una acción abrasiva, conocida como pulido o acabado
magnetoreológico. Al abandonar la zona de trabajo, el fluido
concentrado se vuelve no magnético nuevamente y es raspado de la
superficie de trabajo de la rueda para su recirculación y nuevo
uso.
El suministro de fluido a la rueda, y la
recuperación del mismo, se administra mediante un sistema de
suministro de fluido tal como el descrito en la referencia '369. Se
retira el MRF del raspador mediante una bomba de aspiración y se
envía a un tanque en donde se mide su temperatura y se ajusta al
objetivo. La recirculación desde el tanque hasta la boquilla, y por
lo tanto a través de la zona de trabajo, a un caudal específico, se
lleva a cabo configurando la velocidad de rotación de una bomba de
carga, típicamente una bomba peristáltica. Debido a que la bomba
peristáltica exhibe un flujo pulsante, se requiere un amortiguador
de pulsaciones aguas abajo de la bomba.
El caudal del MRF suministrado a la zona de
trabajo está altamente controlado. Se proporciona un medidor de
flujo, en línea con el sistema de recirculación de fluido, que está
conectado a un controlador para regular la velocidad de rotación de
la bomba.
En el sistema de suministro de fluido se
proporciona un viscosímetro capilar a la salida del mismo hacia la
superficie de la rueda. Las señales de salida del medidor de flujo y
del viscosímetro se introducen en un algoritmo de un ordenador que
calcula la viscosidad aparente del MRF que está siendo suministrado
a la rueda, y controla la tasa de reposición de fluido
transportador al MRF de recirculación en una cámara de mezcla aguas
arriba del viscosímetro, para ajustar la viscosidad aparente al
objetivo.
El sistema de acabado por MRF de la técnica
anterior que acaba de describirse no es adecuado para dos requisitos
de acabado que han surgido recientemente.
En primer lugar, debido a que las piezas polares
magnéticas están extendidas por debajo del borde de la rueda desde
el exterior de la envolvente de la esfera de la que deriva la rueda,
de forma sustancialmente tangencial a la superficie esférica, el
sistema de la técnica anterior no puede acabar objetos cóncavos
grandes tales como lentes grandes que tengan un radio de curvatura
del orden del radio de la rueda, debido a la interferencia estérica
de las piezas polares.
En segundo lugar, debido a que las piezas
polares se extienden radialmente sobre un ángulo central de la rueda
comparativamente pequeño, el sistema de la técnica anterior es
adecuado para acabar piezas únicamente cuando están dispuestas en,
o cerca de, la posición del punto muerto superior de la rueda
portadora y por lo tanto está limitado a acabar sustratos que
pueden ser montados y manipulados en un plato aéreo.
Se requiere una atención adicional al documento
US-A-5 951 369, que describe un
sistema mejorado para aumentar la efectividad del acabado
magnetoreológico de un sustrato. Un medidor de flujo en línea está
unido en lazo cerrado a la velocidad de rotación de una bomba de
carga para asegurar que el caudal de fluido magnetereológico (MRF)
hacia la zona de trabajo sea constante. Un viscosímetro capilar
simplificado está dispuesto en el sistema de suministro de fluido a
la salida del mismo hacia la superficie exterior. Se envían las
señales de salida del medidor de flujo y del sensor viscosímetro de
presión a un ordenador que calcula la viscosidad del MRF que está
siendo suministrado a la zona de trabajo, y que provoca la
reposición de fluido transportador al MRF hasta la concentración de
trabajo para devolver la viscosidad al objetivo para asegurar que se
proporcione una concentración constante de sólidos magnéticos a la
zona de trabajo. Unas piezas polares asimétricas para electroimán
de campo en la zona de trabajo extienden el campo magnético a lo
largo de la superficie de la rueda aguas arriba de la zona de
trabajo para permitir un espesamiento magnético completo del MRF
antes de que alcance la pieza a trabajar, además de minimizar el
campo marginal en las cercanías
del viscosímetro, y acortar el campo magnético a lo largo de la superficie de la rueda aguas abajo de la zona de trabajo.
del viscosímetro, y acortar el campo magnético a lo largo de la superficie de la rueda aguas abajo de la zona de trabajo.
De acuerdo con la presente invención se
proporciona un sistema para el acabado magnetoreológico de
sustratos, tal como se expone en la reivindicación 1. Las
realizaciones preferidas de la invención se proporcionan en las
reivindicaciones dependientes.
Es un objetivo principal de la invención
proporcionar un sistema para el acabado magnetoreológico de
sustratos cóncavos en el cual el radio de concavidad sea comparable
al radio de la rueda portadora.
Es un objetivo adicional de la invención
proporcionar un sistema para el acabado magnetoreológico de
sustratos en el cual el acabado pueda llevarse a cabo con cualquier
orientación angular deseada de la zona de trabajo en la rueda
portadora.
Es otro objetivo adicional de la invención
proporcionar un sistema para el acabado magnetoreológico de
sustratos grandes en el cual el sustrato esté situado sobre un
lecho controlable, la rueda portadora esté situada sobre el
sustrato, y se proporcione una zona de trabajo en la posición del
punto muerto inferior de la rueda portadora que pueda moverse sobre
el sustrato.
Brevemente descrito, un sistema mejorado para el
acabado magnetoreológico de un sustrato de acuerdo con la
invención, tal como se define en las características de la
reivindicación 1 comprende una rueda portadora orientada
verticalmente que tiene un eje horizontal. La rueda portadora es
preferiblemente una sección ecuatorial de una esfera, de manera que
la superficie portadora es esférica. La rueda tiene generalmente
forma de cuenco, y comprende una placa circular conectada a un
medio impulsor rotativo la cual soporta la superficie esférica que
se extiende lateralmente desde la placa. Un electroimán que tiene
unas piezas polares norte y sur, planas, está dispuesto dentro de
la rueda, dentro de la envolvente de la esfera y preferiblemente
dentro de la envolvente de la sección esférica definida por la
rueda. Los imanes se extienden por encima de una rueda central, en
un ángulo de unos 120º, de manera que el fluido magnetereológico se
mantenga en un estado parcialmente espeso bastante por delante y
bastante por detrás de la zona de trabajo. Un raspador magnético
retira el MRF de la rueda a medida que el espesor disminuye y lo
devuelve a un sistema de suministro de fluidos convencional para su
acondicionamiento y re-extrusión hacia la rueda. La
colocación de imanes dentro de la rueda proporciona un espacio
libre en ambos lados de la superficie portadora de manera puedan
alojarse sustratos cóncavos grandes, que han de extenderse más allá
de los bordes de la rueda, para su acabado. La extensión angular de
los imanes provoca que el MRF quede retenido en la rueda sobre un
ángulo central extendido en la misma, permitiendo la orientación y
el acabado en una zona de trabajo en la posición del punto muerto
inferior de la rueda.
Los anteriores y otros objetivos,
características, y ventajas de la invención, así como las
realizaciones actualmente preferidas de la misma, se harán más
aparentes a partir de la lectura de la siguiente descripción en
conexión con los dibujos adjuntos en los cuales:
La Fig. 1 es una vista isométrica desde encima
de la porción del conjunto mecánico de un aparato de acabado de
sustratos de la técnica anterior, sustancialmente como el que se
muestra en la patente '369;
La Fig. 2 es una vista en alzado en sección
transversal tomada a través del plano 2-2 de la Fig.
1;
La Fig. 3 es una vista isométrica desde encima
de la porción del conjunto mecánico de una primera realización de
un aparato mejorado de acabado de sustratos de acuerdo con la
invención;
La Fig. 4 es una vista en alzado en sección
transversal tomada a través del plano 4-4 de la Fig.
3;
La Fig. 5 es una vista isométrica como la
mostrada en la Fig. 3 pero con la rueda portadora y los componentes
de manejo de fluidos eliminados para mostrar la disposición de
imanes tal como normalmente están dispuestos dentro de la
rueda;
La Fig. 6 es una vista isométrica desde debajo
de la porción del conjunto mecánico de una segunda realización de
un aparato mejorado de acabado de sustratos de acuerdo con la
invención; y
La Fig. 7 es una vista en alzado del aparato
mostrado en la Fig. 6 en sección transversal tomada a través del
plano 7-7, que muestra el aparato en uso para acabar
la superficie superior de un sustrato grande en un lecho móvil.
\vskip1.000000\baselineskip
En las Figs. 1 y 2 se muestra el esquema general
de la porción de conjunto mecánico 10 de un sistema de acuerdo con
la técnica anterior para el acabado magnetoreológico de un sustrato.
La porción 10 incluye una base 12 que soporta el núcleo de un imán,
preferiblemente el núcleo y los devanados 13 de un electroimán, y
que soporta unas piezas de culata izquierda y derecha del imán, 14
y 16 respectivamente, que están conectadas al núcleo de manera
convencional. La culata 14 soporta una unidad 18 motriz acoplada
mediante un acoplamiento 20 a un eje 22 montado sobre unos
cojinetes 24 y soportado por un pedestal 26. La unidad 18 motriz se
controla mediante un controlador de la unidad motriz (no
representado) de manera convencional para controlar la velocidad de
rotación de la unidad motriz a un valor deseado. El eje 22 está
acoplado de manera rotativa al buje 28 de una brida 30 de la rueda
portadora que soporta una superficie periférica 32 que se extiende
axialmente con respecto a la brida 30 hacia ambos lados de la
misma, preferiblemente de manera simétrica. La superficie 32, que
es la superficie de trabajo o superficie portadora del aparato,
puede ser sustancialmente plana, es decir, tener una curvatura
únicamente en la dirección circunferencial, definiendo una sección
cilíndrica, o preferiblemente la superficie 32 también puede estar
arqueada en la dirección axial, definiendo una convexidad (tal como
se muestra en la Fig. 2). Montadas en las piezas de culata 14, 16
hay unas piezas polares izquierda y derecha, 34 y 36
respectivamente, que se extienden bajo la superficie 32
sustancialmente de manera tangencial a la misma. El imán puede
orientarse y operarse alternativamente de manera que las piezas
polares 34, 36 sean magnéticamente norte y sur o sur y norte,
respectivamente, igualando el efecto. Una boquilla 38 de aplicación
está conectada a una línea 40 de suministro para proporcionar una
cinta 42 de MRF sobre la superficie 32 de trabajo en movimiento, y
un raspador 44 está conectado a una línea 46 de retorno para retirar
el MRF de la superficie 32 de trabajo y devolver el MRF a un
sistema de recirculación y acondicionamiento (no representado en las
Figs. 1 y 2). El raspador 44 preferiblemente está apantallado
magnéticamente.
En las Figs. 3 y 5 se muestra el esquema general
de una porción 10' de un sistema de acuerdo con la presente
invención para el acabado magnetoreológico de un sustrato. La
porción 10' incluye una base 12', una primera abrazadera 11, y un
brazo 15 para soportar, por ejemplo por medio de pernos, un conjunto
de imán 17, preferiblemente el núcleo y los devanados 13' de un
electroimán y unas piezas izquierda y derecha de culata del imán,
14' y 16' respectivamente, que son preferiblemente placas planas
que tienen unos extremos radiales conformables a la rueda
portadora, tal como se muestra en las Figs. 4 y 5, y que están
conectadas convencionalmente al núcleo. Una segunda abrazadera 11'
que se extiende desde una base 12' soporta un eje 22' montado sobre
unos cojinetes 24' y una unidad motriz 18' montada en voladizo en
el mismo. La unidad 18' motriz se controla mediante un controlador
de la unidad motriz (no representado) de manera convencional para
controlar la velocidad de rotación del mecanismo impulsor a un
valor deseado. El eje 22' está acoplado de manera rotativa a una
brida 30' de la rueda portadora que soporta una superficie
periférica 32' que se extiende desde la brida 30' en la dirección
opuesta a la unidad 18' de mecanismo impulsor. La brida 30' y la
superficie 32' definen juntas una rueda portadora 31, generalmente
con forma de cuenco, que está abierta por el lado opuesto a la brida
30' para recibir el conjunto de imán 17. La superficie 32', que es
la superficie de trabajo o superficie portadora del aparato, puede
ser sustancialmente plana, es decir, tener curvatura únicamente en
la dirección circunferencial, definiendo una sección cilíndrica, o
preferiblemente la superficie 32' también puede estar arqueada en la
dirección axial, definiendo una convexidad (tal como se muestra en
la Fig. 2). De acuerdo con la invención, la superficie 32' es una
sección ecuatorial de una esfera. El conjunto de imán 17 está
dispuesto dentro de la envolvente 35 de una esfera de la cual la
superficie 32' es una sección, y está contenida dentro de los
límites geométricos de la propia superficie 32' tal como se muestra
en la Fig. 4. Por lo tanto, se elimina el impedimento estérico para
acabar sustratos cóncavos más amplios que la anchura de la
superficie 32 ó 32', tal como se presentaba debido a las piezas 34,
35 polares del aparato 10 de la técnica anterior.
Montadas en las piezas 14', 16' de culata hay
unas piezas polares izquierda y derecha, 34' y 36' respectivamente,
que se extienden la una hacia la otra y que están separadas por un
espacio magnético 37. Mientras que las piezas 14', 16' de culata
preferiblemente se extienden sobre un ángulo central de la rueda
portadora de unos 120º, las piezas 34', 36' polares se extienden
sobre un ángulo central mucho más pequeño, preferiblemente de unos
20º. Por lo tanto hay presente un amplio campo magnético sobre un
ángulo central grande, permitiendo al aparato retener el MRF sobre
la superficie portadora en un estado semiespeso que resiste la
gravedad, permitiendo una zona de trabajo de acabado en cualquier
orientación radial deseada del aparato, incluyendo en la posición
del punto muerto inferior de la rueda, tal como se muestra en las
Figs. 6 y 7 y se describe más adelante. En la zona de trabajo se
encuentra presente un campo magnético estrecho e intenso, como parte
de un campo marginal formado en el espacio entre las piezas
polares.
El conjunto de imán puede orientarse y operarse
alternativamente de manera que las piezas 34', 36' polares sean
magnéticamente norte y sur o sur y norte, respectivamente, igualando
el efecto. Una boquilla 38' de aplicación, soportada por la
abrazadera 39 que se extiende desde el brazo 15, está conectada a
una línea 40' de suministro para proporcionar una cinta 42' de MRF
a la superficie 32' de trabajo en movimiento, y un raspador 44' está
conectado a una línea 46 de retorno para retirar el MRF de la
superficie 32' de trabajo y devolver el MRF a un sistema de
recirculación y acondicionamiento (no representado en las Figs.
3-5) en la forma conocida. El raspador 44' está
preferiblemente apantallado magnéticamente. Preferiblemente, los
extremos radiales de las piezas 14', 16' de culata se extienden
sustancialmente sobre la totalidad de la ruta de contacto de la
cinta de MRF con la superficie portadora, entre el punto de
aplicación de la boquilla y el punto de retirada del raspador. Una
ventaja de un acabador de acuerdo con la invención es que la
boquilla y el raspador pueden estar dispuestos esencialmente en
cualquier localización radial, incluso mucho más lejos de lo que se
muestra en la Fig. 3, de manera que concavidades grandes y
profundas que tengan un radio comparable al radio de la rueda
portadora puedan ser acabadas sin impedimento por parte de la
boquilla y el raspador.
Refiriéndose a las Figs. 6 y 7, una segunda
realización 10'' de un aparato para el acabado magnetoreológico de
acuerdo con la presente invención es sustancialmente idéntica en
diseño a la primera realización 10'. Sin embargo, el aparato está
dispuesto de manera que pueda formarse una zona 58 de trabajo en la
posición de punto muerto inferior de la rueda portadora 31. Esto
permite el uso del aparato para una función completamente nueva, el
acabado de sustratos muy grandes tales como espejos astronómicos.
Tales sustratos son demasiado grandes y pesados para ser manejados
en un plato aéreo conectado a una máquina posicionadora de 5 ejes,
como en la técnica conocida. Tal sustrato, mostrado como sustrato
60 en la Fig. 7, puede montarse convenientemente en un subpiso o
lecho 62 que puede estar conectado a una máquina posicionadora de 5
ejes controlada por ordenador de la manera conocida (no
representada en la Fig. 7), por lo cual cualquier contorno de
superficie deseado puede acabarse en la superficie superior 64 del
sustrato 60.
A partir de la descripción precedente será
aparente que se ha proporcionado un sistema mejorado para el acabado
magnetoreológico de sustratos en el cual el sistema de imanes está
contenido dentro la envolvente esférica de la rueda portadora,
eliminando por lo tanto los impedimentos estéricos adyacentes a la
rueda, y en el cual el sistema puede retener un fluido
magnetoreológico en la superficie portadora en cualquier ángulo de
orientación de la zona de trabajo, permitiendo por lo tanto el
acabado de sustratos grandes montados debajo del sistema. Ciertas
variaciones y modificaciones del presente sistema de acabado, de
acuerdo con la invención tal como se define en las reivindicaciones
adjuntas, sin duda serán obvias para los expertos en la técnica. Por
consiguiente, la descripción anterior debe tomarse como ilustrativa
y no en un sentido limitativo.
Claims (5)
1. Un sistema para el acabado magnetoreológico
de sustratos, que comprende:
- a)
- una estructura (10');
- b)
- una rueda portadora (31) montada de manera rotativa sobre dicha estructura, teniendo dicha rueda un interior hueco (35), definiendo la superficie exterior de dicha rueda una superficie portadora (32') para un fluido magnetoreológico (42') en una zona (58) de trabajo, siendo dicha rueda portadora una sección ecuatorial de una esfera;
- c)
- un sistema (17) de imanes montado en dicha estructura (10') para espesar dicho fluido magnetoreológico (42') sobre dicha superficie portadora (32'), incluyendo dicho sistema (17) de imanes
- un electroimán que tiene unos devanados (13') alrededor de un núcleo,
- una primera y segunda piezas (14', 16') de culata sujetas a los extremos opuestos de dicho núcleo, que se extienden sustancialmente paralelas y que incluyen
- una primera y una segunda piezas polares (34', 36'), caracterizado porque
- dicho sistema (17) de imanes está dispuesto dentro de la envolvente (35) proyectada de dicha esfera, dichas piezas (14', 16') de culata están en cercana proximidad con una pared interior de dicha superficie portadora (32') y dichas piezas (34, 36) polares están sujetas a, y entre, dicha primera y segunda piezas (14', 16') de culata respectivamente y se extienden la una hacia la otra para definir un espacio magnético (37) entre las mismas, adyacente a dicha pared interior, para crear un campo magnético en una zona (58) de trabajo de dicha superficie portadora (32').
2. Un sistema de acuerdo con la Reivindicación
1, en el cual dicha primera y segunda piezas (14', 16') de culata
se extienden sobre un ángulo central de dicha rueda portadora (31')
de unos 120º.
3. Un sistema de acuerdo con la Reivindicación
1, en el cual dicha zona (58) de trabajo está presente en dicha
superficie portadora (32') aproximadamente en una posición de punto
muerto superior de dicha rueda portadora (31).
4. Un sistema de acuerdo con la Reivindicación
1, en el cual dicha zona (58) de trabajo está presente en dicha
superficie portadora (32') aproximadamente en una posición de punto
muerto inferior de dicha rueda portadora (31).
5. Un sistema de acuerdo con la Reivindicación
1, en el cual dicho sistema (17) de imanes está dispuesto dentro de
dicha rueda portadora (31).
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