Omiń nawigację

Jak działają optyczne przetworniki położenia

Zabudowane przetworniki absolutne

Otwarte przetworniki absolutne

Otwarte przetworniki optyczne

FORTiS™

Czym jest zabudowany, optyczny przetwornik położenia?

Układ elektroniczny i optyczny takiego przetwornika jest zamknięty w szczelnej obudowie, która jest przymocowana do korpusu głowicy. Szczelny układ optyczny oraz liniał przetwornika są również zabezpieczone w szczelnej obudowie. Taka konstrukcja jest zabezpieczona przed przedostawaniem się do wnętrza cieczy i zanieczyszczeń stałych.

Zabudowany przetwornik liniowy ma obudowę o specjalnie ukształtowanym profilu, do której wzdłużnie przymocowano uszczelki wargowe i szczelne zatyczki końcowe. Korpus głowicy jest połączony wpustem ze szczelnym układem optycznym; wpust przemieszcza się między uszczelkami wargowymi wzdłuż przetwornika. Liniowy ruch osi sprawia, że głowica i układ optyczny przemieszczają się po skali absolutnej przetwornika (która jest przymocowana do wnętrza obudowy), bez kontaktu mechanicznego.

Na liniale przetwornika naniesiono kod położenia absolutnego z kontrastowymi liniami o pełnej szerokości, który jest pobierany przez soczewkę na przetwornik obrazu wewnątrz głowicy. Wynik pomiaru położenia liniowego ma postać cyfrową i jest dostępny w różnych protokołach komunikacji szeregowej wykorzystywanych w branży metrologicznej.

Schemat optyczny FORTiS™

RESOLUTE™

RESOLUTE komunikuje się dwukierunkowo w czystym formacie szeregowym, korzystając z przemysłowych protokołów, przy czym dostępne są zarówno wersje „firmowe”, jak i otwarte.

Schemat układu optycznego przetwornika RESOLUTE™ z opisem

Proces zaczyna się...

Sterownik rozpoczyna działanie, wysyłając komunikat żądania do głowicy, wydając polecenie zebrania danych aktualnego położenia absolutnego na skali liniowej lub kątowej. Głowica odpowiada, wyzwala błysk diody LED o wysokiej mocy w celu oświetlenia skali. Czas trwania błysku wynosi 100 ns w celu zminimalizowania rozmazania obrazu na osiach ruchomych. Ważny aspekt — synchronizacja czasowa błysku — jest sterowana w ciągu kilku nanosekund w celu zachowania relacji między pozycją żądaną i zgłoszoną. Jest to jedna z podstawowych cech, które powodują, że przetwornik RESOLUTE doskonale nadaje się do zastosowań o bardzo wysokich parametrach przemieszczeń.

Skala z jednym torem

Skalą jest jeden tor z naniesionymi kontrastowymi liniami pełnej szerokości o okresie nominalnym 30 µm. Brak równoległych torów zapewnia odporność na błędy odchylenia w poziomie oraz o wiele większą tolerancję poprzeczną w pozycji głowicy.

Przechwytywanie obrazu

Obraz skali jest pobierany na przetwornik obrazu — specjalnie opracowany do serii RESOLUTE — przez soczewkę asferyczną, która minimalizuje zniekształcenia. Układ optyczny, ze składanym torem oświetlenia i bezpośrednim obrazowaniem, ma niewielkie wymiary i jest stabilny, zapewniając w ten sposób jakość ważną w uzyskaniu doskonałych parametrów pomiarowych.

Dekodowanie i analiza danych

Przechwycony przez detektor obraz jest przekazywany przez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) do wydajnego procesora sygnałowego DSP. Na podstawie dedykowanych algorytmów uzyskuje się rzeczywiste absolutne, choć względnie zgrubne położenie na podstawie kodu naniesionego na skalę. Proces jest kontrolowany, a poprawki są wprowadzane przez kolejne algorytmy procesora sygnałowego DSP, które wykorzystują redundancję i celowe ograniczenia w kodzie skali. W międzyczasie inne procedury obliczają dokładne położenie z wysoką rozdzielczością, które jest kolejno łączone ze zgrubnym położeniem w celu zapewnienia rzeczywiście absolutnego położenia z wysoką rozdzielczością.

Kontrole końcowe i wyprowadzenie danych

Po końcowej kontroli błędów te informacje są przesyłane za pomocą właściwego protokołu do sterownika jako „czyste” słowo szeregowe reprezentujące położenie z dokładnością do 1 nm. Funkcja cyklicznej kontroli nadmiarowej (CRC) jest dodatkowym zabezpieczeniem przed zakłóceniami elektrycznymi. Cały proces trwa tylko kilka mikrosekund i można go powtarzać do 25 000 razy w ciągu sekundy. Dzięki różnorodnym technikom, łącznie z dopasowaniem czasu trwania błysku światła do prędkości osi, te parametry można osiągać przy prędkości do 100 m/s, przy — co jest najważniejsze — zachowaniu wyjątkowo niskiego szumu (rozstrojenia) przy niższych prędkościach roboczych.

Zaś w wyniku uzyskujemy...

Przetwornik położenia dzięki szerokim tolerancjom instalacyjnym: Głowica RESOLUTE charakteryzuje się tolerancją na odchylenie z poziomie, w pionie i przechył równą ±0,5° oraz doskonałą tolerancję wysokości przesuwu równą ±150 µm. Doskonałe parametry układu optycznego i zaawansowane procedury korekcji błędów zapewniają wysoką odporność na zanieczyszczenia toru optycznego, zarówno przez ciała stałe, jak i smugi oleju i smaru. A to wszystko przy zachowaniu rozdzielczości 1 nm przy prędkości 100 m/s: przetwornik RESOLUTE to rozwiązanie do pomiarów położenia absolutnego w najcięższych warunkach.

EVOLUTE™

Przetwornik EVOLUTE komunikuje się dwukierunkowo w czystym formacie szeregowym, korzystając z przemysłowych protokołów, przy czym dostępne są zarówno wersje „firmowe”, jak i otwarte.

Schemat układu optycznego przetwornika EVOLUTE™ z opisem

Proces zaczyna się...

Sterownik rozpoczyna działanie, wysyłając komunikat żądania do głowicy, wydając polecenie zebrania danych aktualnego położenia absolutnego na skali liniowej. Głowica odpowiada, wyzwala błysk diody LED o wysokiej mocy w celu oświetlenia skali. Czas trwania błysku wynosi 100 ns w celu zminimalizowania rozmazania obrazu na osiach ruchomych. Ważny aspekt — synchronizacja czasowa błysku — jest sterowana w ciągu kilku nanosekund w celu zachowania relacji między pozycją żądaną i zgłoszoną. Dzięki temu przetwornik EVOLUTE doskonale nadaje się do zastosowań o bardzo wysokich parametrach przemieszczeń.


Skala z jednym torem

Skalą jest jeden tor z naniesionymi kontrastowymi liniami pełnej szerokości o okresie nominalnym 50 µm. Brak równoległych torów zapewnia odporność na błędy odchylenia w poziomie oraz wyższą tolerancję poprzeczną w pozycji głowicy.

Przechwytywanie obrazu

Obraz skali jest pobierany na przetwornik obrazu przez soczewkę asferyczną, która minimalizuje zniekształcenia. Układ optyczny, ze składanym torem oświetlenia i bezpośrednim obrazowaniem, ma niewielkie wymiary i jest stabilny, zapewniając w ten sposób jakość ważną w uzyskaniu doskonałych parametrów pomiarowych.

Dekodowanie i analiza danych

Przechwycony przez detektor obraz jest przekazywany przez przetwornik analogowo-cyfrowy do wydajnego procesora sygnałowego DSP. Na podstawie dedykowanych algorytmów uzyskuje się rzeczywiste absolutne, choć względnie zgrubne położenie na podstawie kodu naniesionego na skalę. Proces jest kontrolowany, a poprawki są wprowadzane przez kolejne algorytmy procesora sygnałowego DSP, które wykorzystują redundancję i celowe ograniczenia w kodzie skali. W międzyczasie inne procedury obliczają dokładne położenie z wysoką rozdzielczością, które jest kolejno łączone ze zgrubnym położeniem w celu zapewnienia rzeczywiście absolutnego położenia z wysoką rozdzielczością.

Kontrole końcowe i wyprowadzenie danych

Po końcowej kontroli błędów, informacje o położeniu są przesyłane za pomocą właściwego protokołu do sterownika jako „czyste” słowo szeregowe. Funkcja cyklicznej kontroli nadmiarowej (CRC) jest dodatkowym zabezpieczeniem przed zakłóceniami elektrycznymi. Cały proces trwa tylko kilka mikrosekund i można go powtarzać do 25 000 razy w ciągu sekundy. Dzięki różnorodnym technikom, łącznie z dopasowaniem czasu trwania błysku światła do prędkości osi, te parametry można osiągać przy prędkości do 100 m/s, przy zachowaniu wyjątkowo niskiego szumu (rozstrojenia) przy niższych prędkościach roboczych.

Zaś w wyniku uzyskujemy...

Głowica EVOLUTE charakteryzuje się szeroką tolerancją instalacyjną na odchylenie w poziomie równą ±0,75°, pochylenie w pionie i obrót równą ±0,5° oraz doskonałą tolerancją wysokości przesuwu równą ±250 µm. Doskonałe parametry układu optycznego i zaawansowane procedury korekcji błędów zapewniają wysoką odporność na zanieczyszczenia toru optycznego, tym zarówno przez ciała stałe, jak i smugi oleju i smaru, przy jednoczesnym zachowaniu rozdzielczości 50 nm do prędkości 100 m/s.

QUANTiC™

W przetworniku QUANTiC zastosowano unikatowy, filtrujący układ optyczny firmy Renishaw trzeciej generacji, który określa średnią z większego obszaru liniału i w efekcie pozostaje niewrażliwy na takie zakłócenia nieokresowe, jak pył. Filtrowany jest także nominalny prostokątny wzorzec liniału, aby uzyskać dla detektora czyste pole z prążkami w kształcie sinusoidy. Zastosowano tutaj złożoną strukturę sygnału, która jest na tyle efektywna, że produkuje fotoprądy w formie czterech sygnałów z symetrycznie uzgodnionymi fazami. Są one łączone, aby usunąć składowe prądu stałego i produkować sygnały wyjściowe typu sinus/cosinus o spektralnej czystości i niskim offsecie, dla pasma ponad 500 kHz.

W pełni wbudowane, zaawansowane dynamiczne dopasowanie sygnału, automatyczna regulacja wzmocnienia, automatyczne balansowanie, automatyczna kontrola offsetu zapewniają bardzo niski błąd cykliczny (SDE), typowo < ±80 nm w niewielkich układach obrotowych, < ±150 nm w dużych układach obrotowych i < ±80 nm w układach liniowych.

Zaawansowany układ optyczny w połączeniu ze starannie zaprojektowanym układem elektronicznym pozwalają na uzyskanie sygnałów przyrostowych w szerokim paśmie przy maksymalnej prędkości 8800 obr./min w systemach obrotowych i prędkości maksymalnej 24 m/s w systemach liniowych, przy najniższym rozstrojeniu położenia (szumie) każdego przetwornika w swej klasie. Interpolacja odbywa się w głowicy, zaś wersje o wysokiej rozdzielczości są wspierane przez dodatkowe układy redukcji szumu, pozwalając na uzyskanie rozstrojenia rzędu 2,73 nm (wartość średniokwadratowa).

Schemat układu optycznego TONiC™ z opisem

Znacznik odniesienia IN-TRAC jest wbudowany na skali przyrostowej; wykrywa go fotodetektor w głowicy. Unikatowa konstrukcja umożliwia także wykonywanie automatycznej procedury kalibracyjnej, która w sposób elektroniczny ustawia fazę znacznika odniesienia i optymalizuje sygnały przyrostowe.

TONiC™

W głowicy TONiC zastosowano unikatowy, filtrujący układ optyczny firmy Renishaw trzeciej generacji, który określa średnią z większego obszaru liniału, i w efekcie pozostaje niewrażliwy na takie zakłócenia nieokresowe jak kurz. Filtrowany jest także nominalny prostokątny wzorzec liniału, aby uzyskać dla detektora czyste pole z prążkami w kształcie sinusoidy. Zastosowano tutaj złożoną strukturę sygnału, która jest na tyle efektywna, że produkuje fotoprądy w formie czterech sygnałów z symetrycznie uzgodnionymi fazami. Są one łączone w celu usunięcia składowej prądu stałego i wytwarzania sygnałów wyjściowych typu sinus/cosinus o widmowej czystości i niskim offsecie, dla pasma ponad 500 kHz.

W pełni wbudowane, zaawansowane dynamiczne dopasowanie sygnału, automatyczna regulacja wzmocnienia, automatyczne balansowanie, automatyczna kontrola offsetów zapewniają bardzo niski błąd cykliczny typowo < ±30 nm.

Zaawansowany układ optyczny w połączeniu ze starannie dobranym układem elektronicznym pozwalają na uzyskanie sygnałów przyrostowych w szerokim paśmie przy szybkości maksymalnej 10 m/s przy najniższym rozstrojeniu położenia (szumie) każdego przetwornika w swej klasie. Interpolacja odbywa się na podstawie algorytmu CORDIC w interfejsie TONiC Ti, zaś wersje o wysokiej rozdzielczości są wspierane przez dodatkowe układy redukcji szumu, pozwalając na uzyskanie rozstrojenia rzędu 0.5 nm (wartość średniokwadratowa).

Schemat układu optycznego TONiC™ z opisem

Znacznik odniesienia IN-TRAC jest wbudowany na skali przyrostowej; wykrywa go fotodetektor w głowicy. Jak widać na schemacie, fotodetektor znacznika odniesienia jest zamontowany bezpośrednio w środku liniowej matrycy fotodiod kanału przyrostowego, co zapewnia większą odporność na odchyłki w poziomie. Pozwala to na uzyskanie sygnału wyjściowego znacznika odniesienia, który zapewnia powtarzalność odczytu w obu kierunkach przy wszystkich prędkościach. Unikatowa konstrukcja umożliwia także wykonywanie automatycznej procedury kalibracyjnej, która w sposób elektroniczny ustawia fazę znacznika odniesienia i optymalizuje dynamiczne dopasowanie sygnału.

VIONiC™

W głowicy VIONiC zastosowano unikatowy, filtrujący układ optyczny firmy Renishaw trzeciej generacji, który określa średnią z większego obszaru liniału, i w efekcie pozostaje niewrażliwy na takie zakłócenia nieokresowe jak kurz. Filtrowany jest także nominalny prostokątny wzorzec liniału, aby uzyskać dla detektora czyste pole z prążkami w kształcie sinusoidy. Zastosowano tutaj złożoną strukturę sygnału, która jest na tyle efektywna, że produkuje fotoprądy w formie czterech sygnałów z symetrycznie uzgodnionymi fazami. Są one łączone w celu usunięcia składowej prądu stałego i wytwarzania sygnałów wyjściowych typu sinus/cosinus o widmowej czystości i niskim offsecie, dla pasma ponad 500 kHz.

W pełni wbudowane, zaawansowane dynamiczne dopasowanie sygnału, automatyczna regulacja wzmocnienia, automatyczne balansowanie, automatyczna kontrola offsetów zapewniają bardzo niski błąd cykliczny typowo < ±15 nm.

Zaawansowany układ optyczny w połączeniu ze starannie dobranym układem elektronicznym pozwalają na uzyskanie sygnałów przyrostowych w szerokim paśmie przy szybkości maksymalnej 12 m/s przy najniższym rozstrojeniu położenia (szumie) każdego przetwornika w swej klasie. Interpolacja odbywa się w głowicy, zaś wersje o wysokiej rozdzielczości są wspierane przez dodatkowe układy redukcji szumu, pozwalając na uzyskanie rozstrojenia rzędu 1,6 nm (wartość średniokwadratowa).

Schemat układu optycznego TONiC™ z opisem

Znacznik odniesienia IN-TRAC™ jest wbudowany na skali przyrostowej; wykrywa go fotodetektor w głowicy. Jak widać na schemacie, fotodetektor znacznika odniesienia jest zamontowany bezpośrednio w środku liniowej matrycy fotodiod kanału przyrostowego, co zapewnia większą odporność na odchyłki w poziomie. Unikatowa konstrukcja umożliwia także wykonywanie automatycznej procedury kalibracyjnej, która w sposób elektroniczny ustawia fazę znacznika odniesienia i optymalizuje sygnały przyrostowe.

ATOM DX™

W przetworniku ATOM DX wykorzystano sprawdzony na rynku filtrujący układ optyczny stosowany w przetwornikach przyrostowych firmy Renishaw, takich jak TONiC i VIONiC. W głowicy ATOM DX zastosowano niekolimowane źródło światła LED umieszczone centralnie między czujnikami znacznika przyrostowego i odniesienia: dioda LED o dużej rozbieżności ma niewielką wysokość w porównaniu z liniałem, co pozwala na oświetlenie obszarów znacznika przyrostowego i odniesienia. Niekoherentna dioda LED wytwarza sygnał o wyjątkowej czystości pod względem harmonicznych, co pozwala na interpolację sygnału z wysoką rozdzielczością. Skuteczna fotometria pozwala również na uzyskanie sygnału wyjściowego o niskim szumie (rozstrojeniu). Znaczącą zaletą filtrującego układu optycznego jest to, że przetwornik ATOM DX nie generuje błędów pomiarowych związanych z zanieczyszczeniem lub falowaniem liniału.


W pełni wbudowane, zaawansowane metody dynamicznego dopasowania sygnału, w tym automatyczna regulacja wzmocnienia, automatyczna kontrola balansu, automatyczna kontrola offsetów zapewniają bardzo niski błąd cykliczny, typowo <±15 nm.


Połączenie filtrującego układu optycznego ze starannie dobranym układem elektronicznym pozwala na uzyskanie przyrostowego sygnału sprzężenia zwrotnego w szerokim paśmie przy szybkości maksymalnej 12 m/s, przy najniższym rozstrojeniu położenia (szumie) każdego przetwornika w swej klasie. Cyfrowa interpolacja sygnału odbywa się w głowicy, zaś wersje o wysokiej rozdzielczości są wspierane przez dodatkowe układy redukcji szumu, pozwalając na uzyskanie rozstrojenia rzędu 1,6 nm (wartość średniokwadratowa).


W celu zapewnienia odporności na zanieczyszczenia, w przetwornikach serii ATOM DX zastosowano duży, optyczny znacznik odniesienia z pojedynczym elementem znajdującym się poza torem. Uzgodnienie fazy znacznika odniesienia uzyskuje się za pomocą prostej, intuicyjnej procedury automatycznej kalibracji stosowanej w przetwornikach położenia QUANTiC™VIONiC™.

Schemat układu optycznego ATOM™ z opisem

ATOM™

W przetworniku ATOM zastosowano niekolimowaną diodę LED umieszczoną centralnie między czujnikami przyrostowym i znacznika odniesienia. Dioda LED o dużej rozbieżności ma niewielką wysokość w porównaniu z liniałem, co pozwala na oświetlenie obszarów znacznika przyrostowego i odniesienia.

W przetworniku ATOM zastosowano ten sam filtrujący układ optyczny, co we wszystkich przetwornikach przyrostowych firmy Renishaw. Niekoherentna dioda LED wytwarza sygnał o wyjątkowej czystości pod względem harmonicznych, co pozwala na interpolację sygnału z wysoką rozdzielczością. Skuteczna fotometria pozwala na uzyskanie sygnału o niskich zakłóceniach. Kolejną zaletą filtrującego układu optycznego jest to, że przetwornik ATOM nie generuje błędów pomiarowych związanych z zanieczyszczeniem i falowaniem liniału.

W celu zapewnienia odporności na zanieczyszczenia, w przetworniku ATOM zastosowano duży, optyczny znacznik odniesienia z pojedynczym elementem znajdującym się poza torem. Uzgodnienie fazy znacznika odniesienia odbywa się tak samo, jak w wypadku głowicy TONiC.

Schemat układu optycznego ATOM™ z opisem