Omiń nawigację

W jaki sposób działają systemy interferometryczne?

Jak działa interferometria?

Wprowadzenie

Najczęściej używane narzędzie interferometryczne — interferometr Michelsona — został wynaleziony przez Alberta Abrahama Michelsona w 1887 roku. Był on pierwszym Amerykaninem, któremu przyznano nagrodę Nobla za osiągnięcia naukowe. Opracował on system zwierciadeł i półprzezroczystych zwierciadeł (rozdzielaczy wiązki) do łączenia rozdzielonych wiązek światła, które pochodzą z tego samego źródła. Interferometria laserowa jest dopracowaną metodą pomiaru przemieszczeń z dużą dokładnością.

Podstawowa zasada działania

Schemat interferometru Michelsona

W interferometrze Michelsona dochodzi do rozdzielenia pojedynczej, przychodzącej wiązki światła spójnego na dwie identyczne wiązki. Każda z tych wiązek ma inną trasę, zwaną torem; wiązki łączą się przed dojściem do detektora. Różnica w odległości przebytej przez każdą wiązkę wprowadza przesunięcie fazowe między nimi. Przesunięcie fazowe przyczynia się do powstania obrazu interferencyjnego pomiędzy początkowo identycznymi falami, który jest wykrywany przez detektor. Jeśli pojedyncza wiązka rozdziela się na dwa tory (pomiarowy i odniesienia), wtedy przesunięcie fazowe jest miarą czynnika wprowadzającego go na tych torach. Może to być fizyczna zmiana długości samego toru lub zmiana współczynnika załamania światła w środowisku wiązki światła.

Interferometria Michelsona

Wiązka laserowa (1) wychodzi ze źródła światła laserowego i dzieli się na dwie wiązki (odniesienia (2) i pomiarową (3)) w interferometrze. Te wiązki ulegają odbiciu od dwóch retroreflektorów i łączą się przed dojściem do detektora.

Konfiguracja lasera

Zastosowanie retroreflektorów daje pewność, że wiązki pochodzące z ramion odniesienia i pomiarowego są równoległe w momencie ich połączenia w interferometrze. Połączone wiązki dochodzą do detektora, gdzie zachodzi ich interferencja konstruktywna lub destruktywna. W trakcie interferencji konstruktywnej dwie wiązki są w fazie, zaś strzałki obu wiązek ulegają wzmocnieniu, co powoduje powstanie jasnego prążka. W trakcie interferencji destruktywnej wiązki nie są z sobą w fazie, a strzałki jednej wiązki znoszą się z węzłami drugiej wiązki, co powoduje powstanie ciemnego prążka.

Obróbka sygnału

Obróbka sygnału optycznego w detektorze umożliwia obserwowanie interferencji tych dwóch wiązek. Przemieszczenie wiązki pomiarowej powoduje zmianę fazy względnej dwóch wiązek. Ten cykl interferencji konstruktywnej i destruktywnej powoduje cykliczną zmianę natężenia połączonej wiązki światła. Jeden cykl zmiany natężenia ze światła jasnego na ciemne występuje wtedy, gdy wiązka pomiarowa/retroreflektor (3) przesuwa się o połowę długości fali lasera.

Dokładność systemu

Dokładność pomiarów położenia liniowego zależy od dokładności znajomości długości fali wiązki lasera. Robocza długości fali wiązki laserowej zależy od współczynnika załamania światła powietrza, przez które oba przechodzi; zmienia się zależnie od temperatury powietrza, jego ciśnienia i wilgotności względnej. Dlatego też trzeba zmieniać (kompensować) długości fali w celu uwzględnienia wszystkich zmian tych parametrów.

Systemy RLE

System RLE jest unikalnym, zaawansowanym systemem interferometrycznym z laserem jednoczęstotliwościowym, przeznaczonym specjalnie do zapewnienia precyzyjnego, położeniowego sprzężenia zwrotnego. Każdy system RLE składa się z zespołu lasera RLU i jednej lub dwóch głowic detekcyjnych RLD10 i można go dostosować do wymogów danego zastosowania.

Legenda:

Laserowy przetwornik położenia: główny zespół RLU
Zespół lasera RLU
Laserowy przetwornik położenia: główny zespół RLU
Głowica detekcyjna RLD
Laserowe przetworniki położenia: główny układ optyczny
Optyczny układ pomiarowy
Dwuosiowy system RLE

W jaki sposób działa system RLE?

Źródło światła laserowegoPołączenie światłowodoweUkład optyczny interferometruOptyczny układ pomiarowySchemat wykrywaniaSygnały sprzężenia zwrotnego przetwornika położenia
Laserowy przetwornik położenia: źródło laserowe
Laser HeNe klasy 2 ze stabilizacją częstotliwości
Laserowy przetwornik położenia: połączenie światłowodowe
Jedno lub dwa światłowodowe wyjścia laserowe, które przekazują wiązkę laserową bezpośrednio do głowic detekcyjnych RLD
Laserowy przetwornik położenia: układ optyczny interferometru
Interferencja światła laserowego przebiegająca różnymi torami optycznymi
Laserowy przetwornik położenia: pomiarowy układ optyczny
Zwierciadła o wysokim współczynniku odbicia z twardą, tlenkową powłoką dielektryczną
Laserowy przetwornik położenia: schemat detektora
Zamiana prążków interferencyjnych na sygnał elektroniczny
Laserowy przetwornik położenia: sygnał błędu przetwornika położenia
Standardowe cyfrowe lub analogowe kwadraturowe sprzężenie zwrotne położenia

W jaki sposób działa system RLU?

Wyjście laserowe z modułu RLU do głowicy RLD

Źródło światła laserowegoStabilizujący układ elektronicznyPołączenie światłowodoweStabilność wskazania wiązki
Laserowy przetwornik położenia: źródło laserowe
Laser HeNe klasy 2 ze stabilizacją częstotliwości
Laserowy przetwornik położenia: stabilizujący układ elektroniczny
Używana do kontrolowania stabilności częstotliwości lasera poprzez modulowanie zespołu grzałki rury lasera
Laserowy przetwornik położenia: połączenie światłowodowe
Wykorzystanie unikatowego systemu światłowodowej transmisji wiązki laserowej firmy Renishaw
Laserowy przetwornik położenia: stabilność wskazania wiązki
Klucz do zapewnienia stabilnej pozycji wiązki w optycznym układzie pomiarowym przez dłuższy czas

Przetwarzanie sygnału w module RLD

Sygnały błędu przetwornika położeniaStan systemuInterpolacja cyfrowaSygnały analogowe przetwornika położenia
Laserowy przetwornik położenia: sygnał błędu przetwornika położenia
Aktywne linie błędów, oddzielne dla każdej osi lasera, można łatwo zintegrować z układem sprzężenia zwrotnego maszyny w celu pracy w pętli zamkniętej.
Laserowy przetwornik położenia: stan systemu
Interfejs LED zainstalowany z przodu modułu RLU intuicyjnie wskazuje stan roboczy
Laserowy przetwornik położenia: interpolacja cyfrowa
Cyfrowy sygnał kwadraturowy z możliwością konfigurowania przez użytkownika przesyłany standardowym interfejsem RS422 bezpośrednio z modułu RLU, z opcjami rozdzielczości do 10 nm.
Laserowy przetwornik położenia: sygnały analogowe pomarańczowe
Analogowa głowica detekcyjna czasu rzeczywistego, którą można wbudować bezpośrednio w układ sprzężenia zwrotnego pozycji

W jaki sposób działa system RLD?

Wyjście laserowe z modułu RLD do optycznego układu pomiarowego

Układ optyczny interferometruSterownik wiązki
Laserowy przetwornik położenia: układ optyczny interferometru

Unikatowe konfiguracje optyczne o minimalnym błędzie cyklicznym (SDE) zgodne z układem optycznym ze zwierciadłem płaskim lub retroreflektorem

Laserowy przetwornik położenia: sterownik wiązki

Wbudowany klin optyczny skraca czas instalacji do minimum poprzez uproszczoną orientację kątową wiązki

Wejście laserowe z optycznego układu pomiarowego do modułu RLD

Sygnały analogowe przetwornika położeniaSchemat wykrywaniaOptyczny układ pomiarowy
Laserowy przetwornik położenia: sygnały analogowe zielone

Analogowy sygnał kwadraturowy generowany przez schemat detekcyjny i przekazywany bezpośrednio do modułu RLU

Laserowy przetwornik położenia: schemat detektora

Wbudowany schemat detekcyjny zamienia prążki interferencyjne z wiązki pomiarowej i odniesienia na sygnał elektroniczny

Laserowy przetwornik położenia: pomiarowy układ optyczny

Zwierciadła o wysokim współczynniku odbicia z twardą, tlenkową powłoką dielektryczną

Systemy HS20

System HS20 ze zdjętą pokrywą

Głowica laserowa HS20 firmy Renishaw w połączeniu z zewnętrznym zestawem układu optycznego do pomiarów liniowych tworzy bezdotykowy, interferometryczny system laserowego przetwornika położenia, który można wykorzystać do dokładnych pomiarów położenia liniowego w maszynach z długimi osiami.

Głowica laserowa HS20 nadaje się do wbudowania w pętlę sterowania pozycją dowolnego, dynamicznego układu sterowania, do którego można doprowadzić cyfrowy lub analogowy, kwadraturowy sygnał z przetwornika położenia. Głowica laserowa może bezpośrednio zastąpić system przetwornika położenia liniowego zarówno w zastosowaniu OEM, jak i modernizowanym systemie.

W jaki sposób działa system HS20?

Źródło światła laserowegoStabilizujący układ elektronicznyOptyczny układ pomiarowy

Sygnały
błędu i ostrzeżenia

Sygnały sprzężenia zwrotnego
przetwornika położenia
HS20: źródło laserowe

Stabilizowany laser HeNe klasy 2 (<1 mW)

Płytka układu elektronicznego RLE

Używana do kontrolowania stabilności częstotliwości lasera poprzez modulowanie zespołu grzałki rury lasera

HS20: optyczny układ pomiarowy

Układy optyczne dalekiego zasięgu do pomiarów osi obrabiarek do 60

HS20: sygnały błędu i ostrzeżenia

Aktywne linie błędów, oddzielne dla każdej osi lasera, można łatwo zintegrować ze sterownikiem obrabiarki w celu pracy w pętli zamkniętej

HS20: sygnały sprzężenia zwrotnego przetwornika położenia

Standardowy cyfrowy lub analogowy kwadraturowy sygnał sprzężenia zwrotnego położenia wysokiej rozdzielczości

Systemy kompensacji

Często przyjmuje się, że interferometry laserowe automatycznie zapewniają najwyższą dokładność systemów pomiarowych. W rzeczywistości jest to o wiele bardziej skomplikowane. W trakcie laserowego pomiaru przemieszczenia liniowego w powietrzu bardzo ważny jest system kompensacji wpływu otoczenia. laserowy i interferometryczny optyczny układ pomiarowy charakteryzuje się bardzo wysoką rozdzielczością liniową i precyzją, niemniej jednak w wypadku pomiarów „w powietrzu” występuje układ kompensacji wpływu otoczenia, który ma główny wpływ na dokładność pomiaru systemu.

Przemieszczenie jest reprezentowane pod względem określonej długości fali. Dlatego też dokładny i stabilny pomiar zależy od stałości długości fali. W trakcie przemieszczania się wiązki lasera w powietrzu długość fali zależy od współczynnika załamania światła.

Z kolei w pomiarze wykonywanym przez przetwornik położenia nie uwzględnia się rozszerzalności przedmiotu obrabianego ani konstrukcji obrabiarki w wyniku zmienności temperatury.
Zastosowanie systemu kompensacji jest konieczne w celu skompensowania powyższego błędu i zapewnienia najwyższej dokładności w wypadku pomiarów „w powietrzu”.

Czynniki środowiskowe wpływające na dokładność

Współczynnik załamania światła:

Ikona temperatury powietrzaIkona wilgotnościIkona ciśnienia

Temperatura powietrza

Wilgotność względna

Ciśnienie powietrza

Rozszerzalność termiczna:

Ikona temperatury materiału

Temperatura materiału

System kompensacji RCU10

System RCU10 przeznaczony do kompensacji kwadraturowej realizowanej w czasie rzeczywistym umożliwia wyeliminowanie źródeł błędów w systemach ruchu liniowego w celu poprawienia dokładności i powtarzalności.

System RCU10 monitoruje środowisko otoczenia obrabiarki przy użyciu czujników i wykorzystuje zaawansowaną obróbkę sygnałów w celu zapewnienia kompensacji sygnałów położeniowego sprzężenia zwrotnego w czasie rzeczywistym. System przekazuje skorygowane sygnały sprzężenia zwrotnego do sterownika w formacie analogowym lub cyfrowym.

RCU10

W jaki sposób działa system RCU10?

Na poniższym rysunku przedstawiono logikę działania systemu RCU10.Logika działania systemu RCU10

Do systemu kompensacji RCU10 podłącza się cyfrowy sygnał kwadraturowy, a także sygnały z czujników pomiarowych parametrów środowiskowych. Następnie system oblicza łączną poprawkę wymaganą do skorygowania pozycji osi. Wymaganą poprawkę wprowadza się poprzez kwadraturowe skalowanie i sumowanie lub odejmowanie impulsów kwadraturowych od sygnału sprzężenia zwrotnego przetwornika położenia, przy czym ten cały proces odbywa się przy minimalnym opóźnieniu względem sterownika. Skorygowane sygnały sprzężenia zwrotnego są podawane do sterownika w formacie analogowym lub cyfrowym.