4.4 Приборы с оптоэлектронными энкодерами

Оптико-механические приборы всегда привлекали внимание конструкторов приборов для линейных измерений. Было разработано и выпускалось несколько вполне удачных конструкций с хорошими метрологическими характеристиками – оптиметр, контактный интерферометр Уверского, оптикатор. Эти приборы широко применялись в цехах и лабораториях машиностроительных заводов. Недостатком этих приборов был небольшой диапазон измерений и очень неудобный и трудоемкий процесс  измерения, требующий высокой квалификации оператора. Для отсчета показаний  оптиметра и интерферометра надо было смотреть в окуляр, отсчитывать доли деления шкалы или считать интерференционные полосы и т.п. Это было неудобно и утомительно. Все указанные приборы применялись только для относительных измерений, потому что имели небольшой диапазон измерений. В настоящее время эти приборы не выпускаются.

Одновременно в течение многих лет разрабатывались и применялись фотоэлектрические (оптоэлектронные) растровые преобразователи (энкодеры). Однако при их изготовлении и эксплуатации вследствие несовершенства технологии  эти энкодеры были сложны в изготовлении и имели дополнительные погрешности измерения. Хотя   было разработано большое число вполне работоспособных конструкций.

И, наконец, прогресс технологии и электроники преодолел все  недостатки  растровых энкодеров и привел к разработке  оптоэлектронных приборов (ОП) с инкрементными (дискретными суммирующими) фотоэлектрическими энкодерами  (раздел 4.3). Эти приборы  имеют   очень высокие метрологические характеристики, большие диапазоны измерений и удобный цифровой отсчет. При этом ОП просты по конструкции и надежны.

Внедрение ОП – самое серьезное  достижение современной техники линейных измерений и их метрологические характеристики сравнимы с характеристиками  лазерного интерферометра и часто превосходят потребности современного машиностроения [1].

ОП состоит из измерительной головки с инкрементным растровым энкодером и микропроцессорного блока с цифровым отсчетом (устройства цифровой индикации). Иногда в  комплект прибора включают стойку с массивным, как правило, каменным основанием (рис. 4.4.1).  На стойку  установлена измерительная головка и получается небольшой высотомер с коротким и жестким измерительным контуром.

 

 Рис.  4.4.1    Прибор  с оптоэлектронным инкрементным энкодером

Основу прибора представляет измерительная головка с инкрементным оптоэлектронным энкодером. Головка имеет очень простую и эффективную конструкцию (рис. 4.4.2). В жестком корпусе на направляющей из насыпных шаров установлен длинный стержень (шток), на котором закреплена шкала 1,   перемещающаяся вместе со стержнем. В корпусе неподвижно закреплено считывающее устройство, относительно  которого перемещается шкала. Устройство  содержит индикаторную пластину 2, осветитель 3, конденсор 4 и четыре фотодиода (или один фотодиод, имеющий  четыре поля).

Рис. 4.4.2   Схема измерительной головки с инкрементным оптоэлектронным энкодером

Принцип действия инкрементных растровых оптоэлектронных энкодеров  хорошо известен  (раздел 4.3).  У энкодеров, работающих на просвет, на стеклянной шкале и  индикаторной пластине  нанесены  растровые решетки, представляющие собой совокупность штрихов и просветов между ними, образующих периодическую структуру,  воздействующую на падающий на них  поток света от осветителя как единое целое. Шрихи и просветы имеют строго одинаковые размеры и равны по величине. При перемещении шкалы 1 относительно индикаторной пластины 2, на которые падает поток света от осветителя 3 штрихи последовательно совпадают или перекрывают просветы. Таким образом, на фотодиодах образуется синусоидальный токовый сигнал. Причем фотодиоды сдвинуты на ¼ шага шкалы и на выходе преобразователя образуются   два сдвинутых  ортогонально инкрементных синусоидальных сигнала с малым шагом (до 2 мкм) – токовых, напряжения  или прямоугольных импульсных. Эти сигналы  поступают в микропроцессорный блок. В блоке  сигналы преобразуются в цифровой код, интерполируются для получения заданной дискретности отсчета, производится счет шагов  и долей шагов растра, соответствующий перемещению стержня головки со шкалой  полученный  результат выводится на цифровой дисплей блока.

В последних моделях преобразователей  шкалы изготавливают из оптического стекла или прозрачной стеклокерамики, на которые  специально разработанным методом фотолитографии наносят очень качественные тонкие и твердые штрихи (например, из хрома) в форме прямоугольных выступов с резко очерченными краями. Современная  технология позволяет наносить штрихи и просветы строго одинаковой ширины на всей длине шкалы и индикаторной пластины.  Это в свою очередь обеспечивает получение высококачественный выходной сигнал и небольшую погрешность в пределах одного шага (не более 1% от величины шага в любой точке шкалы). Учитывая, что величина шага составляет микроны, например, 10 или 4 мкм, погрешность в пределах одного шага составляет доли микрона, например, 0,1 или 0,04 мкм. Указанная технология не создает накопленной погрешности на длине шкалы. Разработаны и другие методы нанесения штриховой шкалы, позволяющие получить очень точные шкалы

В зависимости от необходимой точности прибора применяют  шкалы    с шагом штрихов 20, 10   или  4 мкм.

В считывающей головке современных преобразователей вместо четырех фотодиодов (рис. 4 2),  применяют фотодатчик, имеющий матрицу из множества фотодиодов. Такая конструкция считывающей головки увеличивает качество выходного сигнала даже при загрязнении шкалы.

Микропроцессорный блок прибора снабжен программой линеаризации, позволяющей при необходимости уменьшить систематические погрешности прибора в диапазоне измерения.

Однако для точных измерений при шкалах с шагом 10 и 4 мкм применяют интерференционное  сканирование

В упрощенном виде это можно описать следующим образом.

Свет от источника (светодиода) проходит через прозрачную дифракционную решетку  и попадает на отражающую шкалу.  На шкале и решетке нанесены штрихи высотой (глубиной) 0,2 мкм с одинаковым шагом.   При этом  после дифракционной решетки образуется три волны. После отражения от шкалы  снова  происходит дифракция, а потом интерференция волн, падающих через решетку на фотодиоды под разными углами. Попадая на фотодиоды эти волны преобразуются в выходные электрические сигналы. Получается два выходных синусоидальные сигнала, сдвинутых по фазе на 900 , причем шаг сигнала вдвое больше шага решетки.

У головок с инкрементным преобразователем (рис. 4.4.1 и 4.4.4.2) есть  серьезные метрологические преимущества:

– в головках соблюден принцип Аббе. Измерительный стержень и инкрементная шкала находятся на линии измерения. Это исключает дополнительные погрешности и  повышает точность измерения;

– инкрементный преобразователь имеет материальный носитель размера – физическую меру длины в виде стеклянной штриховой шкалы с малым шагом штрихов от 4 до 20 мкм. Такие шкалы устойчивы к изменению внешних условий, а ОП не требуют частой калибровки, так как шаг штрихов не меняется со временем;

– ОП  с инкрементным преобразователем позволяет производить прямые абсолютные и относительные измерения в диапазоне до 100 мм, что повышает  точность измерения, уменьшает количество настроичных мер или позволяет обходиться вообще без настроичных мер. Это также существенно упрощает процесс измерения;

–  инкрементный преобразователь – бесконтактный, между шкалой и индикаторной головкой нет контакта и трения.

ОП  выпускают фирмы Heidenhain (Германия), СКБ ИС (Санкт-Петербург) и  другие фирмы,  в том числе китайские.      Фирмы выпускают несколько  моделей ОП, отличающихся диапазоном измерения, разрешающей способностью,  точностью, выходными сигналами  и т.п.

Таким образом, в настоящее время выпускаются  ОП с диапазоном измерения 12; 25; 30; 60; и 100 мм с дискретностью цифрового отсчета 1,0; 0,1; 0,05 и 0,01 мкм.

Но самое главное эти приборы имеют чрезвычайно высокую точность. В диапазоне измерения 12 и 30 мм предельно допустимая погрешность измерения составляет ±0,1 мкм на всем диапазоне измерения без компенсации линейности. С компенсацией линейности инкрементного преобразователя  предельно допустимая погрешность измерения составляет  ±0,03-0,05 мкм на всем диапазоне измерения. Такая точность обеспечивается при температуре от 19 до 210С. Это очень высокая точность измерения, сравнимая только с точностью  лазерного интерферометра.

Но интерферометр – дорогой и сложный прибор, которым может пользоваться только опытный и хорошо подготовленный оператор.  ОП (например головка на стойке) – простой цеховой прибор, которым может пользоваться не подготовленный оператор так же, как индикатором часового типа, индуктивным прибором и т.п.

Достоинством ОП является возможность сложения выходных сигналов инкрементных преобразователей по схеме ±А±В. Это делает ОП очень универсальным прибором, позволяя использовать его для дифференциальных измерений, измерений сложных деталей, в автоматическом производстве и т.п. ОП практически незаменимы и очень удобны при калибровке различных шкальных приборов – индикаторов часового типа, индуктивных приборов, приборов активного контроля и значительно удобнее, чем концевые меры длины.

Таким образом, в настоящее время ОП наиболее точные и удобные средства линейных измерений из всех универсальных приборов (штангенциркуль, микрометр, механический и электронный индикатор, индуктивный прибор) и специальных приборов, применяемых для линейных измерений в диапазоне измерений  до 100 мм.

1. Этингоф М.И. Технические измерения, взаимозаменяемость и нанометрология. Измерительная техника №6,  2011

2. , Этингоф М.И. Автоматический размерный контроль на металлорежущих станках. Москва, издательство АПР, 2016, 300 с.