12.4 Лазерные системы для измерения прямолинейности и углов

Марк Чепмен

 

Преимущества лазерной системы при использовании удаленной оптики интерферомера при линейно-угловых измерениях

 

Введение

На протяжении многих лет стандартным методом в промышленности для измерения прямолинейности и перемещений на металлорежущих станка и КИМ было использование лазера, установленного на на штативе, в сочетании с отдельным интерферометром и оптическим отражателем, смонтированным непосредственно на столе станка или КИМ и шпинделе. Конструкция Renishaw ML10 лазерной интерферометрической системы для таких измерений показана схематически на рис. 12.4.1. 12.4.1

Рис 12.4.1 Измерительная система с отдельным интерферометром и лазером, установленным на штативе.

 Есть и альтернативные системы:

Используется линейный оптический интерферометр в сочетании с лазерной головкой (внутри или снаружи), смонтированные непосредственно на станке (а не на отдельном штативе). Схема системы показана на рис.  12.4.2.

 

12.4.2-1

Рис. 12.4.2 Измерительная система с интерферометром и лазером, установленными на станке.

легче устанавливать и значительно сокращается время измерения (особенно, если электронные узлы и линейный интерферометр используются для обеспечения одновременного измерения линейных, угловых отклонений и прямолинейности). Тем не менее, это часто происходит в ущерб точности измерения и стабильности.

Эта статья рассматривает каждый способ измерения и объясняет преимущества проведения измерений с лазерной системой, установленной на штативе и отдельно стоящего интерферометра. Статья также обращает внимание на важность системы компенсации условий окружающей среды для линейной точности измерений.

Линейные измерения

Есть ряд преимуществ в использовании штатива, на котором установлен лазер, и только оптика интерферометра крепится непосредственно к машине.

Тепло, выделяемое лазером, не влияет на интерферометр. Линейный интерферометр и опорное плечо образуют опорную точку, от которой все движения машины измеряются. Любые изменения в положении интерферометра или в длине опорного плеча, вызванные тепловым расширением или сжатием, будут ухудшать точность измерения. Для сведения таких ухудшений к абсолютному минимуму системой Renishaw применяется хорошие принципы метрологии – изолируется тепло лазерного источника от измерительной оптики.

Лазерные системы, которые используют интерферометр внутри лазерной головки, или установленные перед лазерной головкой, нарушают эти принципы, и, вероятно, страдают от значительной температурной погрешности как при настройке лазера, так и при изменении условий окружающей среды. Эти погрешности могут достигать десятков микрометров.

Тепло, выделяемое лазером, установленном на штативе, находится вдали от проверяемого станка или КИМ. Гелий-неоновая лазерная головка выделяет по крайней мере, 5 Вт тепла, (или больше, если она содержит блоки питания). Размещение такого источника тепла на небольших высокопроизводительных машинах может вызвать тепловое расширение и искажение результатов измерения. Хотя эти эффекты малы, они могут ухудшать точность результатов на уровне микрометров.

Монтаж лазера на штативе, отдельно от машины, исключает такую возможность.

Если лазерная головка установлена на машине, ее размер часто снижает доступный диапазон перемещения узлов станка или КИМ по оси координат в процессе калибровки.

Если лазер, установлен на штативе, и только оптические элементы интерферометра, установлены на машине то они меньше ограничивают диапазон измерения.

Если лазер установлен внутри машины, все регулировки по выравниванию лазерного луча должны быть сделаны внутри машины. Геометрия машины и ограждения могут сделать это трудно достижимым.     Система Renishaw позволяет регулировать положение луча вне машины (с помощью штатива для перемещения лазера), или прямо на станке или КИМ (с помощью новой уникальной Renishaw системы управления лучом оптической головки, смонтированной непосредственно на интерферометре). Это позволяет пользователю выбирать самый простой и удобный для него метод калибровки.

Лазерная головка соединяется с блоком питания и системой ЧПУ силовыми и сигнальными кабелями, а оптика интерферометра не имеет кабелей. Монтаж лазера на внешнем штативе, а оптики интерферометра на станке позволяет избежать  кабелей в движущихся узлах станка и предотвращает возникновение проблем зацепления и ошибок измерения.

Если температурные погрешности устранены отдельной установкой лазера на штативе, то точность линейных лазерных измерений зависит в первую очередь от эффективности и точности датчиков устройства компенсации погрешностей от условий окружающей среды, а не лазерной головки. Изменения температуры воздуха, давления и влажности могут изменить длину волны лазера, и должны быть компенсированы в целях достижения высокой точности.

Точность датчиков устройства компенсации во всем диапазоне работы имеет решающее значение. Например, чтобы гарантировать, что каждый отдельный датчик имеет менее ±0,5 ppm (ppm – одна миллионная доля) ошибки с компенсацией длины волны (и, следовательно, линейной точности измерений), то точность датчиков должна соответствовать указанной ниже..   Давление воздуха ±1,5 мбар (±1,0 мм рт.ст.).

Температура воздуха                        ±0,5°C (±1°F).

Влажность воздуха                            ±20% RH.

Не легко достичь таких точностей, особенно в широком диапазоне условий окружаю-щей среды Датчики контроля окружающей среды были специально разработаны для обеспечения абсолютной точности линейной системы измерений в пределах ±0,7 ppm, в диапазоне изменений параметров окружающей среды, в которой применяют линейные интерферометры.(0-40 °C, 750-1150 мБар, 0-95% влажности).

Если нормализация теплового расширения также требуется (как это рекомендовано в калибровочных машинах), то точность линейных измерений также во многом будет зависеть от точности датчика температуры. Система компенсации Renishaw включает в себя датчик температуры с точностью ±0,1°C, в полном диапазоне рабочих температур (0-40°C).

Угловые измерения

Лазерная система Renishaw использует угловую интерферометрию для измерения угла. Лазерная система измеряет относительные изменения длин L1 и L2, и  вычисляет угол. Это схематически показано на рис. 12.4.3.

12.4.3-1

Рис. 12.4.3 Угловые измерения с помощью интерферометра

     Альтернативным методом является фокусировка лазерного луча на электронную цель (фотодиодную матрицу). Угол определяют делением отклонения луча на фокусное расстояние объектива. Как схематично показано на рис. 12.4.4.

12.4.4

Рис. 12.4.4 Угловое измерение с помощью электронной матрицы

     Хотя такой способ измерения углов прост, интерферометр имеет ряд преимуществ: лучшая линейность, больший диапазон измерения и разрешение позволяют упростить выравнивание луча. Электронная цель – фотодетектор, хотя и имеет аналоговый выход и простую конструкцию уступает угловому интерферометру отличным сочетанием диапазона измерений, разрешающей способности и линейности.

Кроме того, такие лазерные приборы с электронными матрицами (рисю 12.4.5) имеют ограниченный угловой диапазон

12.4.5-1

Рис. 12.4.5   Угловое измерение с помощью электронной мишени (матрицы)

измерения (<0.5°) и часто требуют один или два небольших механических “обнуления” с помощью настроечных винтов, которые должны обеспечить положение лазерного луча в центре матрицы в начале измерения. Эта регулировка может быть трудно достижима, если положение луча не видно снаружи корпуса датчика, и в случае, когда у датчика два луча. Такая настройка требует много времени и неудобна, особенно если к настроечным винтам трудно добраться из-за размеров станка.

Зато угловой интерферометр предлагает превосходное разрешение, диапазон измерения (10) и линейность. Выравнивание угловой оптики интерферометра просто и быстро, без каких-либо мелких регулировочных винтов.

2  Точность и прослеживаемость.

Угловой интерферометр Renishaw использует общепринятую международную прослеживаемость стабилизированного гелий-неонового лазера длины волны, в сочетании с оптическим рычагом из двух компонентов твердого стекла, светоотражателей, установленных в жестком алюминиевом корпусе, что гарантирует длительную точность и работоспособность системы.

Электронные матрицы предназначены для измерения положения пучка в электронном виде, и в этом случае , полагаются на линейности электронной матрицы (как правило, 0,5%) и на стабильности ее аналоговой электронной схемы. Кроме того, они не используют прослеживаемость длины волны лазерного излучения.

3..Масса углового отражателя (в том числе монтажного блока) Renishaw составляет около 450 г. Масса головки датчика, содержащего линейную светоотражающую электронную матрицу, механику, электронику и кабели может больше. Эта дополнительная масса может увеличить ошибки измерения.

Угловому интерферометру и отражательной оптике, которые находятся на станке не нужны сигнальные провода или кабели. Блоку датчика содержащий электронную матрицу и электронную схему необходимы силовые и сигнальные соединения, которые обычно монтируются подвесным кабелем. Если такой модуль установлен на подвижной части станка необходимо гарантировать, чтобы такие кабели не мешали движениям станка и не стали причиной угловой погрешности.

Уменьшение количества ошибок от лазерного наведения. Правильно разработанные угловые меры интерферометра и относительное угловое перемещение между интерферометром и светоотражателем делают систему не чувствительной к небольшим изменениям направлений луча лазерной головки. Это происходит потому, что длины L1 и L2 (см рис. 12.4.5), страдают в равной степени, если угол входа пучка изменяется, и, таким образом, воздействие на  L1-L2 является незначительным. Тем не менее, система на основе электронной матрицы, чувствительна к изменениям  направления лазерного луча. Если  направление выходного пучка из лазерной головки смещается на 5 угловых секунд, а затем ошибка в 5 угловых секунд появляется непосредственно на выходе из электронной матрицы. Это ставит серьезные требования к конструкции лазерной головки, которые должны обеспечить чрезвычайно стабильное направление выходного пучка, хотя его температура может значительно измениться.

Лазерная система, которая использует удаленную угловую оптику интерферометра не имеет этой проблемы.

Нечувствительность к окружающему освещению. Электронная матрица, на основе четырех фотодиодов или технологии PSD (позиционно-чувствительный детектор), обеспечивает выходные сигналы, указывающие » все светлые участки на них. Если окружающий свет падает на матрицу, он может добавиться к свету от лазерного луча, и изменить картину освещенности. Можно ослабить влияние внешнего освещения либо путем модуляции лазерного источника, либо с помощью специального оптического фильтра, который пропускает только лазерный свет. Однако, если тот же лазерный луч используется для одновременной линейной интерферометрии, то модуляция пучка не приемлема. Кроме того, высокие качества оптических полосовых фильтров, которые пропускают только лазерный свет и не пропускают все другие длины волн, стоят дорого. Это приводит к компромиссу между стоимостью и точностью системы. Система интерферометра чувствительна к свету, который имеет практически такой же длины волны и направление, что и лазерный луч, так как это единственный свет, который может влиять на оптику главного луча.

Внешние и внутренние отражения от различных оптических поверхностей в системе может генерировать паразитные лазерные лучи. Обычно оптические поверхности имеют антибликовые покрытия для снижения интенсивности этих лучей. Тем не менее, если эти слабые лучи достигают детекторов системы, они будут влиять на результаты измерения.

В случае интерферометра редко бывают ошибки измерения с паразитным лучом, так как он должен быть почти идеально выровнен параллельно основному лучу. Даже если это произойдет, наибольшая ошибка не превысит 0,5% (типичные отражения от поверхности  с антибликовым покрытием) и составляет около 0,01 (эквивалентно ~0,03 с в режиме измерения угла).

В случае электронной матрицы, эффекты являются гораздо более серьезными, и зависят как от интенсивности рассеянного света и угла под которым он входит в линзу и узел матрицы. Например, если 0,5% интенсивности рассеянного света попадает под углом до 0,2° к основному лучу, изменение углового выхода из матрицы составит примерно 4 угловых секунды. Очевидно, влияние на электронную матрицу может быть серьезным. Так значительное внимание должно быть уделено устранению паразитных отражений (или следует убедиться, что они остаются стабильными при измерении). Это особенно трудно, если электронный узел также содержит дополнительные оптические элементы для совместного измерения линейных размеров и прямолинейности, все из которых будут производить свои собственные паразитные отражения.

Угловой интерферометр Renishaw обеспечивает диапазон измерений ± 10°, сохраняя превосходное разрешение (0,01 угловой секунды), и линейность (с поправкой на арксинус). Электронные матрицы, как правило, имеют угловое измерение только доли градуса. Кроме того, интерферометр легче выровнять чем электронную матрицу, он также позволяет измерять гораздо большие углы и производить калибровку поворотных осей.

Измерения прямолинейности

Лазерная система интерферометра Renishaw используется для измерения горизонтальной или вертикальной прямолинейность. Лазерная система проводит относительные изменения длин L1 и L2, и вычисляет ошибку прямолинейность, как показано на рис. 12.4.6.

12.4.6Рис. 12.4.6 Измерение прямолинейности интерферометром

     Альтернативный метод измерения –  направить луч лазера на фотодиодную матрицу и получить электрический сигнал, соответствующий отклонению луча, как показано на рис. 12.4.7.

 

12.4.7Рис. 12.4.7 Измерение прямолинейности с помощью фотодиодной матрицы

Две осевые электронные матрицы могут позволить одновременное измерение горизонтальной и вертикальной прямолинейности, и их легче выровнять, а удаленный от станка интерферометр дает ряд преимуществ.

Точность и прослеживаемость интерферометра Renishaw использует общепринятую международную прослеживаемость стабилизированного гелий-неонового лазера длиной волны, в сочетании с оптическими отражателями, тем самым гарантируя точность и работоспособность системы.

При измерении положения пучка с помощью фотодиодной матрицы полагаются на стабильность их аналоговой электронной схемы, не используя прослеживаемость длины волны лазера.

Изменения температуры воздуха и градиенты могут согнуть лазерный луч и изменить длину оптического пути. В диапазоне нескольких метров изгиб луча может быть заметным. Тем не менее, эффект от длины пучка намного меньше. Однако изменения в длине лучей  L1 и L2 примерно одинаковы, так как оба луча имеют одинаковые пути к отражателю и обратно и искажаются в одинаковой степени при  изменениях в окружающей среде. Тем не менее, температурные градиенты изменения, которые влияют на два луча по разному вызовут изменения шума и нестабильность, ограничение практических рабочих характеристик интерферометра.

Метод электронной матрицы также подвержен влиянию изменений температуры, но, поскольку система основана на измерении положения пучка, а не его длине, погрешность, как ожидается, будет больше. Кроме того, поскольку проблема вызвана изгибом луча, ошибки значительно возрастают при большей дальности измерений.

Учитывая случайный характер турбулентности воздуха и его непредсказуемого изменения в среде механического цеха, уровень шума, который будет видно трудно предсказать.

Но, в общем, лазерный интерферометр, как ожидается, имеет меньшую погрешность измерения прямолинейности, чем метод электронной матрицы, особенно на больших расстояниях. К сожалению, время этого шума может быть несколько минут, поэтому использование способов усреднения дает лишь небольшие улучшения, если время срабатывания системы не серьезно нарушено. В результате, во многих средах, турбулентность воздуха остается основным фактором, ограничивающим применение интерференционной и электронной систем.

Электронные матрицы имеют нелинейность характеристики (обычно 0,5%), особенно по краям, это часто ограничивает диапазон измерения до долей миллиметра. Интерферометр обеспечивает лучшую линейность в широком диапазоне измерений. Это позволяет получить точные результаты. Причем регулировка оптики может быть точно сделана с помощью  программного обеспечения. Тем не менее, для того, чтобы получить наилучшие результаты от электронной матрицы, то лучше выровнять лазерный луч, так чтобы он находился близко к центру матрицы по всей длине оси. Если это не будет сделано, любой результат без поправки нелинейности будет накладываться на результат измерения прямолинейности.

Подвесные кабели. Влияние кабелей и проводов рассмотрено выше.

5. Масса интерферометра прямолинейности Renishaw (призмы Волластона) в сборе (включая монтажные стойки) имеет не более  200 г. Масса головки датчика, содержащего линейную электронную матрицу, механику, электронику, настроечные элементы и задний кабель может  достигать 800 г. Эта дополнительная масса может привести к ошибкам измерения, В некоторых случаях интерферометр прямолинейности требует использования большого отражателя, что делает вес обоих приборов похожим, но проблема влияния заднего кабеля остается.

Чувствительность к окружающему освещением такая же как при угловых измерениях (см. предыдущий раздел).

Внешние и внутренние отражения лазерных лучей от различных оптических поверхностей в системе может генерировать дополнительные паразитные лучи. Обычно оптические поверхности имеют антибликовые покрытия для снижения интенсивности этих лучей. Тем не менее, если эти слабые лучи достигают детекторов системы, они будут влиять на результат измерения. В случае лазерного интерферометра, эффект зависит исключительно от относительных интенсивностей основного и паразитных лучей. В наихудшем случае ошибки составляют 0,5% интенсивности рассеянного света (отражение от типичной поверхности с антибликовым покрытием), что соответствует примерно ~0,2 мкм в режиме измерения прямолинейности. Кроме того, многие оптические поверхности в системе Renishaw расп

В случае применения электронной матрицы, эффект от внешнего освещения является гораздо более серьезным, и зависит от интенсивности рассеянного света. Очевидно, что воздействие на электронную матрицу может быть серьезным, и должны быть предприняты меры для устранения паразитных отражений (или следует убедиться, что они остаются стабильными при измерении). Это особенно сложно, если узел электронной матрицы также содержит дополнительные оптические элементы,  от которых возгикают  свои собственные побочные отражения.

Низкая чувствительность к качеству лазерного луча. Внутренние оптические нарушения, пыль, грязь и отпечатки пальцев на стекле компонентов могут привести к слабым помехам и дифракции внутри лазерного луча  и диффузное гало вокруг него. Они имеют минимальное влияние на систему лазерного интерферометра (пока они не настолько серьезны, что снижают уровень сигнала до уровня, где измерение становится невозможным). Тем не менее, в случае с электронной матрицей эти эффекты могут нарушить положение луча “центра интенсивности света» и гало может попасть в центр матрицы. Эти явления могут привести к значительным ошибкам  измерения. Это делает качеству лазерного луча особенно важным, и необходимо оптические поверхности содержать в чистоте, чтобы поддерживать оптимальную точность измерений.

Уменьшение количества ошибок от лазерного наведения. Правильно разработанные меры наведения луча при измерении прямолинейности интерферометром  при относительном перемещении между интерферометром (призма Волластона) и отражателем делают интерферометр в значительной степени не чувствительным к небольшим изменениям в направлении луч от лазерной головки. Это происходит потому, что длины L1 и L2  (см рис. 12.4.4а), страдают в равной степени, если угол входа пучка изменяется, и, таким образом воздействие на L1 – L2  является незначительным.

Тем не менее, система на электронной матрице очень чувствительна к изменениям в наведении лазерного луча. Например, если направление выходного пучка из лазерной головки смещается на 5 угловых секунд, то ошибка показаний электронной матрицы будет 25 мкм на 1 м диапазона, или 100 мкм в диапазоне 4 м. Это накладывает жесткие требования на конструкцию лазерной головки, которая предназначена для обеспечения чрезвычайно стабильного направления выходного пучка, даже если температура лазерной головки изменяется незначительно.

Лазерная система, которая использует удаленный интерферометр прямолинейности и оптики не имеют этой проблемы.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эта статья показала преимущества, которые лазерная система с отдельной оптикой интерферометра может дать с точки зрения точности. В тоже время лазерные электронные приборы и линейные интерферометры могут иметь значительные преимущества в мобильности, легкости и скорости использования. Тем не менее, они имеют значительное количество дополнительных источников ошибок и вызывают серьезные сомнения по поводу точности таких систем. Основанием для применения лазерной системы для калибровки должны быть точность и воспроизводимость результатов, но указанные ошибки необходимо учитывать при оценке этих систем и их сравнении с полностью интерференционными системами, такими как системы Renishaw ML10.

 

 

 

23 марта 2001