4.1. WPROWADZENIE
Rosnące potrzeby klientów odnośnie produktu końcowego zwiększają nacisk na jakość produkcji i wymagania stawiane maszynie obróbczej. Jednocześnie zwiększana jest prędkość samej produkcji przez integrację procesów pomiarowych z procesem obróbczym lub modyfikację (przyspieszenie) procedury oceny maszyny obróbczej lub produktu końcowego.
W rozdziale przedstawiono autorski prototyp interferometru laserowego wykorzystujący w swojej budowie laser He-Ne semi-dwumodowy o długości generowanej fali 632,8nm, stabilizowany w oparciu o równowagę dwóch rozszczepionych modów zeemanowskich (Rozdział.2.3.2). Interferometr jest przeznaczony do zastosowania w układzie pomiarowym maszyny współrzędnościowej, lub do pomiarów prostoliniowości maszyny pomiarowej lub obróbczej.
Integracja układu pomiaru połoŜenia wiązki laserowej pozwoliła na jednoczesny interferometryczny pomiar przemieszczenia w osi głównej (równoległej do wiązki laserowej) w zakresie do 30 metrów oraz analogowy pomiar przemieszczenia w kolejnych dwóch osiach, prostopadłych do osi wiązki laserowej, w zakresie ±1mm, co pozwala na kilkunastokrotne skrócenie czasu potrzebnego do wykonania pomiaru błędów maszyny lub błędów elementu (produktu) końcowego.
W rozdziale przedstawiono koncepcję układu pomiarowego zapewniającego podstawową rozdzielczość pomiarową 100nm i dokładność rzędu ±1,5µm/m/°C (pomiar interferometryczny w osi X, równoległej do wiązki laserowej z moŜliwością rozszerzenia rozdzielczości do 10nm) oraz rozdzielczości 1,5µm i dokładności ±10µm/m (w zakresie ±1mm) dla osi Y, Z (prostopadłych do wiązki laserowej) w pomiarze analogowym z zastosowaniem komórki ciekłokrystalicznej i detektora czteropolowego lub PSD (Position Sensor Detector).
Zastosowanie zespołu czujników temperatury mierzonego obiektu oraz procedury kompensacji długości fali lasera pozwala na pomiary obiektów o temperaturze mieszczącej się w bardzo szerokim zakresie. UmoŜliwia to zestawienie układu pomiarowego i szybkie rozpoznanie wady maszyny obróbczej, co pozwala na uniknięcie znacznych strat produkcyjnych.
Z prac [3.09, 2.15-2.16] wynika, Ŝe dwumowowa metoda stabilizacji częstotliwości lasera He-Ne pozwala uzyskać stabilność częstotliwości wystarczającą do zastosowań przemysłowych, przy nieskomplikowanym układzie stabilizacji. Dodatkowo, stabilizacja mocy spolaryzowanych wiązek laserowych (obu modów) jest istotnym elementem
nowatorskiego układu detekcji pozycji wiązki laserowej i pomiaru przestrzennego (Rozdziały:
4.1, 4.2).
W autorskim prototypie zastosowano układ z heterodynową detekcją sygnału pomiarowego, poniewaŜ z w.w. prac wynika, Ŝe układ ten jest szczególnie mało wraŜliwy na zakłócenia mocy wiązki, nadaje się więc idealnie do zastosowań przemysłowych.
4.2. IDEA POMIARU PRZESTRZENNEGO.
Jednym z najprostszych systemów pomiarowych stosowanych w pomiarach błędów maszyn obróbczych są, oprócz przymiarów, róŜnego typu układy autokolimatorów.
Autokolimator jest to optyczny przyrząd pomiarowy, którego działanie polega na wykorzystaniu zjawiska kolimacji rozbieŜnej wiązki światła oraz porównaniu pozycji obrazu referencyjnego oraz pomiarowego.
Rys.4.1.1. Schemat i zasada działania autokolimatora [4.03].
W układzie optycznym autokolimatora obraz przedmiotu powstaje przez odbicie promieni
świetlnych od płaszczyzny zwierciadła umieszczonego za układem kolimacyjnym. Odbity od przedmiotu obraz powraca do przyrządu i moŜe być obserwowany przez np.: okular w postaci dwóch krzyŜy (odniesienia i pomiarowego). RozbieŜność krzyŜy jest zaleŜna od prostopadłości ściany przedmiotu do osi optycznej autokolimatora (kąta α, Rys.4.1.1) .
Autokolimatory nadają się do pomiaru prostopadłości róŜnych powierzchni, porównywania prostopadłości dwóch powierzchni, pomiarów dokładności wykonania pryzmatów szklanych oraz pomiarów przesunięcia powierzchni lub osi (niewspółosiowość).
Rozdzielczość typowych dobrych autokolimatorów wynosi ±0.1 arc-sekundy a zakres pomiarowy: ± 1,200 arc-sekundy [4.03]. Stosując metodę uchyleń kątowych moŜna za pomocą autokolimatora mierzyć równieŜ prostoliniowość i płaskość powierzchni, jednak pomiar taki jest trudniejszy oraz bardziej czasochłonny niŜ pomiar interferometrem laserowym.
W pracy autor połączył dwie techniki pomiarowe: pomiar autokolimatorem oraz pomiar za pomocą detektorów pozycji [Rozdział 1.2.6], tworząc system pomiarowy wykonujący pomiar przemieszenia jednocześnie w trzech osiach. W proponowanym rozwiązaniu autor mierzy bezpośrednią wartość przesunięcia obrazu referencyjnego oraz obrazu pomiarowego utworzonego na detektorze czteropolowym przez dwie liniowe, wzajemnie prostopadłe polaryzacje liniowe wiązki światła laserowego. PoniewaŜ uzyskane obrazy: referencyjny i pomiarowy, posiadają prostopadłe do siebie polaryzacje, moŜliwe jest ich przełączanie i
niezaleŜna detekcja pozycji na detektorze. RóŜnica wartości uzyskanych z pomiarów pozwala na wyznaczenie względnej wartości przesunięcia [Rys.4.1.3].
Reflektor odniesienia Dzielnik polaryzacyjny Fotodetektory Reflektor ruchomy f1 fD f1 f1 f1 f2 Dwie prostopadłe polaryzacje liniowe - częstotliwość wynikająca z efektu Dopplera fD x fD c f2 f2 f2 fD licznik pomiarowy Polaryzatory - ( ) f2 f1 fD Tor pomiarowy v 2 f1 fD= polaryzacja pionowa polaryzacja pozioma Dzielnik niepolaryzacyjny Stabilizowana Głowica laserowa He-Ne dZ dY Licznik referencyjny f2 f1 Tor referencyjny Komórka ciekłokrystaliczna Detektor czteropolowy (kwadraturowy) Polaryzator 45°
Rys.4.1.2. Schemat ideowy interferometrycznego układu pomiarowego w trzech osiach z wykorzystaniem heterodynowego interferometru laserowego oraz układu detekcji pozycji
wiązki (detektor czteropolowy plus komórka ciekłokrystaliczna).
Pomiar w osi X jest realizowany w standardowym układzie interferometru heterodynowego [Rozdział 1.2]. Zakres pomiarowy zaleŜny jest, od jakości układu kolimatora i typowo wynosi 20-30 metrów. Dokładność heterodynowego pomiaru interferometrycznego wynosi ±1,5µm/m/°C i jest zaleŜna głównie od czynników środowiskowych i metod jej kompensacji (Rozdział.1.2, Rozdział 5) Istotnym usprawnieniem jest dodanie układu detekcji pozycji wiązki.
Układ detekcji pozycji wiązki składa się z detektora czteropolowego oraz komórki ciekłokrystalicznej, umoŜliwiającej analizę wiązki laserowej o danej polaryzacji. Obraz referencyjny pozycji tworzy wiązka laserowa o polaryzacji pionowej odbijająca się od retropryzmatu (reflektora) odniesienia. Przemieszczenie retropryzmatu pomiarowego w osiach Y lub/i Z powoduje przemieszczenie w danej osi wiązki o polaryzacji poziomej i jej obrazu na detektorze czteropolowym. Wybór wiązki o polaryzacji pionowej lub poziomej dokonywany jest za pomocą ferroelektrycznej lub nematycznej komórki ciekłokrystalicznej. RóŜnica pozycji wiązek o obu polaryzacjach umoŜliwia określenie względnego przesunięcia w osiach Y i Z.
A B
C y D
z
Rys.4.1.3. Schemat ideowy działania pomiaru przesunięcia wiązki laserowej. Koła reprezentują obrazy dwóch polaryzacji liniowych na detektorze czteropolowym. Strzałka
oznacza wektor względnego przesunięcia.