Wynik pomiaru prostoliniowości maszyny TUR MN proponowaną metodą 3D

Dodatkowe pomiary zostały wykonane na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej, na maszynie TUR MN dzięki uprzejmości dr.W.Kwaśnego.

Wykonano serię dwudziestu trzech serii pomiarów prostoliniowości maszyny metodą 3D.

-5 0 5 10 15 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Odle głość [cm] O d c h y łk a p ro s to li n io w o ś c i [u m ]

Rys 5.1.21. Wynik pomiaru prostoliniowości maszyny TUR MN proponowaną metodą 3D.

Określono błędy nadmierne jako nie mieszczące się w przedziale u=±3s, gdzie: u- wartość oczekiwania, s- odchylenie standardowe.

Na podstawie pozostałych 20 serii pomiarowych wyznaczono niepewność pomiaru na poziomie ufności 97,5% korzystając z rozkładu t-Studenta dla określonej liczby pomiarów.

Uzyskana dokładność wynosi ±5µm. Dla małych odchyłek od prostoliniowości (jak np.: dla maszyny TUR MN) jest to dokładność niewystarczająca, pozwalająca jedynie stwierdzić występowanie i określić charakter odchyłki. W tym momencie metoda ta pozwala na szybką ocenę jakości maszyny. Przy większych odchyłkach, aktualne rozwiązanie pomiaru przemieszczenia moŜe stanowić uŜyteczną i najszybszą metodę pomiaru w trzech osiach jednocześnie.

Dalsza ocena opracowanej metody pomiarowej wymaga kolejnych modyfikacji konstrukcji układu pomiarowego ze szczególnym naciskiem na poprawienie jakości toru optycznego systemu pomiarowego w celu poprawienia liniowości pomiaru przemieszczenia w całym zakresie pomiarowym (dotyczy pomiaru na detektorze kwadrantowym; Rys.5.1.18) oraz

polepszenie parametrów układu stabilizacji lasera He-Ne w celu zmniejszenia wpływu niestabilności kierunku propagacji wiązki laserowej (ang. Pointing Stability) [5.01].

Korzystne wydaje się zwiększenie średnicy soczewek kolimatora w celu zwiększenia zakresu pomiarowego oraz zastosowanie ćwierćfalówek i półfalówek do przekształcenia polaryzacji kołowej na liniową lasera He-Ne o lepszej jakości. W obecnym rozwiązaniu dodatkowe modulacje sygnału (analogiczne jak w układzie homodynowym interferometru) powodują dodatkowe błędy odczytu pozycji wiązki laserowej na detektorze kwadrantowym.

Literatura

[5.01] J.Gray,P.Thomas, X.D.Zhu, „Laser pointing stability measured by an

oblique-ncidence opticaltransmittance difference technique”, REVIEW OF SCIENTIFIC

157

6

PODSUMOWANIE

Celem pracy było opracowanie metody pomiarowej i prototypu urządzenia do określania dokładności pozycjonowania maszyn w przestrzeni. ZałoŜony cel pracy został w pełni spełniony.

Opracowano metodę pomiarową i zbudowano prototyp systemu pomiarowego do określenia pozycji punktów pomiarowych w przestrzeni w celu pomiaru błędów przestrzennych współrzędnościowych maszyn pomiarowych oraz obróbczych.

Autor zaproponował rozwiązanie wykorzystujące heterodynowy interferometr laserowy oraz półprzewodnikowy układ pomiaru pozycji wiązki laserowej. Do budowy interferometru wykorzystano tani i łatwo dostępny laser He-Ne produkowany przez firmę Lasos o mocy 1mW. Opracowano układy detekcyjne i licznikowe oraz interfejs umoŜliwiający sterowanie interferometrem z poziomu komputera PC.

Zaprojektowano układ stabilizacji z moŜliwością zdalnego, cyfrowego zadawania parametrów stabilizacji, tak, aby umoŜliwić pracę w róŜnych warunkach klimatycznych z automatycznym dopasowaniem parametrów stabilizacji.

W prototyp układu interferometru wbudowano obwody umoŜliwiające pomiar wielkości

środowiskowych (temperatury, ciśnienia i wilgotności) w celu umoŜliwienia kompensacji długości fali wiązki laserowej w powietrzu, zapewniając dokładność pomiaru lepszą niŜ ±1,5µm/ºC/m.

Zastosowanie w układzie stabilizacji częstotliwości lasera komórek ciekłokrystalicznych umoŜliwiło redukcję wpływu toru elektronicznego na długoterminową stabilność częstotliwości oraz uprościło konstrukcję głowicy pomiarowej interferometru.

Pomiar przemieszczeń w dodatkowych dwóch osiach YZ zrealizowano wykorzystując detektor kwadrantowy firmy Hamamatsu oraz komórkę z ciekłym kryształem o charakterze przełączanej płytki półfalowej. Poprzez pomiar względny pozycji dwóch ortogonalnych polaryzacji wiązki laserowej uzyskano niezaleŜność pomiaru przemieszczenia od zakłóceń (przemieszczeń) w osiach YZ.

Po zbudowaniu systemu pomiarowego wykonano cykl badań prawidłowego funkcjonowania zarówno interferometrycznego układu pomiaru przemieszczenia jak i analogowego układu do pomiaru pozycji wiązki laserowej.

W celu zbadania stabilności i odtwarzalności częstotliwości wyjściowej opracowanej głowicy wykonano szereg badań porównawczych z wzorcem laserowym stabilizowanym na linii absorpcyjnej jodu ¹²⁷I₂. Zmierzona stabilność częstotliwości była rzędu 2.6*10^-8Hz dla pomiarów w okresach o czasie trwania 100µs, a odtwarzalność częstotliwości rzędu 2,8*10^-8

158 Hz. Oznacza to, Ŝe opracowana głowica nadaje się do zastosowania w przemysłowej interferometrii laserowej.

W celu zbadania dokładności pomiaru pozycji wiązki za pomocą detektora czteropolowego w układzie z ferroelektryczną komórką ciekłokrystaliczną, zmierzono zakłócenia w róŜnych punktach toru pomiarowego i zaproponowano sposób ich eliminacji. Po wstępnej kalibracji toru pomiaru pozycji wiązki wykonano pomiary porównawcze ławy pomiarowej opracowaną metodą pomiarową oraz za pomocą metody uchyleń kątowych. Wykonano serię pomiarów przykładowej maszyny obróbczej w celu określenia niepewności pomiarowej metody.

Uzyskano niepewność pomiaru lepszą niŜ ±1,5µm/ºC/m dla osi głównej głowicy laserowej, przy wykorzystaniu metody interferometrycznej oraz niepewność pomiaru lepszą niŜ ±5µm/m dla pozostałych dwóch osi mierzonych analogowo.

Zbudowanie systemu pomiarowego o zadowalających parametrach wymagało zapoznania się nie tylko z opracowanymi do tej pory metodami stabilizacji laserów, ale równieŜ z stosowanymi w przemyśle metodami pomiarowymi, określeniu wad tych metod i zalet.

PoniŜej wymieniono istotne osiągnięcia naukowe i techniczne związane z prezentowaną pracą:

1. Interpretacja wpływu wielkości pola magnetycznego na częstotliwość Zeemana jednomodowego lasera He-Ne oraz budowa stanowiska do pomiaru częstotliwości zeemanowskiej.

2. Opracowanie koncepcji interferometru laserowego do pomiarów przestrzennych. 3. Opracowanie koncepcji budowy mechanicznej głowicy interferometru.

4. Projekt i budowa wszystkich podzespołów elektronicznych stabilizowanej głowicy.

5. Opracowanie procedury uruchomienia układu stabilizacji głowicy i elektroniki interferometru laserowego.

6. Opracowanie procedury uruchomienia układu pomiaru pozycji wiązki wykorzystującej detektor kwadrantowy oraz komórkę ciekłokrystaliczną.

7. Wykonanie badania stałości odtwarzalności częstotliwości lasera He-Ne w układzie interferometru heterodynowego metodą wariancji Allana, ze pełną rejestracją i archiwizacją danych pomiarowych.

8. Wykonano badania porównawcze opracowanej metody oraz badania mające na celu oszacowanie niepewności metody pomiarowej.

Autor zamierza prowadzić dalsze badania nad poprawą dokładności pomiarowej oraz wykorzystaniem opracowanej metody pomiarowej do celów diagnostycznych maszyn obróbczych i współrzędnościowych maszyn pomiarowych.

Szczególnie interesujące wydaje się być wykorzystanie metody do pomiarów przestrzennych (objętościowych) według normy ISO230-6:2002. Norma ta specyfikuje testy maszyny współrzędnościowej poprzez pomiary przekątnych maszyny. Proponowana metoda 3D zapewniając dokładność rzędu ±1µm pozwoliła by na najszybsze wykonanie oceny maszyny zgodnie z wspomnianą normą.