Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ средств измерения линейных перемещений в информационно-измерительных системах 10
1.1 Принципы построения и состояние производства высокоточных информационно-измерительных систем линейных перемещений 10
1.2 Функциональные возможности современных информационно-измерительных систем на основе лазерных интерферометров 17
1.3 Анализ помехоустойчивости информационно-измерительных систем на основе лазерных акустооптических интерферометров 28
2 Теоретическое исследование информационно-измерительных систем на основе лазерных акустооптических интерферометров 35
2.1 Разработка модели информационно-измерительной системы на основе лазерного акустооптического интерферометра 35
2.2 Теоретическое исследование оптических схем информационно-измерительных систем на основе лазерных интерферометров с внешней акустооптической модуляцией 42
2.3 Преобразование сигналов в оптических элементах информационно-измерительных систем 48
2.4 Разработка схем фотоприемных устройств в информационно-измерительных системах на основе акустооптических интерферометров 52
2.5 Исследование преобразования измерительных сигналов в электронном блоке обработки информационно-измерительной системы 57
2.6 Сравнительный анализ оптических схем информационно-измерительных систем на основе лазерных акустооптических интерферометров по помехоустойчивости 78
3 Исследование схемных решений информационно-измерительных систем на основе акустооптического лазерного интерферометра 86
3.1 Разработка и исследование оптической схемы с организованными пространственными реперными точками 86
3.2 Исследование информационно-измерительных систем с абсолютным отсчетом результата измерения перемещений 91
3.3 Исследование оптических схем информационно-измерительных систем на основе акустооптических лазерных интерферометров 95
3.4 Расчет предельно-допустимых эксплуатационных параметров интерферометров в информационно-измерительных системах 107
3.5 Исследование информационно-измерительной системы для измерения отклонений от прямолинейности на основе лазерного акустооптического интерферометра 114
4 Разработка и экспериментальное исследование основных узлов лазерного акустооптического интерферометра 127
4.1 Разработка и экспериментальное исследование акустооптического модулятора 127
4.2 Разработка и исследование электронного блока обработки измерительных сигналов информационно-измерительной системы 135
4.3 Разработка блока согласования сигналов акустооптических интерферометров с системой числового программного управления 146
Основные выводы 156
Литература 158
Приложение 170
- Функциональные возможности современных информационно-измерительных систем на основе лазерных интерферометров
- Теоретическое исследование оптических схем информационно-измерительных систем на основе лазерных интерферометров с внешней акустооптической модуляцией
- Исследование информационно-измерительных систем с абсолютным отсчетом результата измерения перемещений
- Разработка и исследование электронного блока обработки измерительных сигналов информационно-измерительной системы
Введение к работе
Повышение качества и надежности машин и оборудования является одной из основных проблем современного машиностроения. Эффективность производства во многом определяет точность и надежность функционирования станков с ЧПУ, робототехнических комплексов, транспортных систем и т. д. Для эффективного управления в технических системах необходима точная информация о параметрах физических процессов, которые протекают в этих системах. Такую информацию получают посредством различных измерительных устройств. Измерительные устройства, входящие в состав станочного комплекса являются первичными измерительными средствами, и от их метрологических характеристик изначально зависит эффективность управления в целом. При этом требования автоматизации оборудования обнаруживают тенденцию к увеличению числа параметров контроля, что приводит к созданию информационно-измерительных систем, качество которых во многом зависит от функциональных возможностей и точностных характеристик входящих в их состав информационно-измерительных устройств. Наиболее полно удовлетворяют этим требованиям измерительные системы, работающие на принципах гетеродинной лазерной интерферометрии.
Информационно-измерительной системе контроля за
перемещениями рабочих органов станка необходимо несколько (до 5 4- 6 и более) измерительных координат. При этом функционирование информационно-измерительной системы возможно при максимально допустимой скорости перемещения подвижных органов станка 20 -s- 25 м/мин. При использовании лазерного интерферометра для формирования нескольких оптических каналов и в условиях ограниченного
энергетического потенциала источника оптического излучения возникает проблема повышения помехоустойчивости, поскольку значение этого параметра определяет уровень функциональных возможностей лазерных интерферометров.
Целью диссертационной работы является разработка
многофункциональных информационно-измерительных систем
повышенной точности для управления процессами обработки деталей на высокоточных станках с числовым программным управлением.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
проведен обзор возможных вариантов решения и предложена информационно-измерительная система, в основу измерительной части которой положен принцип лазерной интерферометрии;
определены математические основы и разработаны
структуры многоканальных информационно-
измерительных систем, обладающих повышенной помехоустойчивостью;
разработаны многоканальные информационно-
измерительные системы повышенной точности, обеспечивающие отсчет в абсолютных и относительных единицах с коррекцией нелинейности функции преобразования, созданием пространственных реперных точек и использованием в качестве эталона длины волны лазерного излучения;
проведены экспериментальные исследования,
подтверждающие теоретические положения, макеты
доведены до опытных образцов и внедрены в промышленности. Научная новизна работы заключается в следующем:
Для многоканальной информационно-измерительной системы определена математическая зависимость соотношения сигнал/шум измерительных электрических сигналов от количества применяемых оптических каналов и структуры оптической схемы. Предложена оптическая схема акустооптического преобразования измерительных сигналов с одновременной их частотной и пространственной фильтрацией до модуляции перемещением контролируемого объекта, что позволило повысить соотношение сигнал/шум на 50%.
Разработан оригинальный способ определения действительного значения длины волны лазерного излучения, применение которого позволило повысить точность измерения информационно-измерительной системы.
Для повышенния достоверности результатов измерения разработана информационно-измерительная система с использованием пространственных реперных точек, организованных по трассе измерения, что позволило осуществлять корректировку результатов измерения.
Разработана информационно-измерительная система на основе лазерного акустооптического интерферометра с абсолютным отсчетом результата измерения перемещений.
5. Для проведения измерений отклонений от
прямолинейности разработана информационно-
измерительная система повышенной точности на основе лазерного акустооптического интерферометра с применением оригинальной оптической схемы. Практическая ценность работы.
Результаты работы позволяют реализовать принцип построения лазерных акустооптических интерферометров с расширенными функциональными возможностями. При этом число формируемых оптических каналов от одного источника увеличивается до 5 -г 6; максимально допустимая скорость перемещения подвижного отражателя достигает 30 м/мин; диапазон измеряемых перемещений равен 0 ч- 50 м. На защиту выносятся:
Математические зависимости соотношения сигнал/шум измерительных электрических сигналов информационно-измерительной системы от количества применяемых оптических каналов и структуры оптической схемы.
Способ определения действительного значения длины волны лазерного излучения, позволяющий повысить точность измерения.
Информационно-измерительная система повышенной достоверности результатов измерения с использованием пространственных реперных точек, организованных по трассе измерения.
Информационно-измерительная система на основе лазерного акустооптического интерферометра с абсолютным отсчетом результата измерения перемещений.
і
Информационно-измерительная система для измерения отклонений от прямолинейности на основе лазерного акустооптического интерферометра, позволяющая повысить точность измерений.
Экспериментальные исследования информационно-измерительной системы на основе лазерного акустооптического интерферометра.
Функциональные возможности современных информационно-измерительных систем на основе лазерных интерферометров
В линейных измерениях наиболее распространены информационно-измерительные системы на основе интерферометра Майкельсона. В них измерение величины перемещения осуществляется сравнением с частотой (длиной волны) лазера. Измерение величины линейного перемещения в информационно-измерительной системе на основе лазерного интерферометра осуществляется косвенным методом. Величина перемещения где (р - накопленная за время измерения (движения) фазовая разность хода интерферирующих лучей; Яд - действительная длина волны оптического излучения; Vd= доплеровский сдвиг временной частоты зондирующей
К волны, возникающей при движении подвижного объекта; V - скорость перемещения объекта; к- коэффициент, зависящий от вида оптической схемы интерферометра и в общем случае определяется количеством проходов оптического излучения по трассе измерения; при одном проходе
Измеренная величина перемещения представляется как произведение суммы накопленных электрических импульсов на численное значение длины волны излучения Яд для данных условий измерения. Количество импульсов, накопленных за время движения-измерения, определяется коэффициентом чувствительности и зависит от условия временного квантования.
Наибольшее распространение в промышленности получили информационно-измерительные системы на основе гетеродинных лазерных интерферометров. Представителями этого класса информационно-измерительных систем, имеющих наиболее высокие метрологические характеристики, являются информационно-измерительные системы фирмы "Hewlett-Packard", отечественные ИПЛ-30К,ИПЛГМП. На рисунке 1.3 приведена оптическая схема информационно-измерительной системы ИПЛ-ЗОК для двух автономно работающих измерительных каналов. Каждый измерительный канал представляет собой интерферометр Майкельсона, опорное плечо которого состоит из жестко связанных светоделителей 5, 18 и отражателей 8, 21. Измеряются перемещения измерительных отражателей 7, 20. Клинья 6, 19 отклоняют измерительные лучи относительно опорных и после коллиматоров 11, 22 угол между измерительным и опорным лучами равен углу дифракции. Поэтому после акустооптических модуляторов 12, 23 дифракционный максимум нулевого порядка измерительного луча интерферирует с максимумом дифракции первого порядка опорного луча. Коллиматоры 13, увеличивают расхождение дифракционных лучей, что позволяет выделить диафрагмами 14, 25 дифракционные максимумы, не увеличивая габариты прибора. Фотодетекторы 16, 27 выделяют на разностной частоте электрический измерительный сигнал, изменение значения фазы которого на период (2тс рад.) соответствует перемещению отражателя на — мкм.
Основу информационно-измерительной системы фирмы "Hewlett Packard" составляет двухчастотный лазер, излучение которого имеет две спектральные составляющие с разностью частот 1,8 МГц. Стабилизация частот осуществляется поддержанием равенства интенсивностей обоих частотных компонент излучения. Взаимная линейная ортогональная поляризация составляющих позволяет проводить их разделение.
Лазер 1 излучает две частоты V/И V? (Рисунок 1.4). Л Я Поляризационный элемент 2, включающий пластинки — и —, преобразует поляризацию этих волн в линейную ортогональную, ориентированную в вертикальной и горизонтальной плоскости. После коллиматора часть лазерного пучка отражается светоделителем 4 и направляется на поляризационный светоделитель 5. Главная ось последнего развернута на 30 к осям линейных поляризаций компонентов излучения. Поэтому каждый из светодиодов 6, 7, установленных за светоделителем 5, регистрируют одновременно оба компонента излучения. На фотодиод 6 направляется большая часть излучения с частотой /} и малая часть - с частотой Д а на фотодиод 7 наоборот. Постоянные составляющие сигналов фотодиодов 6, 7, пропорциональные соответствующим интенсивностям компонентов излучения лазера, сравниваются дифференциальным усилителем 8. Выходной сигнал усилителя направляется в аналоговый регулятор 9, где он интегрируется и после усиления в высоковольтном усилителе 10 подается на исполнительное устройство. Это устройство осуществляет перестройку длины резонатора лазера до тех пор, пока интенсивности компонентов излучения не станут равными. Равенство достигается только при симметричном расположении компонентов относительно центра линии усиления fo, являющейся реперной точкой спектра излучения. Основная часть излучения двухчастотного лазера направляется в интерференционную схему. На рисунке 1.4 показан вариант, предназначенный для двухкоординатных измерений. Эта конфигурация включает светоделитель, выносные интерферометры и уголковые отражатели. Интерферометры содержат поляризационные светоделительные кубики И, разделяющие компоненты излучения по поляризациям (а тем самым и по частоте), а также отражатели опорного 12 и измерительного 13 плеч. В результате излучение с частотой/; распространяется в опорном плече, а с частотой -в измерительном. На выходе интерферометра пучки объединяются и направляются на фотоприемный блок, установленный в лазерной головке. Этот блок состоит из четырех соединенных попарно фотодиодов 14, поляроидов 15, линз 16. Такое расположение расширяет возможности измерительной системы и позволяет регистрировать взаимные смещения объектов как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Частота переменного электрического сигнала на входе фотоприемниках 17, 18 равна/; -f2±Af, где: Af- доплеровский сдвиг частоты, возникающий при движениях измерительного уголкового отражателя. Переменный сигнал фотоприемника 7 имеет постоянную частоту, равную /} - f2. Выходные сигналы фотоприемников 7 и 17 по соединительному кабелю \ направляются в электронный блок. Входные усилители электронного блока 19 обеспечивают инвариантность к 10-кратным изменениям уровня сигналов фотоприемников. Преобразование выходных сигналов усилителей в счетные импульсы осуществляется триггерами Шмитта 20, умножителями 21 и формирователями 22. Реверсивный счетчик 23 производит суммирование этих импульсов. Результат измерения индицируется на цифровом табло 24 в метрических единицах. Перевод результата счета в требуемую систему единиц осуществляет процессор путем умножения на коэффициент, пропорциональный текущему значению длины волны лазера в воздухе. Для автоматического определения этого коэффициента имеется автоматический компенсатор, осуществляющий вычисление поправочного коэффициента по результатам измерения с помощью специальных датчиков текущих значений давления и температуры воздуха, а также температуры измеряемого объекта. Точность измерения физического параметра с помощью лазерных интерферометров зависит от определения действительного значения длины волны лазерного излучения в воздухе Явозд,. Определение Явозд. производится посредством измерения коэффициента преломления воздуха пвозд, и при известном значении длины волны лазерного излучения в вакууме. При этом расчетное значение Яв03д. определяется по формуле где Я вак_ - значение длины волны лазерного излучения в вакууме.
Теоретическое исследование оптических схем информационно-измерительных систем на основе лазерных интерферометров с внешней акустооптической модуляцией
Акустооптическое взаимодействие представляет собой процесс рассеяния светового поля на вариациях оптической неоднородности среды, создаваемых акустическими волнами. Принцип акустооптического взаимодействия иллюстрируется на рисунке 2.2. Два пространственно-временных процесса - акустический и оптический распространяются в двух ортогональных направлениях. В результате их взаимодействия в оптически прозрачной среде происходит рассеяние поля света на акустических волнах, известное как дифракция света на ультразвуке. В предположении слабого акустооптического взаимодействия рассеянное световое поле значительно меньше падающего. В соответствии с этим световое поле на выходе из зоны взаимодействия представляется суммой проходящего и рассеянного излучений причем, E o(r ,t) « Eo(r ,t) и Ei(r,t)«Eo(r,t). Волновое уравнение, описывающее распределение поля E(r,t) имеет вид [6] Каждое из полей света и звука выражается через функции спектральной плотности комплексных амплитуд по временным частотам посредством обратного преобразования Фурье [23,94] где Eo(r,co), Ej (г, о/), S(r,Q) - функции спектральной плотности падающего, рассеянного световых полей и акустического поля соответственно. Как показано в работе [94], функция спектральной плотности рассеянного оптического поля равна где к = - — - оптическое волновое число; Glk-?)= , сферическая функция Грина.
Переход к решению, учитывающему временные и частотные зависимости взаимодействующих полей, осуществляется посредством спектральных представлений (2.7). При этом получаем выражение пространственно-временного поля рассеянного оптического излучения через пространственные распределения комплексных амплитуд и временные частотные спектры взаимодействующих полей Применяя преобразования Фурье получаем выражение для спектральной плотности рассеянного излучения [90] Взаимодействующие поля света и звука представляют собой трехмерные распределения комплексных амплитуд Е0(г) и S(r) и выражаются через пространственные спектры [92] где Ao(ky,kJ и U(KX)Ky) - пространственные спектры полей света и звука соответственно; кх, ку, к2 - пространственные частоты падающего оптического излучения; Кх , Ку, К2 - пространственные частоты акустического поля. Спектральные плотности Eo(r,co), S(r,Q) взаимодействующих полей также являются пространственными распределениями и выражаются через свои пространственные спектры После соответствующей подстановки получаем выражение поля рассеянного излучения через пространственно-временные спектры взаимодействующих полей Осуществляя преобразование Фурье поля, получаем выражение для спектральной плотности рассеянного излучения ҐО v Спектр (2.16) представляет собой сложную интегральную функцию, зависящую как от пространственно-временных спектров взаимодействующих оптического и акустического полей, так и от размеров зоны взаимодействия. Для исследования переноса временных спектров достаточно проанализировать спектральную плотность Еі(г],й)) рассеянного излучения. Падающая монохроматическая световая волна с частотой ЕТ0 равна E0(r,t) = Eo(r)-exp(iu)0t), ее временной спектр равен Гармоническая акустическая волна с частотой Q равна Временной спектр ее равен Подставляя значение акустической и световой волны в (2.10) получаем Спектр взаимодействия гармонических световой и акустической волн соответственно с частотами а 0 и / содержит две монохроматические составляющие с частотами (со0 + Q0) и (COQ - Щ в «+1» и «-1» порядках.
Исследование информационно-измерительных систем с абсолютным отсчетом результата измерения перемещений
Перспектива развития информационно-измерительных систем на основе акустооптических лазерных интерферометров заключается в достижении ими как можно большего количества выполняемых функций. Длина волны лазерного излучения измеряется долями и единицами микрометров, поэтому для измерения размеров в пределах единиц и десятков метров требуется последовательное накопление в процессе движения подвижного отражателя целых и дробных долей периода изменения фазы световой волны. Случайные помехи, перекрытия светового луча во время измерения приводят к потере измерительной информации. В результате процесс измерения необходимо повторять. Это отрицательно сказывается на производительности процесса измерения. Поэтому необходима информационно-измерительная система с абсолютным отсчетом измерения. Пространственный период однозначности лазерных информационно-измерительных систем определяется длиной волны света Я. Увеличение пространственного периода однозначности отсчета возможно за счет использования излучения с большей длиной волны. Но увеличение длины волны оптического излучения сдвигает частотный спектр оптического излучения в инфракрасную область, что накладывает определенные трудности, связанные с юстировкой и контролем оптической схемы.
Увеличение периода однозначности возможно получить, используя явление взаимодействия двух когерентных электромагнитных колебаний, имеющих разные пространственные периоды (Xj и Лг). Информационно-измерительная система, использующая пространственные периоды А/ и Л2, представлена на рисунке 3.2. Нахождение определенной точки в пределах периода однозначности определяется как разность абсолютных мгновенных значений фаз двух измерительных сигналов с соответствующих фотоприемников.
В интерференционных методах увеличение периода однозначности также возможно при взаимном гетеродинировании двух одинаковых по частоте волн, одновременно распространяющихся по наклонным направлениям по отношению к направлению линии измерения [34].
Излучение лазера 1 (рисунок 3.2) коллимируется оптической системой 2 и пропускается через акустооптический модулятор 3. В схеме используются разночастотные оптические пучки, названные «0»-ым и «+1»-ым порядками, которые распространяются под углом дифракции друг к другу и имеют разные временные частоты, отличающиеся на величину частоты сигнала возбуждения в акустооптическом модуляторе. Эти пучки направляются на отражатель и, отражаясь от него, снова пропускаются через акустооптический модулятор, подвергаясь вторичной дифракции. Пучок «+1»-ого дифракционного порядка после вторичной дифракции получает дополнительный частотный сдвиг на величину F = 8,0 МГц и угловой наклон а, совпадающий с направлением «0»-ого пучка. Эта пара пучков направляется через собирающую линзу 5 на фотоприемник 7. Световые волны описываются выражениями [94]: Смещение этого сигнала по фазе на период соответствует изменению положения отражателя по линии измерения на расстояние Таким образом, пространственный период однозначности данной схемы определяется по выражению (3.8). Изменяя частоту возбуждения сигнала в акустооптическом модуляторе, можно варьировать значением периода однозначности, так как где Суз - скорость распространения ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе. При изменении частоты возбуждения в акустооптическом модуляторе в пределах от 6 до 9 МГц период однозначности изменяется от 105 до 45 мм. Предложенный метод позволяет измерять перемещения подвижных объектов в абсолютном режиме по имеющимся реперным точкам. Измерения между реперными точками проводятся обычным способом с использованием лазерного интерферометра перемещений. В случае воздействия случайных помех во время проведения измерения нет необходимости проводить процесс заново. В этом случае возобновляют процесс измерения перемещений подвижного объекта от ближайшей реперной точки, пройденной этим подвижным объектом. Конечной целью энергетического расчета является определение соотношения сигнал/шум на выходе приемника излучения, при этом рассчитываются потери энергии (мощности), имеющие место в оптической системе и среде распространения излучения. В разделе 2.6 был проведен сравнительный анализ двухкоординатных оптических схем гетеродинных лазерных интерферометров с акустооптическим преобразованием до и после модуляции измерительных сигналов перемещением контролируемого объекта. При этом был сделан вывод о том, что относительное соотношение сигнал/шум на выходе схем будет больше у оптической схемы с акустооптическим преобразованием измерительных сигналов до модуляции их перемещением контролируемого объекта. Это происходит потому, что уменьшаются потери световой энергии в узле для разделения и смешения опорного и измерительного световых пучков и акустооптическом модуляторе. При этом новое взаимное расположение элементов позволило более полно использовать свойства дифракции света на ультразвуке в акустооптическом модуляторе, а именно
Разработка и исследование электронного блока обработки измерительных сигналов информационно-измерительной системы
Однако, из-за расходимости излучения контраст интерференционных полос т, который определяется по формуле (1.9) в общем случае отличается от единицы. Это связано с тем, что длина измерительного плеча больше опорного. Поэтому интенсивность измерительного луча, доходящего до фотоприемника, уменьшается с ростом измерительного плеча. Падение амплитуды переменной составляющей интерференционного сигнала описывается выражением (1.8). Подставляя (1.9) в (1.8), получим где / - интенсивность оптического пучка до выхода на трассу измерения; // - интенсивность этого же пучка после прохождения им трассы измерения; є = — -; 0 = ; zon - длина опорного плеча; L - длина измерительного плеча; 0, Я - расходимость и длина волны излучения; w0 -радиус минимального сечения лазерного луча. Оптическая схема с акустооптическим преобразованием до модуляции дает возможность получить разночастотные оптические пучки различной интенсивности (разделы 2.6 и 3.3). При использовании однокоординатной оптической схемы с акустооптическим преобразованием до модуляции мощности разночастотных оптических пучков равны где Р - мощность излучения оптического источника. В работах [57,74] показано, что фотоприемники способны принять оптический измерительный сигнал при т 0,05. Подставляя (3.16) и (3.17) в (1.9), получим неравенство Решая неравенство относительно параметра є, можно сделать вывод о том, что при использовании однокоординатной схемы с акустооптическим преобразованием на входе максимально допустимый диапазон измеряемых перемещений, при котором т 0,05 будет равен L-50 м. В таблице 1.1 также показано, что допустимая скорость перемещений современных лазерных интерферометров не превышает 18 м/мин.
Допустимая скорость перемещений ограничена полосой пропускания частот электронного избирательного усилителя и схемой обработки измерительного электрического сигнала информационно-измерительной системы, а также быстродействием электронных элементов схемы. Как известно, скорость перемещений подвижного отражателя интерферометра связана с полосой пропускания частот фотоприемного устройства следующей зависимостью где V - скорость перемещения подвижного отражателя интерферометра; Af - отклонение частоты выходного электрического сигнала от его номинального значения; Я - длина волны света. При увеличении V необходимо расширить частотную полосу пропускания фотоприемного устройства, что в свою очередь приведет к уменьшению отношения сигнал/шум измерительного электрического сигнала согласно (2.88). При использовании оптической схемы с акустооптическим преобразованием до модуляции существует возможность расширить частотную полосу пропускания фотоприемного устройства, не уменьшая соотношения сигнал/шум измерительного сигнала. В разделе 2.6 рассчитаны мощности референтного и измерительного оптических пучков на фотоприемном устройстве для оптических схем с акустооптическим преобразованием до и после модуляции. Уменьшая соотношение сигнал/шум электрического измерительного сигнала оптической схемы с акустооптическим преобразованием до модуляции до уровня соотношения сигнал/шум ИПЛ-30, можно расширить частотную полосу пропускания фотоприемного устройства. Математически это записывается следующим образом где Af], Af2 - полосы пропускания фотоприемных устройств интерферометров, использующих оптические схемы с акустооптическим преобразованием до и после модуляции соответственно; Pto Рр Pj, Рр1 -мощности измерительного и референтного оптических пучков на фотоприемном устройстве, использующих оптические схемы с акустооптическим преобразованием до и после модуляции соответственно. Подставляя в (3.19) расчетные значения мощности оптических пучков, полученных в разделе 2.6, получаем, что А/2 & 2 МГц, что соответствует допустимой скорости движения подвижного отражателя интерферометра V=30M/MUH.
