Системы позиционирования с лазерными интерферометрами

Стремление повысить точность систем позиционирования, исключить зависимость их параметров от точности изготовления направляющих и их износа в процессе эксплуатации привело к созданию нового типа систем позиционирования с лазерными интерферометрами.

Поясним качественно не прибегая к формулам, как действует лазерный интерферометр.

Рисунок 5.17 - Оптическая схема лазерного интерферометра.

1 – лазер, 2 – полупрозрачное зеркало, 3 – неподвижное отражающее зеркало, 4 - отражатель, установленный на перемещающейся детали, 5 – фотоприемник, 6 – электронное устройство обработки данных.

Луч, выходящий из маломощного гелий-неонового лазера расщепляют полупрозрачным зеркалом на два луча – опорный и измерительный. Опорный луч А проходит оптический путь от зеркала 2 до зеркала 3 и далее к фотоприемнику 5. Измерительный луч В идет к отражателю, установленному на перемещаемой детали, а затем возвращается и попадает в фотоприемник. В итоге оба луча встречаются и интерферируют в фотоприемнике. Регистрируемая фотоприемником интенсивность света зависит от разности длин оптических путей обоих лучей.

Δl = L_и – L_o. (5.17)

Предположим, что в какой-то момент времени оба луча, опорный и измерительный, встретились в одинаковой фазе. Значит, в этот момент времени фотоприемник зарегистрирует максимум интенсивности света. Но если деталь вместе с отражателем 4 начинает двигаться, длина измерительного пути L_и тоже начинает меняться. Как только Δl изменится на половину длины волны света, генерируемого лазером, сложение лучей в фотоприемнике будет происходить в противофазе и фотоприемник зарегистрирует минимальное излучение – «темноту». Еще на воловину длины волны изменяется путь измерительного луча и в фотоприемнике опять светло, очередная половина длины волны – опять темно. И т.д. – светло-темно, светло-темно.

Таким образом при изменении Δl на λ/2 интенсивность света в фотоприемнике изменяется от максимума до минимума или наоборот. Если при перемещении отражателя сменились N раз, это означает, что деталь (суппорт) переместилась на расстояние λN/2. Число N подсчитывает электронное устройство 6. Таким образом, перемещение детали измеряется в длинах волн.

С помощью лазерных интерферометров измеряют перемещения от сотых долей мкмк до нескольких десятков метров.

На практике лазерный интерферометр обычно работает в комплекте с устройством программного управления станком. Поэтому одновременно с контролем перемещения осуществляется их автоматическая коррекция.

1 – рабочая головка (тубус); 2, 3 – каретки; 4 – зеркала; 6 – измерительные головки; 7 – разделитель; 8 - лазер; 9 – призма.

Рисунок 5.18 - Схема координатного стола с лазерным интерферометром.

На рисунке 5.18 изображена схема координатного стола с лазерным интерферометром. У такого стола на верхней каретке установлены два взаимоперпендикулярных зеркала, представляющие собой подвижные плечи интерферометров. На тубусе рабочей головки установлены два зеркала неподвижных или интерферометров.

Таким образом, интерферометры отсчитывают взаимные перемещения по двум осям верхней каретки относительно неподвижной системы координат. Зеркала могут быть изготовлены с достаточно высокой плоскостностью, укладывающейся в десятые доли мкм. В процессе эксплуатации они не изнашиваются, так что заложенные в них точности сохраняются длительное время. Для обеспечения взаимной перпендикулярности зеркал с точность до долей угловых секунд используются специальные оптические приемы. Точность работы координатного стола в значительной степени зависит от точности работы интерферометров. На точность отсчета перемещений влияют два фактора - нестабильность частоты излучения лазера и изменение длины волны излучения от колебаний окружающей температуры, давления, влажности. Проблема стабилизации частоты лазерного излучения в настоящее время почти решена, кроме того возможна коррекция погрешности за счет информации от датчиков температуры, давления, влажности с помощью ЭВМ.