PL205045B1 - Sposób pomiaru prostoliniowościruchu i układ do pomiaru prostoliniowości ruchu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru prostoliniowości ruchu i układ do pomiaru prostoliniowości ruchu, przeznaczony do badania prostoliniowości łoży maszyn, sprawdzania płaskości stołów pomiarowych, badania prostoliniowości ruchu w przestrzeni oraz do pomiarów geometrii maszyn obróbczych i pomiarowych.

Znany ze stosowania sposób pomiaru prostoliniowości ruchu polega na tym, że generuje się wiązkę światła, którą dzieli się na dwie wiązki ustawione względem siebie pod kątem mniejszym niż kąt prosty, następnie wiązki światła odbija się od zwierciadła i moduluje się częstotliwościowo, zaś zmodulowaną wiązkę światła poddaje się detekcji.

Znane układy pomiaru prostoliniowości ruchu stanowią zazwyczaj interferometry wyposażone w pryzmy Wollastona. Ukł ad pomiaru prostoliniowoś ci ruchu ma laser dwumodowy o częstotliwoś ci stabilizowanej na poziomie 0,1-0,01 ppm, z którego wiązka wyjściowa składa się z dwóch składowych spolaryzowanych liniowo, przy czym składowe są spolaryzowane względem siebie prostopadle i różnią się częstotliwością fali. Wiązka laserowa poprzez izolator optyczny i pryzmę Wollastona, dzieli ją na dwie wiązki i kieruje na dwa zwierciadła ustawione względem siebie pod odpowiednim, zależnym od zastosowanej pryzmy Wollastona, kątem i sklejonych na stabilnej termicznie, najczęściej kwarcowej, bazie. Wiązki światła laserowego odbite od zwierciadeł poprzez pryzmę Wollastona są kierowane do detektora, którego zadaniem jest detekcja zmiany częstotliwości odbitych wiązek.

Znane są też układy pomiaru prostoliniowości ruchu bez izolatora optycznego.

Znany jest również z polskiego opisu patentowego nr 197 119 układ interferometru, zwłaszcza do pomiaru przemieszczeń liniowych i kątowych. Układ ten zawiera diodę laserową dodatkowy interferometr, płytkę światłodzielącą oraz zwierciadło ruchome i nieruchome. Wiązka światła odbita w tym układzie optycznym kierowana jest przez fotodetektor do elektronicznego układu zliczającego. Dodatkowy interferometr ma elementy nieruchome względem siebie i stanowi układ dwóch płytek szklanych przedzielonych warstwą powietrza, zaś prążki interferencyjne z niego, odbierane są przez dodatkowy fotodetektor połączony poprzez układ sterujący z zasilaczem diody laserowej.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że wygenerowaną w laserze wiązkę światła, w rozdzielaczu wiązki dzieli się na dwie wiązki górną i dolną równolegle względem siebie, które na elemencie odbijającym zawraca się z przesunięciem i jednocześnie moduluje amplitudowo, po czym każdą zmodulowaną amplitudowo wiązkę światła poddaje się detekcji w układzie detekcji. Następnie w analogowym układzie różnicowym sygnał analogowy otrzymany po detekcji wiązki dolnej odejmuje się od sygnału analogowego górnego otrzymanego po detekcji wiązki górnej, a różnica ta jest miarą prostoliniowości ruchu.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że wiązka światła spolaryzowana liniowo z lasera jest kierowana poprzez rozdzielacz wiązki na element odbijający, zaś wiązki światła odbite od elementu odbijającego kierowane są do układu detekcji, a sygnały analogowe z wyjścia układu detekcji kierowane są do analogowego układu różnicowego.

Korzystnie, układ detekcji ma dwa detektory optyczne.

Korzystnie, laser stanowi laser z polaryzacją liniową o stabilizowanej amplitudzie i jest wyposażony w układ kolimatora wiązki.

Korzystnym jest również to, że wiązka światła na wejściu rozdzielacza wiązki jest kierowana poprzez zwierciadło półprzepuszczalne, pierwsze zwierciadło odbijające, etalon kąta prostego oraz drugie zwierciadło odbijające na drugie wyjście rozdzielacza wiązki, przy czym na pierwsze wyjście rozdzielacza wiązki jest kierowana wiązka ze zwierciadła półprzepuszczalnego.

Korzystnie, element odbijający jest wyposażony w dwa retroreflektory, z których każdy ma przesłonkę polaryzacyjną.

Zaletą układu do pomiaru prostoliniowości ruchu jest szeroki zakres pomiarowy oraz łatwe ustawienie toru optycznego wzdłuż mierzonej osi, przy czym zakres pomiarowy układu zależy od szerokości wiązki światła wychodzącej z układu kolimatora lasera liniowego. Układ charakteryzuje się również dużą rozdzielczością pomiaru, a doświadczenia pokazują że jest on bardzo czuły na przemieszczenie wzdłuż mierzonej osi. Ponadto układ stwarza możliwości przeprowadzenia pomiarów w nieciągłych torach optycznych, moż liwe są zatem pomiary wzajemnego usytuowania w przestrzeni zbioru punktów, ułożonych wzdłuż wiązki laserowej. Zastosowanie rozdzielacza powoduje, że układ nie reaguje, nie tylko na drgania, ale także na zmiany położenia zarówno lasera, jak też rozdzielacza

PL 205 045 B1 wiązki powstałe w wyniku nagrzewania się elementów mocujących wymienione części układu do mierzonej maszyny.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku na którym fig. 1 przedstawia układ do pomiaru prostoliniowości ruchu, fig. 2 - układ rozdzielacz wiązki, fig. 3 - element odbijający w konfiguracji umożliwiającej pomiar prostoliniowości w osi z, fig. 4 - element odbijający w konfiguracji umoż liwiającej pomiar prostoliniowoś ci w osi x, fig. 5 - przesł onka polaryzacyjna, fig. 6a - ustawienie wiązki światła na przesłonce polaryzacyjnej elementu odbijającego w położeniu zerowym, fig. 6b - ustawienie wiązki światła na przesłonce polaryzacyjnej elementu odbijającego przy wychyleniu elementu odbijającego, fig. 6c - ustawienie wiązki światła na przesłonce polaryzacyjnej elementu odbijającego przy drganiu lasera albo rozdzielacza wiązki, fig. 6d - ustawienie wiązki światła na przesłonce polaryzacyjnej elementu odbijającego przy ruchu elementu odbijającego w kierunku prostopadłym do konfiguracji pracy, a fig. 7 - schemat blokowy układu detekcji.

Sposób pomiaru prostoliniowości ruchu polega na tym, że w laserze LL z polaryzacją liniową generuje się wiązkę światła o stabilizowanej amplitudzie. W rozdzielaczu wiązki RW dzieli się ją na dwie wiązki dolną i górną równolegle względem siebie. Obie wiązki światła zawraca się z przesunięciem przy pomocy elementu odbijającego EO i jednocześnie moduluje się amplitudowo, po czym obie zmodulowane amplitudowo wiązki światła poddaje się detekcji w układzie detekcji UD. Następnie sygnał analogowy otrzymany po detekcji wiązki dolnej odejmuje się od sygnału analogowego otrzymanego po detekcji wiązki górnej, a otrzymana różnica jest miarą prostoliniowości ruchu.

Układ do pomiaru prostoliniowości ruchu, w którym wiązka światła z lasera LL, który stanowi laser LL z polaryzacją liniową o stabilizowanej amplitudzie wyposażony w układ kolimatora wiązki, kierowana jest poprzez rozdzielacz wiązki RW na element odbijający EO. Natomiast wiązka światła odbita od elementu odbijającego EO jest kierowana do układu detekcji UD. Rozdzielacz wiązki RW wykonany jest jako układ zwierciadeł ZP, ZO1, ZO2 i EK, przy czym wiązka światła na wejściu rozdzielacza wiązki WE jest kierowana poprzez zwierciadło półprzepuszczalne ZP, pierwsze zwierciadło odbijające ZO1, etalon kąta prostego EK, który zagina wiązkę pod kątem dokładnie 90° oraz drugie zwierciadło odbijające ZO2 na drugie wyjście rozdzielacza wiązki WY2, przy czym na pierwsze wyjście rozdzielacza wiązki WY2 jest kierowana wiązka ze zwierciadła półprzepuszczalnego ZP. Element odbijający EO układu, jest wyposażony w dwa retroreflektory RF, z których każdy ma przesłonkę polaryzacyjną PP, zaś odbite od elementu odbijającego EO wiązki są kierowane na wejście górnego i dolnego detektora optycznego G i D. Sygnały analogowe z wyjść obu detektorów optycznych G i D są kierowane do analogowego układu różnicowego UR.

Układ mierzy prostoliniowość ruchu wzdłuż osi x lub z. Elementem ruchomym jest element odbijający EO poruszający się w dodatnim lub ujemnym kierunku wzdłuż osi y. Pozostałe elementy układu zamocowane są na stałe do nieruchomej bazy badanej maszyny. Wiązkę światła w rozdzielaczu wiązki RW dzieli się na dwie równoległe wiązki, które po odbiciu przez element odbijający są detekowane w ukł adzie detekcji UD. Element odbijają cy EO odbija ilość ś wiatł a proporcjonalną do jego przesuni ęcia w osi x lub z. Zastosowanie rozdzielacza wiązki RW eliminuje wpływ drgań lasera i drgań samego rozdzielacza na wyniki pomiarów. Laser LL generuje wiązki światła o polaryzacji liniowej, pionowej, okrągłym kształcie przekroju wiązki o stałej średnicy na całej drodze pomiaru i dużej krótkoterminowej stabilności mocy wiązki w czasie. Na średnicę i jakość wiązki wyjściowej bezpośredni wpływ ma zastosowany w układzie lasera kolimator wiązki. Im większa średnica wiązki tym lepiej, gdyż od niej zależy bezpośrednio zakres pomiarowy. Ponadto średnicę ogranicza wielkość zastosowanych w rozdzielaczu wiązki RW i w elemencie odbijającym komponentów optycznych. Na wyjściu rozdzielacza wiązki RW występują dwie wiązki równoodległe od siebie i równoległe do wiązki wejściowej, przy czym wiązkę wejściową rozdziela zwierciadło półprzepuszczalne ZP na dwie wiązki o równych mocach. Dla przykładu, jeśli w wyniku drgań lasera LL, bądź rozdzielacza RW wiązka wejściowa przesunie się w górę o odległość a, to o tą samą odległość przesuną się wiązki wyjściowe, przy czym dolna wiązka przesunie się o wielkość przesunięcia a w górę, a górna wiązka o wielkość przesunięcia a w dół.

Przy prowadzeniu pomiaru prostoliniowości ruchu w osi x, obserwuje się ustawienia wiązki światła na przesłonkach polaryzacyjnych elementu odbijającego: w położeniu zerowym, ustawienie wiązki światła na przesłonce polaryzacyjnej elementu odbijającego przy wychyleniu elementu odbijającego w dół wynoszącym L, ustawienie wiązki światła na przesłonce polaryzacyjnej elementu odbijającego przy przesunięciu lasera albo rozdzielacza wiązki w dół wynoszącym S, ustawienie wiązki światła na przesłonce polaryzacyjnej elementu odbijającego przy ruchu elementu odbijającego w kierunku prostopadłym do konfiguracji pracy.

PL 205 045 B1

Wiązki padające na element odbijający są spolaryzowane pionowo, a ich moce wynoszą około połowy mocy sygnału lasera. W położeniu zerowym, gdy wiązki padają w środek przesłonek polaryzacyjnych PP, obie są osłabiane w identycznym stopniu. Należy zwrócić uwagę, iż wiązka przechodzi tylko przez część przesłonki spolaryzowaną pionowo, natomiast polaryzator poziomy stanowi dla wiązki spolaryzowanej pionowo przeszkodę nieprzezroczystą. Aby zmniejszyć wpływ oświetlenia zewnętrznego na jakość pomiaru, pasmo optyczne na które reagują detektory G i D powinno być silnie ograniczone filtrem optycznym.

Claims (6)

1. Sposób pomiaru prostoliniowości ruchu, w którym generuje się wiązkę światła, dzieli się ją na dwie wiązki i moduluje, a zmodulowaną wiązkę światła poddaje się detekcji, znamienny tym, że wygenerowaną w laserze (LL) wiązkę światła w rozdzielaczu wiązki (RW), dzieli się na dwie wiązki górną i dolną równolegle wzglę dem siebie, które na elemencie odbijają cym (EO) zawraca się z przesunięciem i jednocześnie moduluje się amplitudowo, po czym każdą zmodulowaną amplitudowo wiązkę światła poddaje się detekcji w układzie detekcji (UD), następnie w analogowym układzie różnicowym (UR) sygnał analogowy otrzymany po detekcji wiązki dolnej odejmuje się od sygnału analogowego górnego otrzymanego po detekcji wiązki górnej, a różnica ta jest miarą prostoliniowości ruchu.

2. Układ do pomiaru prostoliniowości ruchu, w którym wiązka światła z lasera jest kierowana do rozdzielacza wiązki, a wyjściowa wiązka jest kierowana do detektora, znamienny tym, że wiązka światła spolaryzowana liniowo z lasera (LL) jest kierowana poprzez rozdzielacz wiązki (RW) na element odbijający (EO), zaś wiązki światła odbite od elementu odbijającego (EO) kierowane są do układu detekcji (UD), a sygnały analogowe z wyjścia układu detekcji (UD) kierowane są do analogowego układu różnicowego (UR).

3. Układ, według zastrz. 2, znamienny tym, że układ detekcji (UD) ma dwa detektory optyczne (G, D).

4. Układ, według zastrz. 2, znamienny tym, że laser (LL) stanowi laser z polaryzacją liniową o stabilizowanej amplitudzie i jest wyposażony w układ kolimatora wiązki.

5. Układ, według zastrz. 2, znamienny tym, że wiązka światła na wejściu rozdzielacza wiązki (WE) jest kierowana poprzez zwierciadło półprzepuszczalne (ZP), pierwsze zwierciadło odbijające (ZO1), etalon kąta prostego (EK) oraz drugie zwierciadło odbijające (ZO2) na drugie wyjście rozdzielacza wiązki (WY2), przy czym na pierwsze wyjście rozdzielacza wiązki (WY1) jest kierowana wiązka ze zwierciadła półprzepuszczalnego (ZP).

6. Układ, według zastrz. 2, znamienny tym, że element odbijający (EO) jest wyposażony w dwa retroreflektory (RF), z których każdy ma przesłonkę polaryzacyjną (PP).