ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
LINEAR DISPLACEMENT TRANSDUCER

Изобретение относится к прецизионной измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях: метрологии, приборостроении в отсчетных системах измерительных приборов, координатно-измерительных машинах и прецизионных станков, аэрокосмической промышленности, при обработке материалов, автоматизации, в робототехнике, в оптико-механической промышленности, а также во всех высокотехнологических отраслях техники, науки и т.п.
Датчик линейных перемещений (ДЛП) - это устройство, содержащее две дифракционные решетки, из которых одна измерительная (Изм. Р.), жестко связанная с направляющей, а другая - индикаторная (Инд. Р.), каретку, содержащую источник излучения и матрицу фотоприемников для считывания информации при перемещении одной из решеток по направляющим. Каретка содержит средства для перемещения по направляющей, которые отслеживают ее поверхность. Отклонение от линейности поверхности направляющей вносит погрешность в величину перемещения, поэтому направляющая должна быть такой же точности обработки, которая соизмерима с точностью ДЛП.
К современным ДЛП предъявляются определенные требования:
- высокая точность, которая связана с точностью Изм. Р. высокоточными направляющими, по которым перемещается Изм. Р., причем чем выше частота решеток, тем выше требования к точности их изготовления;
- высокая скорость считывания информации;
- надежность и др.
Направляющая может быть:
1. - внешнего устройства, к примеру, микроскопа (УИМ-21, УИМ- 23, ДИП), станка, и т.д., к которым присоединяется датчик [1] (А.П. Комар и др. Полуавтоматическая установка для обмера голографических установок. Сборник трудов. Л., ч.1, 79-84, 1969);
2. - внутренняя, к примеру, специально механическим способом обработанная какая-то внутренняя поверхность корпуса датчика [2] (Патент РФ №2032142);
3. - автономная - жестко связанная с измерительной решеткой и относящаяся к самому датчику [3] (Патент РФ №2197713).
Несмотря на то что ДЛП по пп.2 и 3 конструктивно развязан с внешним устройством, и, следовательно, с его направляющей, точность ДЛП по прежнему будет зависеть от вновь введенной направляющей, в том числе от направляющей, жестко связанной с Изм. Р. [3] (Патент РФ №2197713). В этом конкретном случае используется высокоточная направляющая из Борского стекла, полученного на расплаве олова (линейность такой направляющей задается линейностью поверхности расплавленного олова с радиусом кривизны, равной радиусу Земли) и отклонением от линейности порядка 1,7 мкм/500 мм. У таких направляющих точность достаточно высокая и отсутствует необходимость механической обработки ее рабочей поверхности. Тем не менее, даже такая точность направляющей не удовлетворяет растущие потребности к точности ДЛП в области нанометров (сотые и тысячные доли микрона).
Высокопрецизионные направляющие порядка 1 мкм/м, такие, которые соответствовали бы точности ДЛП на дифракционных решетках с высокой частотой 1000 лин/мм и выше, очень сложны в изготовлении, а точнее, достигнуть реально эту величину при больших размерах длин и перемещений (метра и более), практически невозможно. Если же речь идет о точности датчика в нанообласти, что соответствует требованиям науки и технологии в наше время, то пока это не реализуемо.
Поэтому вопрос стоит не о создании ультрапрецизионных направляющих, а о создании устройств ДЛП, позволяющих исключить влияние направляющих на величину перемещения.
Решение этого вопроса очень важно, особенно при серийном производстве ДЛП, которое необходимо науке и промышленности, поскольку на каждом измерительном приборе, микроскопе, станке, и т.д., обязательно присутствуют измерительные системы. Это приводит не только к улучшению характеристик самого ДЛП, но и к экономической выгоде, т.к. каждая точно изготовленная деталь увеличивает срок службы любого изделия, в которое она встраивается. Более того, в настоящее время уже перешли к созданию ультрапрецизионных станков, в которых обязательно должны присутствовать измерительные системы линейные или радиальные с наноразрешением.
Таким образом, можно рассматривать только два варианта:
1 - вариант: необходимо найти способ для уменьшения отклонения от линейности поверхности направляющей и создания ультралинейных направляющих с отклонением микрона и менее на метр, что сейчас практически невозможно;
2 - вариант: создать такую конструкцию ДЛП, чтобы исключить влияние направляющей на точность датчика, что является целью предлагаемого изобретения.
Известно устройство [4] (АС №242413), содержащее большую измерительную решетку и малую индикаторную дифракционную решетку (Изм. Р. и Инд. Р.), каретку, содержащую источник света и фотоприемное устройство в виде матрицы фототранзисторов, причем для повышения надежности и упрощения конструкции фототранзисторы размещены в поворотном барабане, в углах параллелограмма, стороны которого описываются линиями, соединяющими центры пересечения осей фототранзисторов, причем расстояние между указанными осями равно четверти ширины малой дифракционной решетки, что обеспечивает сдвиг по фазе на 90° между сигналами фототранзисторов.
Устройство работает следующим образом. После прохождения света двух согласованных по частоте решеток, на их выходе формируются интерференционные полосы, которые смещаются в поле фототранзисторов синхронно с перемещением измерительной решетки. Фототранзисторы, размещенные в поворотном барабане в углах параллелограмма и обеспечивающие сдвиг по фазе на 90° между сигналами, преобразуют интенсивность интерференционных полос в электрический сигнал, однозначно характеризующий измеряемое перемещение.
Это устройство, несмотря на то что упрощается конструкция, обладает недостатками, связанными с тем, что фототранзисторы расположены таким образом, что они измеряют не только полезный сигнал, связанный с перемещением Изм. Р., но и сигнал, обусловленный перемещением этой решетки по неточным направляющим. Таким образом, это устройство не позволяет устранить ошибки, связанные с погрешностями измерений, внесенными перемещением одной из решеток по неточным направляющим. Кроме того, при таком расположении фототранзисторы не одинаково освещены источником света, что приводит к разным отношениям сигнал/шум, а следовательно, и к разным значениям вероятности ошибки при измерениях.
Известно техническое решение [5] (Патент РФ №2426972), содержащее измерительную дифракционную решетку, считывающую головку, включающую источник излучения, коллиматор, индикаторную решетку, матрицу фотоприемников, две группы опорных подшипников, жестко связанных с индикаторной решеткой, для перемещения считывающей головки относительно измерительной решетки и две группы магнитов и стеклянную направляющую.
Устройство работает следующим образом. При перемещении считывающей головки во время определения линейных размеров объекта индикаторная решетка смещается относительно измерительной дифракционной решетки.
Пучок излучения, генерируемый источником излучения и формируемый коллиматором, проходит через индикаторную и измерительную дифракционную решетки. В поле интерференционных полос, образующихся за решетками, устанавливается матрица фотоприемников, которая преобразует распределение интенсивности интерференционных полос в электрические сигналы. При смещении считывающей головки во время определения линейного размера объекта, индикаторная решетка смещается относительно измерительной дифракционной решетки и на выходах матрицы фотоприемников формируются переменные электрические сигналы, сдвинутые по фазе на 90°. Эти сигналы поступают затем в блок электроники и с помощью компаратора создаются счетные импульсы, по которым определяется линейный размер объекта. Однако данное устройство обладает недостатками, и они связаны с тем, что его точность зависит уже от своей собственной, автономной направляющей. Эта направляющая не несет на себе нагрузку других внешних узлов, как внешняя направляющая, в том числе и тяжелых и сложных (как в случае станков) и может быть изготовлена более легкой и более точной. Однако даже в этом случае, поскольку направляющая изготавливается механическим путем, то ей также присущи недостатки, связанные с неточностью ее изготовления и приводящие к погрешностям, влияющим на точность ДЛП. Поскольку к считывающей головке прикреплены подшипники, находящиеся в непосредственном контакте с поверхностью собственной направляющей, то они во время перемещения полностью отслеживают дефекты, связанные с ее нелинейностью, и вносят погрешность в точность ДЛП при считывания перемещения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство [6] (АС №1206609), по сути представляющее собой ДЛП для измерения перемещений и длин объектов, содержащее направляющую, измерительную дифракционную решетку (Изм. Р.), жестко связанную с направляющей, каретку с установленными на ней узлом излучателя, оправу с индикаторной дифракционной решеткой с возможностью перемещения вдоль поверхности измерительной дифракционной решетки и средствами для поворота индикаторной дифракционной решетки вокруг трех взаимно перпендикулярных осей и для ее поступательного перемещения в направлении, перпендикулярном к плоскости измерительной дифракционной решетки и фотоприемника. Средства для поворота индикаторной решетки обеспечивают муаровое и нониусное сопряжение.
Устройство работает следующим образом. После настройки штрихов решеток параллельно друг относительно друга с помощью оправы, содержащей средства для поворота штрихов Инд. Р.относительно штрихов Изм. Р. и получения муарового сопряжения (муаровые полосы в первом приближении перпендикулярны направлению штрихов решеток и желательно получать их как можно шире), а также после настройки Инд. Р. с целью получения соответствующего нониусного сопряжения (нониусные полосы параллельно штрихам решеток) и создания необходимого постоянного зазора между решетками в ходе всего диапазона перемещений, устройство готово к работе. Коллимированный свет, генерируемый источником излучения, жестко связанным с кареткой, падает на индикаторную и измерительную решетки. В поле интерференционных полос, образующихся за решетками, устанавливается фотоприемник. При определении линейного размера объекта Инд. Р. смещается относительно измерительной и на выходе фотоприемника формируются переменные электрические сигналы, сдвинутые по фазе на 90°. Эти сигналы поступают затем в блок электроники, где с помощью компаратора формируются счетные импульсы, по которым определяется линейный размер объекта или перемещения. Снабжение данного устройства средствами для поворота и перемещения индикаторной решетки позволяет повысить точность измерений за счет уменьшения погрешности, обусловленной лучшей фиксацией элементов устройства, приводящей к меньшим разбросам параметров устройства, к увеличению контраста интерференционного поля и уменьшения искажения формы интерференционных полос, в поле которых устанавливается фотоприемник.
Устройство обладает следующими недостатками: несмотря на то что оно содержит узлы, необходимые для первоначальной настройки взаимного параллельного расположения штрихов двух решеток - Изм. Р. и Инд. Р. - это устройство не позволяет устранить ошибки, связанные с погрешностями измерений, внесенными перемещением одной из решеток по неточным направляющим ДЛП или внешнего устройства, к которому каретка прикрепляется. При перемещении по неточным направляющим установленный первоначально период муаровых полос не сохраняется, так как оправа с фиксированной в ней индикаторной решеткой будет повторять неровность направляющей, что обязательно приведет к изменению угла ее штрихов относительно штрихов Изм. Р. и, соответственно, к переменному периоду муаровых полос, а это, в свою очередь, приведет к погрешности при считывании перемещения. Поэтому данное устройство не может быть использовано при измерении перемещений с высоким, а тем более ультравысоким разрешением.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка датчика линейных перемещений, конструктивные характеристики которого позволяют не только уменьшить, но и исключить погрешность, вносимую направляющей, обладающей нелинейностью в направлении перемещения.
Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом устройстве ДЛП, содержащем направляющую, измерительную дифракционную решетку, жестко связанную с направляющей, каретку с установленными на ней узлом излучателя, оправой с индикаторной дифракционной решеткой с возможностью перемещения вдоль поверхности измерительной дифракционной решетки и средствами для поворота индикаторной решетки вокруг трех взаимно перпендикулярных осей и для ее поступательного перемещения в направлении, перпендикулярном к плоскости измерительной дифракционной решетки и фотоприемника новым является то, что в каретке за измерительной решеткой по другую сторону от источника излучения дополнительно введена оправа, жестко связанная с кареткой, содержащая узел фотоприемников в количестве не менее двух, причем фотоприемники расположены на линии, параллельной оси измерительной решетки и перпендикулярной биссектрисе углов между штрихами измерительной и индикаторной решеток, и дополнительная оправа снабжена средствами для поворота узла фотоприемников в виде штифта и двух регулирующих винтов относительно оси измерительной дифракционной решетки и перпендикуляра к биссектрисе углов между штрихам измерительной и индикаторной решеток, причем штифт расположен на линии, на которой установлены фотоприемники с одной их стороны, а два независимо регулирующих винта расположены на одной прямой, перпендикулярной линии, на которой расположены фотоприемники, и симметрично относительно ее, с другой стороны и оправы закреплены в каретке независимо друг от друга.
Н
М
На фиг.1 показано взаимное расположение нониусных и муаровых полос, где каждая синусоида соответствует периоду штриха Изм. Р., а также расположению ФП и разности фаз Δφ в поле нониусных полос (ось ОХ) и разности фаз Δφ в поле муаровых полос (ось OY).
На фиг.2 изображен конкретный пример конструктивного решения предлагаемого устройства датчика линейных перемещений (ДЛП) для измерения линейных размеров объектов и линейных перемещений. Устройство содержит: направляющую 1, измерительную дифракционную решетку 2, жестко связанную с направляющей 1, каретку 3 с оправой 4 и установленными в ней узлами излучателя 5, зеркало 6 и индикаторной решеткой 7. В каретке 3 за измерительной решеткой, по другую сторону источника излучения, установлена дополнительная оправа 8, в которой расположен узел 9 с фотоприемниками (ФП) 10 и средства для поворота узла фотоприемников: штифт 11 и два регулирующих винта 12 и 13. Устройство работает следующим образом.
Собирается ДЛП согласно фиг.2. Коллимированный свет, генерируемый источником излучения 5, жестко связанным с оправой 4, падает на индикаторную 7 и измерительную 2 решетки. С помощью средств для поворота индикаторной решетки оправы 4 настраивается интерференционное поле за решетками. Первоначально можно выбирать любой период муаровой полосы (вплоть до бесконечной ширины d=∞) с помощью оправы 4 устройства ДЛП, обладающей средствами для поворота индикаторной дифракционной решетки вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, и тем самым установить штрихи двух решеток Изм. Р. и Инд. Р. параллельно друг друга, т.е., позволяющей настроиться на разные периоды, в том числе и бесконечный. Выбираем бесконечный период муаровых полос (при этом угол между штрихами двух решеток практически равняется нулю), а интерференционное поле за решетками будет темным или светлым. После полной настройки ДЛП точность, с которой настраивается бесконечная муаровая полоса, не будет иметь никакого значения, так как исчезнет вообще зависимость ДЛП от периода муаровой полосы. Далее с помощью соответствующих средств оправы 4 настраиваются также и нониусные (параллельные штрихам измерительной решетки) полосы. Нониусные полосы настраиваются определенным образом, чтобы при их попадании в апертуре ФП-ов 10 можно было обеспечить следующие сдвиги фаз на ФП: ΔФnАВ=90°; ΔФnСD=90°; ΔФnАС=180°; ΔФnВD=180° (фиг.1). Далее, каретка 3 с индикаторной решеткой 7 перемещается вдоль направляющей на всю длину необходимого перемещения. При этом, поскольку каретка 3 вместе с индикаторной решеткой 7, жестко с ней связанной, будет отслеживать отклонение от линейности (неровности) направляющей, приводящее к изменению угла между штрихами решеток, будет наблюдаться изменение периода муаровых полос, которые из бесконечной величины перейдут в конечную величину. Причем, чем хуже качество направляющих, тем больше их отклонение от линейности, тем больше будет частота муаровых полос и тем меньше величина их периода. Период этих полос запоминается, так как это будет необходимо при настройке ФП на линии, параллельной оси Изм. Р. и муаровым полосам с помощью дополнительного устройства - голографического интерферометра (ГИ). Каретка 3 возвращается в первоначальное состояние, снимается с нее оправа со средствами для поворота индикаторной решетки и ДЛП с кареткой 3 и измерительной решеткой 2 устанавливается в выходной апертуре двухлучевого голографического интерферометра (ГИ) [7] (Патент РФ №1052095), где установлена каретка (ГИ) 31, имеющая возможность поворота в плоскости штрихов измерительной решетки. Это устройство (ГИ) используется для настройки фотоприемников ДЛП по следующим причинам: - устройство ГИ может заменить на время настройки ДЛП оправу 4 с установленными в ней узлами излучателя 5, зеркала 6 и индикаторной решеткой 7, а также средства для поворота индикаторной дифракционной решетки вокруг трех взаимно перпендикулярных осей и для ее поступательного перемещения в направлении, перпендикулярном к плоскости измерительной дифракционной решетки. Вместо излучателя ДЛП используется лазер интерферометра, вместо Инд. Р. используется интерференционное поле интерферометра, в выходной апертуре которого имеются интерференционные линии, пересекающие тот же участок Изм. Р., который ранее взаимодействовал с дифрагирующими лучами от Инд. Р. Вместо средств для поворота Инд. Р. в ДЛП используются идентичные средства подвижной каретки ГИ. Таким образом, оправа 4 ДЛП полностью заменена на ГИ, при этом каретка 3 ДЛП жестко закреплена с кареткой 31 ГИ. Кроме того, для получения необходимого, вышеуказанного периода нониусных полос, соответствующих указанных ΔФn для считывания перемещения, ГИ имеет возможность менять частоту своих интерференционных линий для правильного сопряжения со штрихами Изм. Р. датчика;
- устройство ГИ имеет рекордное разрешение порядка 2,6 нанометра и, потому, ФП, расположенные за измерительной решеткой, по другую сторону от источника излучения, в выходной апертуре ГИ могут регистрировать Δφ с такой же высокой точностью, которой обладает ГИ (2,6 нм), благодаря динамической модуляции светового потока в одном из плеч ГИ.
Выше указанные обстоятельства позволяют в дальнейшем осуществлять поворот линии, на которой установлены ФП 10 ДЛП с высокой точностью.
Точность ДЛП зависит от совпадения этой линии с осью Изм. Р. и направлению перемещения, совпадающей с осью ОХ, что и достигается в предлагаемом изобретении.
М
n
М
МА'В'
МС'D'
МА'С'
МВ'D'
Настройка осуществляется в статическом режиме, т.е. без перемещения вдоль оси Изм. Р. и начинается с того, что поворачивают каретку 31 ГИ в плоскости расположения штрихов Изм. Р. и линий ГИ, изменяя угол между ними до получения наименьшего периода муаровых полос, ранее найденного и запомненного и, соответствующего наибольшего отклонения от линейности направляющей ДЛП во время перемещения каретки 3 ДЛП по его направляющей. При изменении угла между штрихами Изм. Р. и линиями интерференционного поля ГИ можно наблюдать изменения значений ΔФn, что связано с зависимостью ΔФn от ΔФ, иначе говоря, это связано с зависимостью величины перемещения, как функции ΔФ от точности изготовления направляющих. После этого поворачивают узел дополнительной оправы 8, содержащей штифт 11 и винты 12 и 13 таким образом, чтобы восстановить первоначальные значения разности фаз ΔФn: ΔФnАВ=90°; ΔФnСD=90°; ΔФnАС=180° и ΔФnВD=180°. Именно эти значения ΔФn правильно определяют величину перемещения ДЛП. Повторяется эта процедура несколько раз для проверки постоянства значений разности фаз ΔФn и уточнения положения ФП, после чего узел с ФП фиксируется винтами 12 и 13. Если значения ΔФn остаются неизменными (постоянными) при разных периодах муаровых полос, макетируемых при повороте каретки 31 ГИ, это позволяет сделать вывод, что ΔФn=const., а ΔФ=0 в любой паре ФП: ΔФ=0, ΔФ=0, ΔФ=0, ΔФ=0, вне зависимости от периода муаровых полос и, тем самым, это позволяет сделать вывод об исключении влияния качества направляющих на точность ДЛП. На фиг.1 видно, что при соответствующем повороте узла с ФП проекция на ось OY линии, на которой установлены ФП, превращается в точку и ΔФм=0. После настройки узла с ФП на ГИ, ДЛП открепляется от каретки 31 ГИ, к нему прикрепляется оправа 4 со своими узлами 5, 6 и индикаторной решеткой 7.
Для удобства, в начале работы датчика первоначально устанавливаются бесконечные муаровые полосы. В дальнейшем ФП сохраняют свои значения ΔФn с большой точностью на протяжении всего перемещения ДЛП. После этого ДЛП готов к работе.
Таким образом, данное устройство ДЛП обеспечивает высокоточную работоспособность датчика во время линейного перемещения на всем протяжении его измерения, независимо от качества направляющего устройства ДЛП и позволяет:
- повысить точность при измерении перемещения с помощью ДЛП,
- осуществить перемещение Изм. Р. по неточным направляющим, не теряя точность ДЛП,
- получить экономическую выгоду от изготовления с помощью ДЛП более точных деталей, изделий, увеличивая их ресурс или при измерениях истинных значений длин или перемещений, независимо от недостатков устройств (неточных направляющих), к которым они пристроены.
Литература
/1/ - Полуавтоматическая установка для обмера топографических установок, Сборник трудов, Л., часть I, 79-84, 1969. А.П. Комар, А.Ф. Найденков, М.В. Стабников, Б.Г. Турухано, Н. Турухано.
/2/ - Измерительная микрометрическая головка «ТУ БОР». Патент РФ №2032142, пр. 19.03.1992. Турухано Б.Г., Турухано Н., Якутович В.Н.
/3/ - Датчик линейных перемещений. Б.Г. Турухано, Н. Турухано. Патент РФ №2197713, пр. 07.08.2000 г.
/4/ - Приемная головка датчика перемещения. В.В. Добырн, М.В. Стабников, Б.Г. Турухано. АС СССР №242413. Пр. от 26.ХII. 1967 г.
/5/ - Датчик линейных перемещений. Патент, №2426972, пр. 05.08.2009 г. Турухано Б.Г., Добырн. В.В., Турухано Н., Кормин В.Е.
/6/ - Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений. Беккерман И.Б., Дорощук В.С., Кивензор Г.Я., Кивензор Л.А., Турухано Б.Г., Турухано Н., Яценко Э.К. АС СССР №1206609, пр. от 13 апреля 1984 г.
/7/ Устройства для синтеза длинных топографических дифракционных решеток. Турухано Б.Г., Горелик В.П., Турухано Н., Гордеев С.В. Патент РФ №1052095 от 10.10 1995 г. пр. 05.07.1982 г.