Principales productos de la tecnología de rejillas

De acuerdo con los diferentes principios de formación de franjas Moiré, los láseres se pueden dividir en rejillas geométricas (rejillas de amplitud) y rejillas de difracción (rejillas de fase). También se pueden dividir en rejillas de transmisión y rejillas de reflexión según diferentes. caminos ópticos. Las mediciones de rejillas micrométricas y submicrónicas utilizan rejillas geométricas. El paso de la rejilla es de 100 μm a 20 μm, que es mucho mayor que la longitud de onda de la fuente de luz. El fenómeno de difracción se puede ignorar cuando las dos rejillas se mueven entre sí. -Se produce un fenómeno de latido de frecuencia para formar franjas de Moiré. El principio de medición se llama principio de imagen. La medición de rejilla a nanoescala utiliza una rejilla de difracción. El paso de la rejilla es de 8 μm o 4 μm. El ancho de la línea de la rejilla está muy cerca de la longitud de onda de la luz, lo que provoca que los fenómenos de difracción e interferencia formen franjas de Moiré. El principio de interferencia. Ahora presentaremos los tres principios de medición adoptados por los productos de Heidenhain Company en Alemania.

(1) Principio de medición de imagen con escaneo de cuatro campos (método de transmisión)

El sistema óptico de incidencia vertical es un sistema de señal de 4 fases, que indicará la rejilla (máscara de escaneo ) La apertura de cuatro ventanas se divide en 4 fases, y las líneas de rejilla de cada fase se desplazan secuencialmente en 1/4 del paso de la rejilla. La señal ideal de 4 fases se puede obtener en los cuatro elementos fotoeléctricos recibidos. Principio de medición con escaneo de cuatro campos. Todos los productos de la serie LS de Heidenhain adoptan este principio. El paso de la rejilla es de 20 μm, el paso de medición es de 0,5 μm, la precisión es de ±10, ±5, ±3 μm, la longitud máxima de medición es de 3 m y el soporte es de vidrio.

(2) Principio de medición de imagen con escaneo de campo casi único (método de reflexión)

La rejilla de escala de reflexión es una tira de acero con un paso de 40 μm, que se utiliza para indicar la rejilla ( máscara de escaneo) Consta de dos rejillas de fase intercaladas con diferentes propiedades de difracción. Por esta razón, un campo de escaneo puede producir cuatro imágenes con un desplazamiento de fase de 1/4 del paso de la rejilla. Este principio se llama principio de medición de imágenes de cuasi-. escaneo de un solo campo. Dado que sólo se utiliza un campo de escaneo, la contaminación local de la rejilla de escala hace que el cambio de intensidad del campo de luz sea uniforme y tiene el mismo impacto en los cuatro elementos receptores fotoeléctricos, por lo que no afectará la calidad de la señal de la rejilla. Al mismo tiempo, las brechas y las variaciones de brechas de la rejilla de indicadores y de la rejilla de escala pueden ser mayores. Las rejillas metálicas reflectantes de las series LB y LIDA de Heidenhain siguen este principio. Las rejillas abiertas de la serie LIDA tienen pasos de rejilla de 40 μm y 20 μm, un paso de medición de 0,1 μm, una precisión de ±5 μm, ±3 μm, una longitud de medición de hasta 30 m y una velocidad máxima de 480 m/min. El paso de rejilla de las rejillas cerradas de la serie LB es de 40 μm y la velocidad máxima puede alcanzar 120 m/min.

(3) Principio de interferometría del escaneo de campo único

Para una rejilla con un paso de rejilla muy pequeño, la rejilla indicadora es una rejilla de fase transparente y la rejilla de escala es una rejilla autoadhesiva. -rejilla de fase reflectante. El haz se difracta mediante rejillas dobles. Los haces en cada nivel interfieren entre sí, formando franjas de Moiré. Las franjas de interferencia de los grupos de nivel 1 y -1 son franjas de onda fundamentales. La franja de onda está relacionada con el tono de la rejilla. Corresponde a la sincronización. La modulación de la luz produce tres señales de medición con una diferencia de fase de 120°, que son recibidas por tres elementos fotoeléctricos y luego convertidas en una señal sinusoidal universal con una diferencia de fase de 90°. Las reglas de rejilla de las series LF, LIP y LIF de Heidenhain funcionan según el principio de interferencia. Los soportes de sus reglas de rejilla incluyen placas de acero, tiras de acero, vidrio y vitrocerámica. Todas estas series de productos son de nivel submicrónico y nanométrico. resolución mínima que alcanza 1 nanómetro.

A finales de la década de 1980, la rejilla de transmisión LID351 con un paso de rejilla de 10 μm (resolución 0,05 μm) tenía un requisito de espacio relativamente estricto (0,1 ± 0,015) mm. Debido a la adopción del nuevo principio de medición de interferencia, la tolerancia de instalación de las rejillas de difracción a nanoescala es relativamente amplia. Por ejemplo, la brecha y el paralelismo entre la rejilla indicadora y la rejilla de escala son muy amplios (consulte la Tabla 1).

Tabla 1 Brecha y paralelismo entre rejilla de indicador y rejilla de escala

Modelo de rejilla - período de señal (μm) - resolución (nm) - brecha (mm) - paralelismo (mm)

LIP372-0.218-1-0.3-±0.02

LIP471-2-5-0.6-±0.02

LIP571-4-50- 0.5-±0.06

Solo el paso de la rejilla de difracción LIP372 es de 0,512 μm. Después de duplicar la frecuencia óptica, el período de la señal es de 0,128 μm. μm El período de la señal es de 4 μm y 2 μm, su resolución es de 5 nm y 50 nm, la precisión del sistema es de ±0,5 μm y ±1 μm y la velocidad es de 30 m/min. El paso de rejilla de la serie LIF es de 8 μm, la resolución es de 0,1 μm, la precisión es de ±1 μm y la velocidad es de 72 m/min. El soporte es vitrocerámica con un coeficiente de temperatura cercano a cero o vidrio con un coeficiente de temperatura de 8 ppm/K. La rejilla de difracción serie LF es una escala de rejilla cerrada con un paso de rejilla de 8 μm, un período de señal de 4 μm, una resolución de medición de 0,1 μm, una precisión del sistema de ±3 μm y ±2 μm, una velocidad máxima de 60 m/min, una medición de 3 m de longitud y un soporte de acero de vidrio con el mismo coeficiente de expansión que el acero (10 ppm/K).

Varias cuestiones clave en el sistema de medición de rejilla

(1) Precisión de la medición (precisión)

La precisión de la medición del sensor de desplazamiento de la línea de rejilla depende primero de la calidad de la división de la rejilla de escala y la calidad del escaneo de la rejilla del indicador (los bordes claros de las líneas de la rejilla son cruciales), seguido de la calidad del circuito de procesamiento de señal y el error de la guía de la rejilla del indicador a lo largo de la rejilla de escala. Lo que influye en la precisión de la medición de la rejilla es la desviación de posición a lo largo de toda la longitud de medición de la rejilla y la desviación de posición dentro de un período de señal de la rejilla.

La exactitud (precisión) de la regla de rejilla se expresa mediante el nivel de precisión. Heidenhain la define como: el valor máximo Fmax de la desviación de posición basado en el valor promedio dentro de cualquier sección de longitud de medición de 1 m está dentro de ±. Dentro de a (μm), entonces ±a es el nivel de precisión. Los niveles de precisión de Heidenhain se dividen en: ±0,1, ±0,2, ±0,5, ±1, ±2, ±3, ±5, ±10 y ±15μm. Se puede observar que el nivel de precisión de la regla de rejilla de Heidenhain no tiene nada que ver con la longitud de medición. Este es un requisito muy alto actualmente, ningún fabricante puede alcanzar este nivel.

Actualmente, los pasos de las rejillas de transmisión de vidrio de Heidenhain y las rejillas de reflexión metálicas son de solo 20 μm y 40 μm, y los pasos de las rejillas de difracción son de 4 μm y 8 μm. Los períodos de la señal después de duplicar la frecuencia óptica son de 2 μm y 4 μm. . Heidenhain requiere que la desviación de posición de un período de señal de una rejilla abierta sea solo ±1, y la de una rejilla cerrada sea solo ±2. El período de señal de la rejilla y la desviación de posición se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2 Período de señal de rejilla y desviación de posición

Categoría de rejilla - período de señal (μm) - desviación de posición dentro de un período de señal (μm)

Rejilla -20 y 40 - escala de rejilla abierta ±1, es decir, ±0,2 ~ ±0,4 escala de rejilla cerrada ±2, es decir, ±0,4 ~ ±0,8

Rejilla de difracción - 2 y 4 - escala de rejilla abierta ± 1, es decir, ±0,02～±0,04; escala de rejilla cerrada ±2, es decir, ±0,02～±0,08

(2) Procesamiento de señales y subdivisión del tono de la rejilla

Rejilla La medición es una combinación de medición absoluta dentro de un período y medición incremental fuera del período. Es decir, la medición absoluta se realiza después de que el paso de la rejilla se subdivide dentro de un período, para rangos que exceden el período, se utiliza la medición continua. Para garantizar la precisión de la medición, además de los requisitos para la calidad del trazado y la precisión del movimiento de la rejilla, también deben existir ciertos requisitos para la calidad de la señal de franja muaré de la rejilla, porque esto afecta la precisión de la medición electrónica. subdivisión, es decir, afecta la medición de la rejilla El número de subdivisión de la señal (número de multiplicación de frecuencia) y la resolución de la medición (distancia de paso de medición). La subdivisión y precisión del paso de la rejilla también afectan la precisión y el paso de medición del sistema de medición de la rejilla.

Los principales requisitos para la calidad de las señales marginales de Moiré son que las propiedades sinusoidales y ortogonales de la señal deben ser buenas; la deriva del nivel de CC de la señal debe ser pequeña; El circuito de conversión fotoeléctrica en el cabezal de lectura y el circuito de interpolación digital posterior requieren buenas características de frecuencia para garantizar una alta velocidad de medición.

Heidenhain Company diseñó especialmente un multiplicador de frecuencia de rejilla para la conexión entre sensores de rejilla y crcs. La señal sinusoidal emitida por el sensor de rejilla (un ciclo es un paso de rejilla) se interpola y digitaliza para dar la diferencia de fase. Para una onda cuadrada de 90°, sus subdivisiones (multiplicadores) son 5, 10, 25, 50, 100, 200 y 400. Teniendo en cuenta el multiplicador 4 del sistema CNC, las subdivisiones del paso de la rejilla son 20 y 40. 100, 200, 400, 800 y 1600, que pueden realizar el paso de medición de 1 nm a 5 μm. La selección del número de multiplicación de frecuencia depende de la calidad de un período de tono de la señal de rejilla. A medida que aumenta el multiplicador de frecuencia, la frecuencia de salida del sensor de rejilla disminuye. La relación entre la subdivisión del multiplicador de frecuencia y la frecuencia de entrada se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3 Subdivisión del multiplicador y frecuencia de entrada

Subdivisión de duplicación: 0-2-10-25-50-100-200-400

Frecuencia de entrada (KHz): 600-500-200-100-50-25-12.5-6.25

Seleccione diferentes multiplicadores de frecuencia para obtener diferentes pasos de medición. Se pueden configurar hasta 15 multiplicadores en la pantalla digital de Heidenhain, y la frecuencia más alta puede alcanzar 1024, es decir, 1, 2, 4, 5, 10, 20, 40, 50, 64, 80, 100, 128, 200, 400, 1024. El multiplicador máximo de tarjetas gráficas digitales utilizadas en microcomputadoras puede llegar a 4096.

(3) Marcas de parámetros y coordenadas absolutas de la rejilla

①Establecimiento de la posición absoluta de la rejilla

La rejilla es una medida incremental, y la absoluta La posición de la regla de rejilla se mide utilizando la marca de referencia (posición cero). La anchura de la señal de la marca de referencia es coherente con el período de señal de un paso de rejilla de la rejilla. Después del procesamiento del circuito posterior, la anchura del impulso de la señal de referencia es coherente con un paso de medición del sistema. Para acortar la distancia hasta la posición cero, Heidenhain diseñó marcas de referencia codificadas por distancia dentro de toda la longitud de medición. La posición absoluta de la escala de rejilla se puede determinar cada vez después de pasar dos marcas de referencia, como por ejemplo rejillas con paso de rejilla. 4 μm y 20 μm. La posición absoluta se puede determinar después de que la unidad de escaneo de escala se mueva 20 mm con respecto a la escala. Una escala de rejilla con un paso de rejilla de 40 μm necesita moverse 80 mm para determinar la posición absoluta.

②Sensor de coordenadas absolutas

Para medir la posición absoluta en cualquier momento, Heidenhain diseñó y fabricó la regla de rejilla absoluta de la serie LC, que utiliza siete pistas de código incrementales para obtener la posición absoluta. Cada pista de código es diferente. Hay dos pasos de rejilla para la pista de código más fina, uno de 16 μm y el otro de 20 μm. La resolución puede ser de 0,1 μm, la precisión es de ±3 μm y la longitud de medición puede ser de hasta 3 m. velocidad máxima 120m/min. El principio de escaneo fotoeléctrico que adopta es el mismo que el de la rejilla de transmisión comúnmente utilizada, y es un principio de medición de imágenes con escaneo de cuatro campos.

(4) Portador de rejilla

La regla de rejilla se fabrica en un entorno de 20°±0,1 ℃. El rendimiento térmico de la regla de rejilla afecta directamente la precisión de la medición. de la regla de rejilla durante el uso El mejor rendimiento es consistente con el rendimiento térmico del dispositivo bajo prueba. Teniendo en cuenta los diferentes entornos de uso, los soportes de las básculas de rejilla Heidenhain tienen diferentes coeficientes de expansión térmica. Los materiales disponibles incluyen vidrio, acero y vitrocerámica de expansión cero. El coeficiente de expansión del vidrio ordinario es de 8 ppm/K. Ahora Heidenhain ha utilizado vidrio con el mismo coeficiente de expansión que el acero. Estos materiales son insensibles a vibraciones y golpes, tienen propiedades térmicas definidas y no se ven afectados por los cambios de presión del aire y humedad. Para los materiales portadores de escala de rejilla con una longitud de medición inferior a 3 m se utilizan vidrio, vitrocerámica y acero, y tiras de acero si la longitud de medición supera los 3 m. Mediante la selección de los materiales y las estructuras correspondientes del soporte de báscula se pueden adaptar de forma óptima las propiedades térmicas de la báscula de rejilla y de la pieza a comprobar.