Нужно состряпать устройство, которое следит за положением движушейся по направляющих "линейках" измерительной головки и выдает сигнал рассогласования, если она вследсвии изгиба линеек отклоняется от прямолинейной траектории. Отклоняться она должна не более +\-0,1мм. Головка жестко связана с режущим инструментом, который испытывает в некоторой мере случайное сопротивление материала, зависящее от толщины оного, что вызывает изгиб опорных направляющих. По идее система должна слегка компенсировать этот изгиб - и мы должны получить уменьшение общего веса станка. Длина рабочего хода 1,5м. Можно ли использовать лазерный диод в качестве эталона прямой линии?

ну вы спросили
даже не пойму о чем вы говорите
если среда однородная то свет распространяется "прямолинейно"- в каком то смысле это то что вы хотите
но все дело в том как вы собираетесь определять отклонение от луча- вот в этом основной вопрос.
именно это определит ваше понятие прямая линия.

Лазерный диод, но с оптикой - иначе из-за расходимости пучка не получите нужную точность. Нужно с помощью "телескопа" сделать качественный параллельный пучок, тогда его расходимость будет невелика и можно будет 4 квадрантным фотодиодом спокойно измерять отклонение.

Может быть, рядом пустить ненагруженную рейку и мерить отклонение, скажем емкостным датчиком? Только все равно будет сложно IMHO. Так как полоса пропускания следящего контура должна быть выше резонансной частоты станины. Да и задемпфирована станина скорее всего плохо.

А можно на малоформатную ПЗС-ку, при хорошей математике точность можно получить значительно лучше размера одного пиксела.

Тут лучше ПЗС-линейку. Работать проще, нет лишней информации о второй координате. И оптику к ней цилиндрическую, чтобы пятно с линейки не улетало. Но здесь нужно смотреть на требуемое время отклика. Если меньше килогерца, то можно так, а если нужно выше - то только фотодиоды и аналоговое преобразование.

по-моему, только лазером это и можно сделать. поставить оптику, проконтроллировать расходимость пучка. а на головке поставить 4-х площадочный фотодетектор. такие в разных продвинутых микроскопах применяются, для вашей ситуации точности будет более чем!

В "продвинутых", в смысле АФМ микроскопах, задача куда как попроще - там динамический диапазон всего около 100 нужен, поэтому к пучку никаких требований не предъявляется, линзочкой можно обойтись, попал приерно на середину диода, и все работает. А замерять 0.1 мм на 1.5 метрах - задача на порядок посложнее.

ага, точно, АФМ я и имел в виду
создать коллинеарный пучок для такой длинны - не проблема. а по поводу точности измерения, так на нее влияет, вроде бы, только шум детектора, который можно перекрыть, если организовать достаточно широкий пучок, который бы захватывал большую площадь площадок.
и в конце концов, задача ить стоит не мерять отклонение, а громко ругаться, когда оно (отклонение) превысит 0,1 мм, а это, имхо, на порядок упрощает задачу

Дело в том, что если лазер не одномодовый (в пространственном смысле), т.е. кроме ТЕМ00 моды с Гауссовым профилем присутствует еще несколько с весьма сложным пространственным профилем, то на диоде будт "выплясывать " весьма нетривиальные сигналы. И определить, что отклонились именно на 0.1 мм, будет очень не просто. В микроскопе же нужно просто "знать", что отклонились в нужную сторону, а насколько уже определит система обратной связи по Z координате, сместившись до восстановления исходного значения сигнала с фотодиода.

Я пока не большой специалист в области станкостроения (и уже им не стану!), но насчет ненагруженной рейки - все конечно правильно, только ровные направляющие для станков стоят дороговато - я где-то видел 35 евро за метр, да и влажность для емкостного датчика тоже проблема и без измерительной электроники тут тоже не обойтись. А я хотел измерять изменение освещенности пятна при смещении от его центра. А неравномерность освещенности пятна вызвана как раз разходимостью пучка осветителя.

ну по сути, здесь та же ситуация: "узнали" об отклонении - пропищали и остановили станок. потом дядя ручками подкорректировал (или какой-нибудь двигатель включился) - пятно на место вернулось и пищать перестали.
в итоге вопрос свелся к чувствительности фотодетектора (можно ли им уверенно определить смещение пятна на 0.1мм)

"здесь та же ситуация: "узнали" об отклонении - пропищали и остановили станок. потом дядя ручками подкорректировал (или какой-нибудь двигатель включился) - пятно на место вернулось и пищать перестали."

Вообще хотелось-бы автоматически корректировать подачу в процессе работы, по сигналу рассогласования.

Несколько дней назад видел где то статью об алгоритме измерителя перемешения на ультразвуковом датчике с точностью до 60-70 нанометров.

Одномодовый гелий-неоновый лазер, который можно будет использовать без дополнительной оптики, обойдется тысяч в 15 рублей, не меньше я думаю. Так что измерять отклонение оптикой тоже не дешевая задача. Но можно будет получить сигнал смещения в относительно линейном виде.

Хм... Если не вдаваться динамику - отклонение пропорционально прилагаемому усилию. У Вас что, усилие практически постоянно при обработке? Может быть тогда лучше не делать жесткую связь вообще - регурировать усилие прижима вместо положения инструмента?

У Вас есть в команде действительно грамотный механик, который способен рассчитать механику станка с учетом динамических эффектов? Если нет - думаю можете расслабиться.

см. линзакон,"лазерная струна"

http://www.ssga.ru/AllMetodMaterial/metod_...18/work18.2.htm

сегодня пообщался с оптиком. утверждается, что большинство полупроводниковых диодов работают в маломодовом режиме, так что на расстоянии 1,5м не должно быть спекл-картинки, засвеченность должна быть равномерной. сколлимировать пучок тоже не составляет труда.
у меня есть координаты конторы из черкасс, которая может сделать систему диод/оптика с нужными параметрами луча. 4-площадочных детекторы вроде в черновцах изготавливают (координаты тоже могу найти)

Дело не в чатотных модах, а в пространственных в обычном полупроводниковом лазере совсем не обяхательно генерится пучок с максимальной интенсивностью в чентре и с падением интенсивности по Гауссу. Может быть, например, мода, когда имеются по квадрату 4 ярких точки с черти каким сложным переходом интенсивности от одной к другой. И как Вы будете по диоду определять куда что сместилось при таком профиле пучка ?
Для гарантирования моды TEM00 нужен диод, сопряженный с одномодовым волокном.
Спекл картинка должна быть обязательно, если свет когерентный, но она не мешает, поскольку среднее по площадке диода не меняется.
Наши диоды не годятся для такой точности, надо брать Hamamatsoвские, они, кстати не дороже, как ни странно.

пространственные моды - это вы имеете в виду поперечные? если так, то поперечная мода в любом полупроводниковом лазере одна: ширина/высота активного светоизлучающего слоя 3мкм/0,5мкм, так что для красного свта это одномодовый канал. но суть не в этом, это мы уже в оптику влазим . главное, что так или иначе можно сделать оптическую систему с нужными параметрами. осталось только прилепить фотодетектор - и дело в шляпе!

Если я правильно понял задачу, то спекл картины не должны возникать на приемнике, так нет отражения сигнала от различных поверхностей, луч идет прямиком на фотодатчик.
В качестве фотодатчика логично использовать PSD детектор, например хамаматсу.
Проблема только одна - получить узкий луч на всем расстоянии 1.5м.
Можно добиться(без крови) диаметра перетяжки 10-50мкм, но на длинне 1-5см. При расхождении перетяжки по диаметру PSD будет определять "не тот" центр масс, который нам нужен.
На PSD я определял перемещение луча с разрешением в 0.1мкм, приведенные на кристал PSD.

Но использование оптики с базой 1.5м - это прежде всего борьба с температурами. Поэтому 100 мкм на 1.5м задача не простая для не лабораторных условий. Надо привязать по углу как излучатель так и приемник относительно направляющих.

Сама поверхность фотодетектора отражает, и окно отражает аж от двух поверхностей. Поэтому интерференция будет обязательно. Обычно она создает биения в сигнале на уровне 10е-3 - 10е-4. Для ее минимизации все поверхности должны быть строго перпендикулярны пучку, а сам пучок должне быть параллелен. В принципе, чем пучок шире, тем на большем "пробеге" можно измерять - диффракционная расходимость - lambda/d. Поэтому рабоать с пучком тоньше 1 мм бессмысленно.
Если будете работать с полупроводниковым лазером, Вы почитайте все-таки про пространственные моды. Мое мнение, что на сегодняшний день проще и дешевле купить гелий - неоновый лазер, который сразу дает идеальный для таких целей пучок, чем возится с полупроводниковым лазером.

А что, если разделить пучок на два, и пустить его разными путями, с тем, чтобы на измеряемой стороне возникла интерференционная картина? Рассматривать её, наверное, можно с помощью обычной фотоматрицы. Очень узкий луч не нужен, фронт волны только желательно иметь плоский. Спекл и неравномерность засветки при этом можно "отсечь". По смещению картины и определять отклонение.
Правда, такой способ более сложен...

да он громоздкиЙ! и дорогой!
но тут, я думаю, хозяин - барин! можно и так, и так...


ого! это, конечно, сверхточный метод получится, только вот анализировать картинку ого-го-го как сложно будет!

Громоздкий - да, но по стоимости окажется дешевле полупроводникового со всеми нужными для формирования "правильного" пучка элементами.
Stanislav, для этого существует двухчастотный гелий-неоновы лазер, у которого частоты мод отстоят примерно на 100 Кгц. И по их биениям на фотопремнике можно очень точно измерять смещение. Такие штуки используются при работе с полупроводниковыми пластинами.

Нет, анализ картины - как раз самое простое. Оконтурить "хорошим" методом, а после посчитать линейное смещение контуров относительно эталона.
Думаю, самое сложное - получить стабильную интерференционную картину, которая будет нормально разрешаться матрицей (матрица, ессно, должна располагаться на головке, оптика не нужна). Впрочем, в оптике я не большой специалист, возможно, и здесь найдутся "хорошие" решения. Пока приходит на ум только пластина с полу-отражающими поверхностями, или призма какая-нить.

Вообще-то, принцип измерения не совсем понятен. По-моему, такой метод может быть полезен только для измерения расстояний, здесь же нужно измерять смещение в плане.

ЗЫ. А какой радиус пространственной когерентности основной моды недорогого диодного лазера?

Да, пожалуй двухчастотник не применишь для такой цели. Но и по интерференции, если прибор двигается вдоль пучка, пожалуй тоже не измерить - пучок не иделаьный, и "гуляние" картины даже при идеальном движении без отклонения не даст ничего измерить.
А вот вдоль пучка таким методом вполне можно измерять перемещение.

Простите, а почему должно быть "гуляние"? Освещённость участков может меняться, но контура интерференционной картины должны-то оставаться "на месте"?

-------------------------------------------------------------
Коллеги, а почему нужно использовать именно лазер? По-моему, узкополосный светодиод для создания пучка подойдёт лучше. И никаких спеклов и мод...
Рассматривать можно почти любым датчиком: квадрантным или матричным...

Угол между пучками и их диаметр будет меняться. Это как раз на вид картины и будет влиять.
С диодом проблема та же, что и с полупроводниковм лазером - абстрактный профиль пучка. Поэтому именно измерить отклонение, а не только его зафиксировать, будет трудно.

А если они соосны?
Может, путём калибровки получится?

Если соосны, то разность фаз в каждой точке одинакова, нет изменения яркости.Проблема с калибровкой в расходящемся пучке - если в одной точке, то нет проблем, а вдоль 1.5 метров может оказаться очень все капризно.

как я понял, коллинеарный пучок можно соорудить и из лампы накаливания...
в общем, повторюсь: оптики утверждали, что параллельный пучок полутораметровой длинны - не проблема.

Да дело в цифрах - измерить 220 вольт с точностью 1 вольт - не проблема, а с точностью 10 мв - уже надо подумать. Так и здесь - вопрос, что считать хорошим параллельным пучком.

Ну то есть по моему опыту здесь так - если взять гелий-неоновый лазер и Hamatsovский квадрантный фотодиод, все получится сходу и без головной боли. Другие решения могут таить неожиданности.

хочу внести 5 копеек в разговор
1 тут DS упоминул про пенпердикулярность прозрачных поверхностей относительно луча лазера для уменьшения интерференции- это неправильно - при работе в когерентном излучении поверхности закащивают чтоы не возникала паразитная интерференция
2 Stanislav предложил сделать датчик на основе интерферометра - это очень правильно - но не для данного случая - так как точность получаемая интерфеометрами будет сотые доли длинны волны или просто даже если в длиннах волн то все равно слишком точно - а это в данном случае нафиг никому не нужно - а стоимость такой системы будет достаточно велика- просто в данном случае это слишком избыточно - хотя сам метод великолепен - но его стоимость
3 что касаемо 4 квадрантника или построение просто на одном диоде то здесь упирается дело в линейные размеры датчика - тоесть на малых расстояних ошибка будет большая и поэтому надо делать чтобы на малых расстояних база была большой а это размеры
4 наверное наиболее дешевое решение - как мне кажется это емкостной датчик с направляющей - он прост и малогабаритен- но требует направляющей. что касаемо изменения воздуха то ее можно калибровать имея относительно этого датчика еще одну емкость с неизменным линейным расстоянием - это легко делается - и получаем мост который дает разбалансировку при изменении раастояния в инструменте
5 можно конечно использовать и оптику типа двух лучей sin-cos и мерять фазу по интенсивности или на основе интерферометра(эти методы дадут возможность не только получить отклонение но и иметь его величину очень точно) или на основе диода или четырехквадрантника( здесь будет просо факт отклонения с некой пропорцией)- но мне кажется точность которорая требуется 0.1 мм не требует применения оптических методов которые дают существенно лучшую точность - но к сожаления самая элементарная оптика стоит довольно дорого относительно стоимости емкостного датчика и его направляющей. да и надо обеспечить ее защиту от грязи и пыли и тд. если бы поставить задачу о очности 1 мкм - то тогда наверное стоимость оптической системы будет уже смотреться выигрышной. просто 0.1 мм грубовато - если 1 мкм то тогда наверное имеет смысл рассматривать оптику и обсуждать ее

вот такое мое мнение

пока писал предыдущий пост пришла в голову такая мысль
сдлеать оптический датчик
ставим два четырех дквадрантника с двух сторон станка а на головке распологаем точечный источник и смотрим на его отклонение с двух сторон
таким образом нам не нужна база посокльку она будет всегда
да и вроде дешево получится и без направляющей и оптический метод
и три точки на прямой будут очень хоршо фиксировать эту прямую
вот такое теперь мое новое мнение

я, честно говоря, пока даже не вижу, как организовать этот самый интерферометр...

а какая разница? пучок-то параллельный, диаметр пятна на фотодетекторе одинаковый во всем диапазоне длины!

для такого датчика нужна направляющая. разве можно дешево достать такую направляющую длинной 1,5м?

Ну и про косые поверхности - их делают, для того, чтобы отраженные лучи не попадали в основной пучок. Для фотоприемников это не катит, под каким углом его не ставь, все равно отраженные лучи попадут на его поверхность.
Поэтому необходимо вводить строго параллельный пучок света перпендикулярно поверхности, тогда отраженния попадают в точности на то же место, и только модулируют яркость, по поверхности же интерференционная картина не бегает, например, из-за небольшого изменения углов. Для многоэлементных приемников и лазерного света отражения от окна - один из основных ограничителей динамического диапазона.

Простите, неправильно выразился - домой торопился.
Не соосны, а почти соосны, причём имеют плоский фронт волны. То есть, во всём диапазоне расстояний от излучателя к головке пятна лучей перекрываются, причём область перекрытия попадает на матрицу. Тогда углы будут постоянными, и контуры не будут смещаться (или ошибаюсь? Времени подумать нет сейчас... ). Вопрос только в том, можно ли создать подобные лучи?

И ещё вопрос. Можно ли считать фронт волны ЛД без оптики сферическим (пусть только в горизонтальной плоскости)?

С углами сложность - отношение 0.1 мм к 1.5 метрам - 6е-5, поэтому все вещи с углами, расходимостями пучков и т.п. надо считать, сходу нельзя сказать прокатит или нет - всяческие погрешности метода будут того же порядка.


Нельзя. Я и писал поэтому все время про пространственные моды. Для таких целей лазер должен выдавать моду TEM00, у которой радиально по Гауссу спадает интенсивность. У других мод симметрии более сложные, уже нет прямой связи интенсивности со смещением. В частности, может быть такая мода (не помню ее название), в которой есть 4 яркие точки, с каким -то довольно сложным распределением между ними. Если таким лучом светить на 4 квадрантный детектор, при неудачном расположении можно вообще получить нулевую чувствительность.

М-да, непросто всё...

А если вот так попробовать сделать: ЛД использовать без оптики, а перед матрицей установить камеру-обскуру. Смещение головки вызовет изменение положения пятна (дифракционной картины) на матрице, которое несложно будет зафиксировать. См. рисунок:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Зелёным - матрица, красным - луч света, чёрным - камера-обскура. По-моему, должно получиться...

У ЛД с недорогой оптикой расходимость порядка 1/100. Поэтому при движении вдоль луча картина на матрице будет меняться. В этом основная проблема. В каждой точке этой траектории, смещение, конечно измеряется таким способом, но если знать, что мы движемся поперек. Но вот отличить поступательное движение от поперечного, я думаю, будет сложно.

Почему? Продольное смещение будет вызывать лишь небольшое изменение масштаба картинки, в то время, как поперечное - её линейное смещение. Одно от другого легко можно отличить. Предполагается, конечно, что луч лазера ориентирован точно по линии перемещения зрачка обскуры (по-моему, достаточно даже условия, что его "активная зона" будет располагаться на этой линии).

по-моему, это слишком сложно: надо постоянно сканировать всю матрицу, анализировать размер пятна, вычислять его центр, сравнивать с предыдущим... если дулать так вот, по минимальной цене, то все-таки проще полупроводникового лазера и 4-площадочного детектора ничего нет (пардон, если моя идея становится навязчивой )

приведите эскиз как вы собираетесь ставить 4 квадрантник? поскольку у меня на прмете несколько решений по этому поводу.



вы можете откалиброваться по любой направляющей- главное чтобы она была стабильна - вам просто понадобится еще датчик положения по оси X - но вы эту координату имеете от вашего резца и разница в пару сантиметров по X не скажется на точности определения вашей идеальной направляющей от идеальной прямой.

по поводу примера интерферометра можете посмотреть приборы фирмы Ренешау они как раз используются для проверки станков



вы неправы - с матрицей решение дешевое - но точность будет зависеть от базы
с диодом вы получите просто более высокую скорость - кстати 4 квадрантники стоят чуть ли не дороже матрицы
у меня для примера точность нахождения источника с помошью матрицы делается 3 угловые секунды. решнеи вполне доступно по цене - но точность в мм будет зависеть от базы - а это размеры

Стоимость разработки, согласен, будет относительно высокой. Серийного изделия же - не очень. Скорее всего, порядок величины будет тот же, что и для Вашего предложения. Фотоматрицы нынче недороги, микроконтроллеры - тоже. А вот отсутствие точной оптики, как мне кажется, - существенный плюс.

Ну, на метре-то точность потребуется почти на порядок меньше.

дело не в метре, а в фокусе системы которая будет делать изображение на матрице
грубо говоря получается рычаг только оптический
что касаемо замечания о большей точности то нестабильность преломления воздуха не даст вам повышать ее бесконечно и точности выше секунды будут уже проблемой именно изза воздуха

Я предлагаю делать на обскуре.
Ну, правильно. Если зрачок обскуры отстоит от матрицы, например, на 10 см, то на метре получим относительное смещение пятна в 0,11 мм/мм. То есть, для отклонения головки в 0,1мм смещение составит 0, 011мм, что вполне разрешимо.

2 DS
Зависимость смещения пятна от расстояния, конечно, будет. Однако, если расстояние известно, это препятствие легко устраняется.
Если же оно неизвестно, нужно датчик связать не с направляющей, а с инструментом, и работать по нулевому отклонению. Тогда эта зависимость не будет играть большой роли.

решение нормальное, но
на обскуре вы не получите 11 мкм разрешения- да и света у вас будет очень мало
нужен длиннофокусный объектив - цена у него меньше 50 баксов - так что применять обскур особого выигрыша нет - проще поставить объектив

обработку изображения делать нужно на плис - алгоритм там элементарный
если взять кмоп матрицу за 27 баксов то у нее есть возможность выбора окна и скорость реакции будет в пределах 500- 600 измерений в секунду
но если нужно выше то нужно вместо матрицы брать либо 4 квадрантник либо просто один диод





не могли бы вы пояснить откуда возьмется смешщение от расстояния?
так как точечный источник как был точечным так и останется и его угловое положение никак не зависит от расстояния - или вы имеете ввиду чувствительность метода от расстояния?

Почему? Повторюсь, здесь вообще можно обойтись без измерений - нужно только стабилизировать положение инструмента.
Посчитать надо. Вообще, такое впечатление, что при диаметре зрачка в 0,3-0,5 мм света будет предостаточно для нормальной матрицы (С/Ш>60 дБ).
Думаю, для более-менее нормального объектива цену нужно увеличить хотя бы на порядок.

Не обязательно. На каком-нить процессоре типа Блэкфин можно сделать дешевле, правда скорость измерений меньше получится (здесь более 10 изм/с вряд ли нужно).


Да, именно зависимость чувствительности. Просто времени нет - домой бегу.