Jak fungují optické snímače Renishaw
Uzavřené absolutní snímače
Otevřené absolutní snímače
Otevřené inkrementální snímače
FORTiS™
Co je uzavřené odměřovací pravítko společnosti Renishaw?
Uzavřené odměřovací pravítko je sestava optického snímače polohy, nezbytné elektroniky a měřítka umístěná v utěsněném robustním pouzdře. Utěsněná optická jednotka i měřítko snímače jsou dále chráněny uvnitř utěsněného pouzdra. Důmyslná konstrukce systému poskytuje pravítku vysokou odolnost proti vniknutí kapalin a tuhých nečistot.
Pouzdro uzavřeného lineárního pravítka je extrudovaný profil s podélně upevněným břitovým těsněním a utěsněnými koncovkami. Čtecí hlava snímače je s pohyblivou částí lineární osy obráběcího stroje spojena ocelovou planžetou, která se pohybuje mezi břitovými těsněními po délce snímače.
RESOLUTE™
RESOLUTE používá obousměrnou sériovou komunikaci ve formátech řady specifických i otevřených průmyslových protokolů.
Proces začíná...
Řídicí systém nejprve odešle do čtecí hlavy požadavek na zaznamenání absolutní polohy z lineární nebo rotační stupnice. Čtecí hlava reaguje zábleskem diodového zdroje o velkém výkonu, které osvětluje stupnici. Záblesk trvá krátce, jen 100 ns, aby bylo minimalizováno rozmazání obrazu na pohybujících se osách. Načasování je velmi důležité a je řízeno během několika nanosekund, aby byl zachován vztah mezi požadovanou a zaznamenanou polohou. To je jedna ze zásadních vlastností, která činí snímač RESOLUTE vhodným pro pohybové systémy s velmi vysokými technickými parametry.
Stupnice s jednou dráhou
Stupnice je v podstatě jednodráhové měřítko s kontrastními čarami ve jmenovité periodě 30 µm. Nepřítomnost většího počtu rovnoběžných drah zajišťuje důležitou odolnost proti chybám vybočení a mnohem vyšší boční toleranci v poloze hlavy.
Snímání obrazu
Obraz stupnice je sejmut prostřednictvím asférické čočky, která minimalizuje zkreslení a přenesen na detekční sestavu navrženou speciálně pro RESOLUTE. Optické uspořádání, s lomenou dráhou osvětlení, ale s přímým zobrazením, je velmi kompaktní, přesto ale stabilní, což zaručuje přesnost důležitou pro vynikající metrologii.
Dekódování a analýza dat
Po zaznamenání dat z měřítka detektorem je obraz přenesen analogově digitálním převodníkem (ADC) do výkonného digitálního obrazového procesoru (DSP). Speciálně vyvinuté algoritmy poté obdrží skutečnou absolutní, nicméně poměrně „hrubou“ polohu pomocí kódu uloženého ve stupnici. Tento proces je kontrolován a pomocí dalších algoritmů v DSP jsou provedeny nezbytné opravy dat. Systém pracuje s redundantními daty a záměrnými omezeními obsaženými v kódu stupnice. Mezitím další rutiny vypočítají „jemnou“ polohu s velmi vysokým rozlišením. Tato poloha je následně kombinována s hrubou polohou, přičemž výsledkem je skutečná absolutní poloha s velmi vysokým rozlišením.
Závěrečná kontrola a výstup dat
Po závěrečné kontrole chyb je informace o poloze odeslána v odpovídajícím formátu do řídícího systému stroje jako sériové slovo reprezentující polohu v rozsahu 1 nm. Ochrana proti poruše v důsledku elektrického šumu je zajištěna doplněním funkce Cyclic Redundancy Check (CRC). Celý proces může trvat pouze několik mikrosekund a lze jej opakovat až 25 000krát za sekundu. Pomocí různých postupů, včetně nastavení doby světelného záblesku podle rychlosti osy, lze těchto parametrů dosáhnout při rychlosti až 100 m/s při, což je velmi důležité, zachování mimořádně nízkého polohového kolísání (jitter) signálu při nižších provozních rychlostech.
A výsledkem je...
Snímač s dostatečnými montážními tolerancemi: RESOLUTE umožňuje ± 0,5° pro vybočení, sklon a naklánění, a působivých ± 150 µm pro separaci čtecí hlavy od stupnice. Na druhé straně dostatečná optická stopa a pokročilé metody opravy chyb přinášejí vynikající odolnost proti optickému znečištění, jak pevnými částicemi, tak mastnými skvrnami. To vše při zachování rozlišení 1 nm při rychlosti 100 m/s: RESOLUTE je odpovědí na nejobtížnější úkol při absolutním snímání.
EVOLUTE™
EVOLUTE používá obousměrnou sériovou komunikaci ve formátech řady specifických i otevřených průmyslových protokolů.
Proces začíná...
Řídicí systém nejprve odešle do čtecí hlavy požadavek na zaznamenání absolutní polohy z lineární stupnice. Čtecí hlava reaguje zábleskem diodového zdroje o velkém výkonu, které osvětluje stupnici. Záblesk trvá krátce, jen 100 ns, aby bylo minimalizováno rozmazání obrazu na pohybujících se osách. Načasování je velmi důležité a je řízeno během několika nanosekund, aby byl zachován vztah mezi požadovanou a zaznamenanou polohou. Díky tomu je řada EOLUTE ideální pro pohybové systémy s velmi vysokými technickými parametry.
Stupnice s jednou dráhou
Stupnice je v podstatě jednodráhové měřítko s kontrastními čarami ve jmenovité periodě 50 µm. Nepřítomnost většího počtu rovnoběžných drah zajišťuje důležitou odolnost proti chybám vybočení a vyšší boční toleranci v poloze hlavy.
Snímání obrazu
Obraz stupnice je sejmut prostřednictvím asférické čočky, která minimalizuje zkreslení, a přenesen na detekční sestavu. Optické uspořádání, s lomenou dráhou osvětlení, ale s přímým zobrazením, je velmi kompaktní, přesto ale stabilní, což zaručuje přesnost důležitou pro vynikající metrologii.
Dekódování a analýza dat
Po zaznamenání dat z měřítka detektorem je obraz přenesen analogově digitálním převodníkem do výkonného digitálního obrazového procesoru (DSP). Speciálně vyvinuté algoritmy poté obdrží skutečnou absolutní, nicméně poměrně „hrubou“ polohu pomocí kódu uloženého ve stupnici. Tento proces je kontrolován a pomocí dalších algoritmů v DSP jsou provedeny nezbytné opravy dat. Systém pracuje s redundantními daty a záměrnými omezeními obsaženými v kódu stupnice. Mezitím další rutiny vypočítají „jemnou“ polohu s velmi vysokým rozlišením. Tato poloha je následně kombinována s hrubou polohou, přičemž výsledkem je skutečná absolutní poloha s velmi vysokým rozlišením.
Závěrečná kontrola a výstup dat
Po závěrečné kontrole chyb je informace o poloze odeslána v odpovídajícím formátu do řídícího systému stroje jako sériové slovo. Ochrana proti poruše v důsledku elektrického šumu je zajištěna doplněním funkce Cyclic Redundancy Check (CRC). Celý proces může trvat pouze několik mikrosekund a lze jej opakovat až 25 000krát za sekundu. Pomocí různých postupů, včetně nastavení doby světelného záblesku podle rychlosti osy, lze těchto parametrů dosáhnout při rychlosti až 100 m/s při, což je velmi důležité, zachování mimořádně nízkého polohového kolísání (jitter) signálu při nižších provozních rychlostech.
A výsledkem je...
Snímače EVOLUTE nabízejí velkorysé instalační tolerance ±0,75° pro vybočení a ±0,5° ve směrech pitch a roll, současně s vynikající separací čtecí hlavy od stupnice ±250 µm. Na druhé straně dostatečná optická stopa a pokročilé metody opravy chyb přinášejí vynikající odolnost proti optickému znečištění jak pevnými částicemi, tak mastnými skvrnami při současném zachování rozlišení 50 nm až do rychlosti 100 m/s.
QUANTiC™
Čtecí hlava snímače QUANTiC je vybavena třetí generací unikátní filtrační optiky společnosti Renishaw, která zprůměruje podíl mnoha dílků stupnice a účinně odfiltruje nepravidelné prvky, jako jsou nečistoty. Odraz od stupnice s nominálně obdélníkovým průběhem vlny je také filtrován, aby na detektoru vzniklo čisté pole sinusových interferenčních proužků. Použitá struktura je dostatečně jemná na to, aby vytvořila fotoelektrický proud ve formě čtyř symetricky fázovaných signálů. Jejich kombinací jsou odstraněny stejnosměrné složky a vytvořeny výstupní sinusové a kosinusové signály s vysokou spektrální čistotou a nízkou odchylkou při zachování šířky pásma nad 500 kHz.
Kombinace plně integrované vyspělé dynamické úpravy signálů a funkcí Auto Gain, Auto Balance a Auto Offset Controls zaručuje velmi nízkou hodnotu chyby interpolace (SDE), typicky <± 80 nm pro malé rotační systémy, typicky <±150 nm pro velké rotační systémy a <±80 nm pro lineární systémy.
Tato filtrační optika, kombinovaná s pečlivým výběrem elektroniky, poskytuje přírůstkové signály s velkou šířkou pásma pro dosažení maximální rychlosti 8800 ot/min pro rotační systémy a 24 m/s pro lineární systémy. Zajišťuje minimální kolísání (jitter) signálu a šumu lepší než jiné snímače v této třídě. Interpolace probíhá uvnitř čtecí hlavy s verzemi s jemným rozlišením, které bylo dále rozšířeno o elektroniku potlačující šum pro dosažení kolísání (jitter) pouhých 2,73 nm RMS.
Referenční značka IN-TRAC je plně integrována do přírůstkové stupnice a je detekována fotodetektorem uvnitř čtecí hlavy. Toto jedinečné uspořádání rovněž těží ze standardního programu automatické kalibrace, který elektronicky fázuje referenční značku a optimalizuje přírůstkové signály.
TONiC™
Čtecí hlava TONiC je vybavena třetí generací unikátní filtrační optiky společnosti Renishaw, která zprůměruje podíl mnoha dílků stupnice a účinně odfiltruje nepravidelné prvky, jako jsou nečistoty. Odraz od stupnice s nominálně obdélníkovým průběhem vlny je také filtrován, aby na detektoru vzniklo čisté pole sinusových interferenčních proužků. Použitá struktura je dostatečně jemná na to, aby vytvořila fotoelektrický proud ve formě čtyř symetricky fázovaných signálů. Jejich kombinací jsou odstraněny stejnosměrné složky a vytvořeny výstupní sinusové a kosinusové signály s vysokou spektrální čistotou a nízkou odchylkou při zachování šířky pásma nad 500 kHz.
Kombinace plně integrované vyspělé dynamické úpravy signálů a funkcí Auto Gain , Auto Balance a Auto Offset Controls zaručuje velmi nízkou hodnotu chyby interpolace (SDE), typicky ± 30 nm.
Tato filtrační optika, kombinovaná s pečlivým výběrem elektroniky, poskytuje přírůstkové signály s velkou šířkou pásma pro dosažení maximální rychlosti 10 m/s. Zajišťuje minimální kolísání (jitter) signálu a šumu lepší než jiné snímače v této třídě. Interpolace probíhá podle algoritmu CORDIC uvnitř rozhraní TONiC Ti s verzemi s jemným rozlišením, které bylo dále rozšířeno o elektroniku potlačující šum pro dosažení kolísání (jitter) pouhých 0,5 nm RMS.
Referenční značka IN-TRAC je plně integrována do přírůstkové stupnice a je detekována děleným fotodetektorem uvnitř čtecí hlavy. Jak je patrné z obrázku, dělený detektor referenční značky je zabudován přímo do středu detekční fotodiody, což zaručuje téměř dokonalou odolnost proti yaw-rozfázování. Získaný výstup referenční značky je obousměrně opakovatelný v rozsahu jednotky rozlišení při všech rychlostech. Toto jedinečné uspořádání rovněž těží ze standardního programu automatické kalibrace, který elektronicky fázuje referenční značku a optimalizuje dynamickou úpravu signálů.
VIONiC™
Snímače VIONiC jsou vybaveny třetí generací unikátní filtrační optiky společnosti Renishaw, která zprůměruje podíl mnoha dílků stupnice a účinně odfiltruje nepravidelné prvky, jako jsou nečistoty. Odraz od stupnice s nominálně obdélníkovým průběhem vlny je také filtrován, aby na detektoru vzniklo čisté pole sinusových interferenčních proužků. Použitá struktura je dostatečně jemná na to, aby vytvořila fotoelektrický proud ve formě čtyř symetricky fázovaných signálů. Jejich kombinací jsou odstraněny stejnosměrné složky a vytvořeny výstupní sinusové a kosinusové signály s vysokou spektrální čistotou a nízkou odchylkou při zachování šířky pásma nad 500 kHz.
Kombinace plně integrované vyspělé dynamické úpravy signálů a funkcí Auto Gain , Auto Balance a Auto Offset Controls zaručuje velmi nízkou hodnotu chyby interpolace (SDE), typicky ± 15 nm.
Tato filtrační optika, kombinovaná s pečlivým výběrem elektroniky, poskytuje přírůstkové signály s velkou šířkou pásma pro dosažení maximální rychlosti 12 m/s. Zajišťuje minimální kolísání (jitter) signálu a šumu lepší než jiné snímače v této třídě. Interpolace probíhá uvnitř čtecí hlavy s verzemi s jemným rozlišením, které bylo dále rozšířeno o elektroniku potlačující šum pro dosažení kolísání (jitter) pouhých 1,6 nm RMS.
Referenční značka IN-TRAC™ je plně integrována do přírůstkové stupnice a je detekována děleným fotodetektorem uvnitř čtecí hlavy. Jak je patrné z obrázku, dělený detektor referenční značky je zabudován přímo do středu detekční fotodiody, což zaručuje téměř dokonalou odolnost proti yaw-rozfázování. Toto jedinečné uspořádání rovněž těží ze standardního programu automatické kalibrace, který elektronicky fázuje referenční značku a optimalizuje přírůstkové signály.
ATOM DX™
Ve snímačích ATOM DX se používá osvědčená filtrační optika používaná v inkrementálních snímačích Renishaw, jako např. TONiC a VIONiC. ATOM DX používá nekolimovanou LED diodu, umístěnou centrálně mezi inkrementálním snímačem a snímačem referenční značky. Tato vysoce divergentní, nízkoprofilová LED dioda produkuje na měřítku světelnou stopu, která je mnohem větší než LED, což umožňuje osvětlit inkrementální oblast a oblast referenční značky. Nekoherentní LED dioda poskytuje signál s vysokou harmonickou čistotou, umožňující interpolaci s vysokým rozlišením. Účinná fotometrie také poskytuje signál s nízkým šumem (jitter). Významnou výhodou uspořádání filtrační optiky je skutečnost, že ATOM DX neprodukuje chyby měření způsobené znečištěním nebo zvlněním stupnice.
Kombinace plně integrované vyspělé dynamické úpravy signálů včetně funkcí Auto Gain Control, Auto Balance Control a Auto Offset Control zaručuje velmi nízkou hodnotu chyby interpolace (SDE), typicky <±15 nm.
Tato filtrační optika, kombinovaná s pečlivým výběrem elektroniky, poskytuje inkrementální signály polohové zpětné vazby s velkou šířkou pásma pro dosažení maximální rychlosti 12 m/s. Zajišťuje minimální kolísání (jitter) signálu a šumu lepší než jiné snímače v této třídě. Digitální interpolace signálu probíhá uvnitř čtecí hlavy; verze s jemným rozlišením byly dále rozšířeny o elektroniku potlačující šum pro dosažení kolísání (jitter) pouhých 1,6 nm RMS.
Snímače řady ATOM DX používají velikou jednoprvkovou optickou referenční značku umístěnou mimo stopu (off-track) pro dobrou odolnost vůči znečistění. Fázování referenční značky je dosaženo jednoduchou a intuitivní automatickou kalibrační procedurou, jaká je použita ve snímačích QUANTiC™ a VIONiC™.
ATOM™
ATOM používá nekolimovanou LED diodu, umístěnou centrálně mezi inkrementálním snímačem a snímačem referenční značky. Tato vysoce divergentní, nízkoprofilová LED dioda produkuje na měřítku světelnou stopu, která je mnohem větší než LED, což umožňuje osvětlit inkrementální oblast a oblast referenční značky.
ATOM používá stejné schéma filtrační optiky, jaké se používá ve všech inkrementálních snímačích společnosti Renishaw. Nekoherentní LED dioda poskytuje signál s vysokou harmonickou čistotou, umožňující interpolaci s vysokým rozlišením. Účinná fotometrie také poskytuje signál s nízkým šumem (jitter). Další výhodou uspořádání filtrační optiky je skutečnost, že ATOM neprodukuje chyby měření způsobené znečištěním nebo zvlněním stupnice.
ATOM používá velikou jednoprvkovou optickou referenční značku umístěnou mimo stopu (off-track) pro dobrou odolnost vůči znečistění. Fázování referenční značky je tak jednoduché jako u snímačů TONiC.