Kako delujejo optični dajalniki Renishaw
Zaprti absolutni dajalniki
Odprti absolutni dajalniki
Odprti inkrementalni dajalniki
FORTiS™
Kaj so zaprti optični dajalniki Renishaw?
Pri zaprtem optičnem dajalniku sta dajalnikova elektronika in optika vgrajeni v zatesnjeni enoti, ki je pritrjena na telo bralne glave. Tako zatesnjena optična enota kot skala dajalnika sta še dodatno zaščiteni z zatesnjenim ohišjem. Taka konstrukcija zagotavlja visoko odpornost proti onesnaženju zaradi vdora tekočin in trdnih delcev.
Zaprti dajalnik pomika ima ekstrudirano ohišje z vzdolžno nameščenimi oblikovnimi tesnilnimi letvami in zatesnjena končna pokrova. Telo bralne glave in zatesnjena optična enota sta povezana z listom, ki potuje po dolžini dajalnika med tesnilnimi letvami.
RESOLUTE™
RESOLUTE uporablja dvosmerno komunikacijo v čistem serijskem formatu po različnih standardnih protokolih, tako lastniških kot odprtih.
Proces se začne ...
Krmilnik začne z delom tako, da pošlje v bralno glavo zahtevo za zajem trenutnega absolutnega položaja na linearni ali rotacijski skali. Glava se odzove z bliskom močne svetleče diode, ki osvetli skalo. Blisk traja samo 100 ns, da ne bi prišlo do zameglitve slike zaradi gibanja po osi. Za ohranitev povezave med zahtevanim in ugotovljenim položajem je zelo pomembno, da se posnetek naredi že v nekaj nanosekundah. Prav to je ena od ključnih lastnosti, zaradi katerih je RESOLUTE idealen za najzahtevnejše sisteme krmiljenja gibanj.
Enosledna skala
Skala je izvedena kot sled kontrastnih linij polne širine z nominalno periodo 30 µm. Z odpravo več vzporednih sledi je zagotovljena pomembna odpornost proti napakam zaradi zasuka okrog navpične osi in bistveno večja toleranca lateralnega položaja glave.
Zajem slike
Skala se snema skozi asferičen objektiv, ki zmanjšuje popačenja, sliko pa zajame poseben detektor, ki je bil zasnovan posebej za dajalnik RESOLUTE. Optična zasnova z lomljeno potjo osvetlitve in neposredno potjo zajema slike je zelo kompaktna, a stabilna. Tako zagotavlja potrebno jasnost za odlične merilno-tehnične lastnosti.
Dekodiranje in analiza podatkov
Slika, ki jo zajame detektor, se prek analogno-digitalnega pretvornika (ADC) pošlje v močan digitalni signalni procesor (DSP). Posebni algoritmi nato iz kode, ki je vdelana v skali, določijo pravi absolutni, a še razmeroma grob položaj. Rezultat se nato preveri in drugi algoritmi v procesorju DSP določijo potrebne popravke na podlagi redundance in namenskih omejitev v kodiranju skale. Druge rutine medtem izračunajo natančen položaj z zelo visoko ločljivostjo, ki se kombinira z grobim položajem v pravi absolutni podatek o položaju z zelo visoko ločljivostjo.
Končne kontrole in izdaja podatkov
Po postopkih končne kontrole napak se podatki po ustreznem protokolu naložijo v krmilnik kot čista serijska beseda, ki opisuje položaj do 1 nm natančno. Za zaščito pred električnim šumom skrbi ciklično preverjanje redundance (CRC). Celoten proces traja le nekaj mikrosekund in se lahko vsako sekundo ponovi do 25.000-krat. Zmogljivost delovanja je z različnimi tehnikami, kot je prilagajanje trajanja svetlobnega bliska hitrosti osi, zagotovljena do hitrosti 100 m/s, obenem pa se ohranja izjemno nizko trepetanje položaja pri manjših delovnih hitrostih.
Rezultat je ...
Dajalnik s širokimi tolerancami montaže: RESOLUTE dopušča ±0,5° odklona okrog navpične, vzdolžne in prečne osi ter impresivnih ±150 µm odklona pri vozni višini. Dovolj velika optična zasnova in napredni postopki korekcije napak pa po drugi strani zagotavljajo odlično odpornost proti optični kontaminaciji, tako z delci kot z mastnimi madeži. Pri vsem tem pa je ohranjena ločljivost 1 nm pri 100 m/s: RESOLUTE je pravi odgovor na najzahtevnejše izzive absolutnih meritev položaja.
EVOLUTE™
Dajalnik EVOLUTE uporablja dvosmerno komunikacijo v čistem serijskem formatu po različnih standardnih protokolih, tako lastniških kot odprtih.
Proces se začne ...
Krmilnik začne z delom tako, da pošlje v bralno glavo zahtevo za zajem trenutnega absolutnega položaja na linearni skali. Glava se odzove z bliskom močne svetleče diode, ki osvetli skalo. Blisk traja samo 100 ns, da ne bi prišlo do zameglitve slike zaradi gibanja po osi. Za ohranitev povezave med zahtevanim in ugotovljenim položajem je zelo pomembno, da se posnetek naredi že v nekaj nanosekundah. Prav zato je serija EVOLUTE idealna za najzahtevnejše pogonsko-pozicionirne sisteme.
Enosledna skala
Skala je izvedena kot sled kontrastnih linij polne širine z nominalno periodo 50 µm. Z odpravo več vzporednih sledi je zagotovljena pomembna odpornost proti napakam zaradi zasuka okrog navpične osi in večja toleranca lateralnega položaja glave.
Zajem slike
Skala se snema skozi asferičen objektiv, ki zmanjšuje popačenja, sliko pa zajame detektor po meri. Optična zasnova z lomljeno potjo osvetlitve in neposredno potjo zajema slike je zelo kompaktna, a stabilna. Tako zagotavlja potrebno jasnost za odlične merilno-tehnične lastnosti.
Dekodiranje in analiza podatkov
Slika, ki jo zajame detektor, se prek analogno-digitalnega pretvornika pošlje v močan digitalni signalni procesor (DSP). Posebni algoritmi nato iz kode, ki je vdelana v skali, določijo pravi absolutni, a še razmeroma grob položaj. Rezultat se nato preveri in drugi algoritmi v procesorju DSP določijo potrebne popravke na podlagi redundance in namenskih omejitev v kodiranju skale. Druge rutine medtem izračunajo natančen položaj z zelo visoko ločljivostjo, ki se kombinira z grobim položajem v pravi absolutni podatek o položaju z zelo visoko ločljivostjo.
Končne kontrole in izdaja podatkov
Po postopkih končne kontrole napak se podatek o položaju po ustreznem protokolu naloži v krmilnik kot čista serijska beseda. Za zaščito pred električnim šumom skrbi ciklično preverjanje redundance (CRC). Celoten proces traja le nekaj mikrosekund in se lahko vsako sekundo ponovi do 25.000-krat. Zmogljivost delovanja je z različnimi tehnikami, kot je prilagajanje trajanja svetlobnega bliska hitrosti osi, zagotovljena do hitrosti 100 m/s, obenem pa se ohranja izjemno nizko trepetanje položaja pri manjših delovnih hitrostih.
Rezultat je ...
Dajalnik EVOLUTE omogoča velikodušne tolerance montaže ±0,75° za zasuk okrog navpične osi ter ±0,5° za zasuk okrog vzdolžne in prečne osi. Toleranca vozne višine je impresivnih ±250 µm. Dovolj velika optična zasnova in napredni postopki korekcije napak pa po drugi strani zagotavljajo odlično odpornost proti optični kontaminaciji, tako z delci kot z mastnimi madeži, pri ločljivosti 50 nm do hitrosti 100 m/s.
QUANTiC™
Dajalnik QUANTiC uporablja edinstveno filtrirno optiko Renishaw tretje generacije, ki povpreči prispevke več črtic na skali in učinkovito filtrira neperiodične komponente signala, ki nastanejo npr. zaradi umazanije. Filtrira se tudi nominalni vzorec skale v obliki pravokotnih valov, na detektorju pa ostane samo čisto sinusoidno polje interferenčnih prog. Detektor ima strukturo glavnika, ki je dovolj fina za nastanek fototokov v obliki štirih signalov s simetričnimi fazami. Faze se kombinirajo za odstranitev enosmernih komponent toka in tvorijo se izhodni signali sinusne in kosinusne oblike z visoko spektralno čistočo in majhnim odmikom, pasovna širina pa presega 500 kHz.
Popolnoma integrirana napredna dinamična priprava signala, vključno s samodejnim nadzorom ojačenja, izenačevanja in odmikov, zagotavlja nizko napako interpolacije (SDE), značilno pod ±80 nm za male rotacijske sisteme, pod ±150 nm za velike rotacijske sisteme in pod ±80 nm za linearne sisteme.
Evolucija tehnike na področju filtrirne optike v kombinaciji s skrbno zasnovano elektroniko omogoča inkrementalni signal velike pasovne širine in maksimalno hitrost 8.800 obr/min za rotacijske sisteme ter 24 m/s za linearne sisteme, z najmanjšim trepetanjem položaja (šumom) med dajalniki svojega razreda. Za interpolacijo skrbi bralna glava, različice s fino ločljivostjo pa so še dodatno podprte z elektroniko za zmanjševanje šuma in dosegajo trepetanje do 2,73 nm RMS.
Referenčna oznaka IN-TRAC je popolnoma integrirana v inkrementalni skali in jo zaznava fotodetektor v bralni glavi. Edinstvena konfiguracija izkorišča tudi samodejno rutino umerjanja, ki elektronsko določi fazo referenčne oznake ter optimizira inkrementalni signal.
TONiC™
TONiC uporablja edinstveno filtrirno optiko Renishaw tretje generacije, ki povpreči prispevke več črtic na skali in učinkovito filtrira neperiodične komponente signala, ki nastanejo npr. zaradi umazanije. Filtrira se tudi nominalni vzorec skale v obliki pravokotnih valov, na detektorju pa ostane samo čisto sinusoidno polje interferenčnih prog. Detektor ima strukturo glavnika, ki je dovolj fina za nastanek fototokov v obliki štirih signalov s simetričnimi fazami. Faze se kombinirajo za odstranitev enosmernih komponent toka in tvorijo se izhodni signali sinusne in kosinusne oblike z visoko spektralno čistočo in majhnim odmikom, pasovna širina pa presega 500 kHz.
Popolnoma integrirana napredna dinamična obdelava signala ter samodejni nadzor ojačenja, izenačevanja in odmikov skupaj zagotavljajo ultranizko napako interpolacije (SDE), značilno pod ±30 nm.
Evolucija tehnike na področju filtrirne optike v kombinaciji s skrbno izbrano elektroniko omogoča inkrementalni signal velike pasovne širine in maksimalno hitrost 10 m/s z najmanjšim trepetanjem položaja (šumom) med dajalniki svojega razreda. Za interpolacijo skrbi algoritem CORDIC v vmesniku TONiC Ti, različice s fino ločljivostjo pa so še dodatno podprte z elektroniko za zmanjšanje šuma in dosegajo trepetanje samo 0,5 nm RMS.
Referenčna oznaka IN-TRAC je popolnoma integrirana v inkrementalni skali in jo zaznava deljeni fotodetektor v bralni glavi. Kot je razvidno iz diagrama, je deljeni detektor referenčne oznake vdelan neposredno v sredini linearnega polja fotodiod inkrementalnega kanala za večjo odpornost pred izgubo faze zaradi zasukov okrog navpične osi. Izhod referenčne oznake je tako dvosmerno ponovljiv do enote ločljivosti pri vseh hitrostih. Edinstvena konfiguracija izkorišča tudi samodejno rutino umerjanja, ki elektronsko določi fazo referenčne oznake ter optimizira dinamično obdelavo signala.
VIONiC™
Dajalnik VIONiC uporablja edinstveno filtrirno optiko Renishaw tretje generacije, ki povpreči prispevke več črtic na skali in učinkovito filtrira neperiodične komponente signala, ki nastanejo npr. zaradi umazanije. Filtrira se tudi nominalni vzorec skale v obliki pravokotnih valov, na detektorju pa ostane samo čisto sinusoidno polje interferenčnih prog. Detektor ima strukturo glavnika, ki je dovolj fina za nastanek fototokov v obliki štirih signalov s simetričnimi fazami. Faze se kombinirajo za odstranitev enosmernih komponent toka in tvorijo se izhodni signali sinusne in kosinusne oblike z visoko spektralno čistočo in majhnim odmikom, pasovna širina pa presega 500 kHz.
Popolnoma integrirana napredna dinamična obdelava signala ter samodejni nadzor ojačenja, izenačevanja in odmikov skupaj zagotavljajo ultranizko napako interpolacije (SDE), značilno pod ±15 nm.
Evolucija tehnike na področju filtrirne optike v kombinaciji s skrbno izbrano elektroniko omogoča inkrementalni signal velike pasovne širine in maksimalno hitrost 12 m/s z najmanjšim trepetanjem položaja (šumom) med dajalniki svojega razreda. Za interpolacijo skrbi bralna glava, različice s fino ločljivostjo pa so še dodatno podprte z elektroniko za zmanjševanje šuma in dosegajo trepetanje samo 1,6 nm RMS.
Referenčna oznaka IN-TRAC™ je popolnoma integrirana v inkrementalni skali in jo zaznava deljeni fotodetektor v bralni glavi. Kot je razvidno iz diagrama, je deljeni detektor referenčne oznake vdelan neposredno v sredini linearnega polja fotodiod inkrementalnega kanala za večjo odpornost pred izgubo faze zaradi zasukov okrog navpične osi. Edinstvena konfiguracija izkorišča tudi samodejno rutino umerjanja, ki elektronsko določi fazo referenčne oznake ter optimizira inkrementalni signal.
ATOM DX™
V dajalniku ATOM DX je vgrajena preizkušena filtrirna optika, ki je uporabljena tudi v inkrementalnih dajalnikih, kot sta Renishaw TONiC in VIONiC. Bralne glave ATOM DX imajo nekolimiran LED svetlobni vir, ki je nameščen na sredini med inkrementalnim detektorjem in senzorjem referenčne oznake: ta svetleča dioda z veliko divergenco zagotavlja majhno profilno višino in na skali pokriva ploskev, ki je bistveno večja od diode. Na ta način osvetljuje območji inkrementalne skale in referenčne oznake. Nekoherentna svetleča dioda zagotavlja signal visoke harmonične čistoče za visokoločljivostno interpolacijo. Z učinkovito fotometrijo je zagotovljeno tudi majhno trepetanje signala. Pomembna prednost te zasnove filtrirne optike je tudi v tem, da ATOM DX ne uvaja merilnih napak zaradi plapolanja ali kontaminacije skale.
Popolnoma integrirana napredna dinamična obdelava signala vključno s samodejnim nadzorom ojačenja, izenačevanja in odmikov zagotavlja ultranizko napako interpolacije (SDE), običajno pod ±15 nm.
Kombinacija filtrirne optike s skrbno izbrano elektroniko omogoča inkrementalni položajni signal velike pasovne širine in maksimalne hitrosti 12 m/s z najmanjšim trepetanjem položaja (šumom) med dajalniki svojega razreda. Za digitalno interpolacijo signala skrbi bralna glava, različice s fino ločljivostjo pa so še dodatno opremljene z elektroniko za zmanjševanje šuma in dosegajo trepetanje samo 1,6 nm RMS.
Dajalniki iz družine ATOM DX uporabljajo eno samo veliko referenčno optično oznako zunaj sledi za neobčutljivost pred kontaminacijo. Za določanje faze referenčne oznake se uporablja preprosta in intuitivna rutina za samodejno umerjanje, kot je znana pri družinah dajalnikov QUANTiC™ in VIONiC™.
ATOM™
Sistem ATOM ima nekolimirano svetlečo diodo, ki je nameščena na sredini med inkrementalnim detektorjem in senzorjem referenčne oznake. Ta svetleča dioda z veliko divergenco zagotavlja majhno profilno višino in na skali pokriva ploskev, ki je bistveno večja od diode. Na ta način osvetljuje območji inkrementalne skale in referenčne oznake.
ATOM uporablja enako shemo filtrirne optike kot vsi inkrementalni dajalniki Renishaw. Nekoherentna svetleča dioda zagotavlja signal visoke harmonične čistoče za visokoločljivostno interpolacijo. Z učinkovito fotometrijo je zagotovljeno tudi majhno trepetanje signala. Dodatna prednost zasnove filtrirne optike je tudi v tem, da ATOM ne ustvarja merilnih napak zaradi kontaminacije ali plapolanja skale.
ATOM uporablja eno samo referenčno optično oznako zunaj sledi za dobro neobčutljivost pred kontaminacijo. Določanje faze referenčne oznake je preprosta operacija, enako kot pri sistemu TONiC.