автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Помехоустойчивые лазерные акустооптические интерферометры для управления автоматизированным технологическим оборудованием

Pío од

На правах рукописи

1 о по:; v¿s

БЛЗЫКИН Сергей Николаевич

УДК (581.586.32

ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ АКУСТООПТИЧЕСКИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ

Специальность 05.13.01 — «Управление в технических системах»

Специальность 05.13.05 — «Элементы и устройства вычислительном техники и систем управления»

Автореферат диссертации на соискание ученой степенн кандидата технических наук

ПЕНЗА lOÜfi

Работа выполнена и Пензенском государственном техническом университете н Московском государственном технологическом университете.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Телсшевскг.й В. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Артемов И. И.; кандидат технических наук, доцент Федотов В. Н.

Ведущее предприятие — ПИИФИ, г. Пенза.

Защита состоится _ 1996 г., в час.,

на заседании диссертационного совета Д 003.18.03 при Пензенском государственном' техническом университете по адресу: 440017, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета по адресу: 440017, г. Пенза, ул. Красная, 40.

Автореферат разослан

ъ елиХл-Р 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. т. п., профессор

Смогунов В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эффективное управление в технических системах невозможно без точной информации о параметрах физических процессов, которые протекают в этих системах. Такую информацию получают посредством различных измерительных устройств, от качества работы которых изначально зависит эффективность управления в целом.

Дальнейшее повышение качества и надежности работы машин и оборудования является одной из основных проблем современного машиностроения. Эффективность систем управления и контроля во многом определяет точность и надежность функционирования всех видов

автоматизированного технологического оборудования: сташсоз с числовым програмным управлением, робототехнических комплексов и транспортных систем. При этом метрологические требования контроля

автоматизированного оборудования обнаруживают тенденцию к увеличению числа параметров контроля, что приводит к созданию управляющих систем, качество которых во многом зависит от функциональных возможностей и точностных характеристик входящих в их состав измерительных систем.

Наиболее полно удовлетворяющие этим требованиям являются измерительные системы, работающие на принципах гетеродинной лазерной интерферометрии. Основы теории и принципы построения лазерных интерферометров с внешней модуляцией в нашей стране разрабатывались группой специалистов в Московском государственном технологическом университете СТАНКИН, Новосибирском институте автоматики и электрометрии, результатом которых был осуществлен " выпуск промышленных образцов лазерных интерферометров ИПЛ-10М.52, ИПЛ-ЗОК, ИПЛ-МП. За рубежом разработкой и выпуском лазерных интерферометров занимаются фирмы "Hewlett-Packard" (США), "Carl Zeiss" (Германия), "Метра Блакско" (Чехия) и т.д. При этом схема построения этих приборов зависит от типа имеющегося источника оптического излучения.

Система управления перемещениями рабочих органов станка требует несколько управляемых координат (до 5 * 6 а более). При этом для функционирования системы управления необходима максимально допустимая скорость перемещения подвижных органов станка 20 -:- 25 м/мин. Используя лазерный интерферометр для формирования нескольких оптических каналов и в условиях ограниченного энергетического потенциала источника оптического излучения, особенно остро встает проблема повышения помехоустойчивости, поскольку значение этого параметра определяет уровень функциональных возможностей лазерных интерферометров.

Настоящая работа посвящена исследованию функциональных возможностей лазерных акуетооптических интерферометров.

Цепь работы. Разработка принципов построения лазерных акустооптических интерферометров с улучшенными функциональными возможностями.

Методы исследований. В работе использованы методы: Фурье-оптики, теории вероятностей и математической статистики, теории автоматического управления, теории пространственной фильтрации. При экспериментальных исследованиях применены методы и средства лазерной интерференции, акустооптики, пространственной фильтрации, фотоэлектрических преобразований, включая оптическое гетеродинирование, прецизионных линейных измерений, вычислительной техники,^

Научная нозизна работы заключается в следующем.

. 1. Выявлена закономерность преобразование измерительных сигналов в лазерных акустооптических интерферометрах с частотной и пространственное фильтрацией световых пучков непосредственно до иг модуляции.

2. Определена зависимость показателе помехоустойчивости сигналов управления от количеств* применяемых оптических каналов и конфигурации оптической схемы. Показано, что наибольшее отношение сигнал/шум пр! ограниченной мощности источника оптического излученш

достигается при применении схемы с акуетооптическим преобразованием оптических сигналов до модуляции их движением контролируемого объекта.

3. Показано, что наибольшую . помехоустойчивость в сочетании с повышенной разрешающей способностью обеспечивает схема обработки измерительной информации, основанная на системе фазовой автоподстройки частоты.

Практическая ценность работы.

1. Результаты работы позволяют реализовать принцип построения лазерных акустсоптических интерферометров с функциональными возможностями, определяемыми соотношением сигнал/шум, равным 30 32. При этом число' формируемых оптических каналов от одного источника увеличивается до 5 * б; максимально допустимая скорость перемещения подвижного отражателя достигает 30 м/мин; диапазон измеряемых перемещений равен 0 -5- 500 м.

2. Разработанная методика инженерного расчета помехоустойчивости оптических схем позволяет на этапе разработки рассчитать необходимое соотношение сигнала к шуму в зависимости от количества применяемых оптических каналов в схеме.

3. Разработанный принцип определения пространственных реперных точек позволил реализовать лазерный акустооптический интерферометр с повышенной помехоустойчивостью результатов измерения.

Реализация результатов. Разработанная с участием автора акустооптическая система внедрена на Московском станкозаводе "Красный пролетарий" в качестве датчика обратной связи на станке для алмазного точения с ЧПУ, на инструментальном заводе "Измерон" г. Санкт-Петербурга в качестве опытного образца лазерного интерферометра для поверочного стенда индикаторов контакта, на Московском заводе шлифовальных станков "МСЗ" как лазерная измерительная система станка для алмазного шлифования субмикронной точности МШ-356.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: научно-технической конференции "Обеспечение точности

механической обработки в автоматизированном производстве", г. Пенза, 1990г.; 8 Всесоюзной научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", г. Москва, 1990 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок имеется 9 публикаций, получено 2 авторских свидетельства СССР, положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы 180 е., в том числе 107 с. основного текста, 45 с. таблиц и рисунков, список литературы из 121 наименования на 11 е., приложения на 17 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы задачи исследования, приведены основные научные положения и результаты работы, выносимые на защиту.

В первой главе анализируются задачи в области контроля точности геометрических параметров перемещений рабочих органов технологического оборудования. Показано, что при линейных и угловых измерениях, автоматическом слежении и управлении подвижными объектами наиболее перспективно применение оптико-электронных приборов. Проведенный анализ отечественных и зарубежных исследований показа«, что комплексу технических требований, предъявляемых к системам управления линейных перемещений кареток высокоточных станков наиболее полно соответствуют интерференционные гетеродинные датчики обратной связи станков с числовым програмным управлением.

Бесконтактный принцип интерференционных измерений, модульность конструкции, возможность построения многокоординатных измерительных систем, наличие связи с ЭВМ - все это позволяет включать современные акустооптические лазерные интерферометры в системы управления и контроля многокоординатных станков во время

(

обработки, тем самым гарантируя качество готовой продукции. При измеряемой длине свыше I м акустооптические лазерные интерферометры по производительности, метрологическим и экономическим критериям превосходят традиционные измерительные системы.

В акустооптических лазерных интерферометрах используются лазеры с автоподстройкой частоты, имеющие ограниченный энергетический потенциал. Поэтому в условиях, когда современное производство требует управления несколькими физическими параметрами, проблема улучшения функциональных возможностей акустооптических лазерных интерферометров встает особенно остро. Значение и актуальность этой задачи с течением времени возрастают.

В соответствии с вышеизложенным формулируются задачи исследования:

1. Построение обобщенной математической модели лазерного акустооптического интерферометра для случая акустооптического преобразования световых волн с одновременной их частотной и пространственной фильтрацией до модуляции информативного параметра.

2. Сравнительный анализ отдельных звеньев измерительных устройств по их помехоустойчивости.

3. Повышение соотношения сигнал/шум отдельных звеньев измерительного устройства с целью увеличения помехоустойчивости устройства в целом.

4. Синтез, на основе полученных результатов, модели лазерного акустооптического интерферометра с улучшенными функциональными возможностями.

5. Проведение экспериментальных исследований достоверности математической модели интерферометра.

6. Проектирование основных конструктивных элементов акустооптического лазерного интерферометра.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию хутей улучшения функциональных возможностей лазерного -штерференционного устройства.

Показано, что процесс преобразования измерительных ¡игиалов состоит из трех этапов: в оптическом тракте, в ¡ютоприемном устройстве и на частотах радиодиапазона.

Наиболее важным, в условиях ограниченной мощности оптического излучения, является получение максимального соотношения сигнал/шум в оптическом тракте. Увеличить мощность оптического излучения- можно увеличением мощности самого источника излучения. Однако, при низком к.п.д. источника излучения увеличение мощности его приводах к излишней тепловой отдаче, что ухудшает условия работы устройства.

Поэтому для получения максимального соотношения сигнал/шум в оптическом тракте ставилась задача проектирования такой оптической схемы, где мощность оптического излучения используется наиболее эффективно.

В работе рассматриваются различные варианты построения оптических схем. Разработанная оптическая схема с акустооптическим преобразованием сигналов до модуляции их движением контролируемого объекта уменьшает потери световой энергии в узле для разделения и смешения опорного и измерительного световых пучков и акустооптическом модуляторе. В результате анализа показано, что отношение сигнала к шуму у этой схемы будет наибольшим в сравнении с другими модификациями оптических схем.

Структурная обобщенная, схема разработанного устройства показана на рис. 1. После акустооптического преобразования (АОП) разночастотные оптические сигналы проходят соответственно постоянную и переменную оптическую линию задержки (Топ и Ти). Затем эти два оптических сигнала интерферируют и поступают в блок фотоэлектрического преобразования (ФЭП), где выделяется сигнал разностной частоты между ними, который несет информацию о перемещении контролируемого объекта.

В результате исследования показано, что расположение элементов в оптической схеме, где акустооптическое преобразование происходит до модуляции сигналов, позволило более полно использовать мощности дифракционного спектра а акустооптическом модуляторе. При этом

1. Одновременно формируются когерентные частотно-смещенные оптические пучки и происходит иг пространственное разделение (т.е. совмещение .функций

частотного преобразования света с их делением в пространстве).

2. Более эффективно используются дифракционные спектры на выходе акустооптического модулятора в интерференционной схеме: з формировании оптических каналов участвуют все порядки дифракции ("О", "+1", "-1"), причем "О" и "+1" распространяются в первом оптическом канале, а "О" и "-1" - во втором оптическом канале, а более энергетически мощный "О" порядок участвует в формировании измерительного оптического канала.

3. Интерференционные пучки, используемые в разных интерференционных каналах, формируются в одном сечении' акустооптического взаимодействия, что позволяет снизить относительную нестабильность фазовых преобразований.

Рис.1.

При использовании оптической схемы с акустооптическим преобразованием после модуляции уравнение, дающее соотношение мощностей дифракционных порядков имеет вид

гР^Ро =0,25-Р/п (1)

где Р - мощность источника оптического излучения; Ро - мощность "О" порядка дифракции; Р1 - мощность "I" порядка дифракции; п - количество применяемых оптических каналов в схеме.

В схеме с акустооптическим преобразованием ежн&лоз до модуляции аналогичное уравнение

!1Р0-1-шР, =0,5- (2)

где т=п , если п - четное; ш=п+1 , если п - нечетное.

Используя Р1 ¿О,15-Р0, отношение сигнала г. шуму в лазерных интерференционных устройствах с акустооптическим преобразованием после модуляции сигналов определяется

с/ш = ^[ц-Х1{Ь-С-М)\-(0,25-Р I л) (3)

где X - длина волны оптического излучения; Ь - постоянная Планка; г) - квантовая эффективность фотоприемника; А{ -полоса пропускания избирательного усилителя; С - скорость распространения света.

Отношение сигнала к шуму а лазерных интерференционных устройствах, использующих оптическую схему с акустооптическим преобразованием до модуляции определяется

с/ш = ^[п-Я/(ь-С-дг)]-(0,09-Р/п) (п-четкое) (4)

с/.ш = ^[1гХ/(ь-С-дг)](0,058-Р/п) (п - нечетное)

Получена зависимость соотношения сигнал/шум оптических схем с акустооптическим преобразованием сигналов до модуляции и после от количества применяемых оптических каналов в системе управления. График полученной зависимости представлен на рис. 2. Из графика видно, что отношение сигнал/шум схемы с акустооптическим преобразованием оптического сигнала до модуляции больше, чем отношение сигнал/шум схемы с акустооптическим преобразованием поеле модуляции в 1,5-2 раза.

Повышение соотношения сигнал/шум измерительного сигнала увеличивает технические параметры акустооптических лазерных интерферометров. Так, известно, что интенсивность оптического излучения для интерференционных приборов уменьшается Ь увеличением измеряемого расстояния. Поэтому большинство лазерных интерферометров имеют диапазон измерений 60 м. При использовании схемы с акустооптическим

преобразованием до модуйЩММ диапазон измеряемых перемещений увеличивается Дд 100 м.

Повышение соотношения сигнал/шум до значения 30 ч- 32 в схеме с ахустооптнческим преобразованием лазерного излучения до модуляции дает возможность увеличить допустимую скорость перемещений. При использований разработанной оптической схемы значение максимально допустимой скорости перемещений достигает 30 м/мин.

О, 0/6

о, 00$

с а*ус/поо/7/77с/</еслс/лг лрердрЬзобаж/е/у до мо^ляг/ш

____ _ &яс/с/7>оа/У7г?и</есх<//у

лреофс^зо^ние/* /юс/гя т&у/гяуио'

.2.

При рассмотрении вопроса повышения помехоустойчивости з электронном блоке обработки информации использовался аппарат теории вероятности. Здесь установлено, что наиболее оптимальной с точки зрения помехоустойчивости электронной схемой обработки информации является схема на основе системы ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты).

Система ФАПЧ позволяет получить наиболее высокое отношение сигнал/шум на выходе, т.к. имеет узкую шумовую полосу, достигающую десятков и даже единиц герц, в зависимости от используемого фильтра низкой частоты в петле обратной связи. В работе рассмотрены системы ФАПЧ с различными фильтрами. Показано, что стабильность работы

системы ФАПЧ будет лишь при отношениях сигнала к шуму б полосе ФАПЧ больше 5.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию лазерного акустооптического интерферометра.

Установлено, что для устройств обратной связи станков с числовым програмным управлением помехоустойчивость измерительных сигналов может определяться как сумма двух составляющих: долговременной и кратковременной помех, к, в основном, определяется количеством сбоев измерительной цифровой индикации в единицу времени. В фазовых измерительных системах, к классу которых относится рассматриваемое устройство, управляющая информация накапливается постепенно во время движения отражателя. Действие электромагнитных помех приводит к возникновению или исчезновению измерительных импульсов. Защита от действия подобных помех осуществляется методом электрической фильтрации измерительных сигналов. Существенным недостатком фазовых измерительных устройств с накоплением информации является вероятность потери достоверности сигналов при случайных перерывах оптической связи и сбоях в системе сетевого питания приборов, при которых прохождение измеряемой трассы в лучшем случае приходится проводить заново. Для повышения помехоустойчивости измерительных сигналов с этой точки зрения необходима сибтема с реперными точками, организованными по трассе управления перемещений, по которым бы возможно было восстановление информации о перемещении. В метрологическом оборудовании отечественного и зарубежного производства подобные системы организуются посредством применения контактных и бесконтактных позиционных датчиков касания, которые обеспечивают в лучшем случае точность позиционирования порядка 0,1 ± 0,04 мкм.

В работе предложена и исследована система, в которой в качестве пространственной реперной точки используется значение разности фаз двух одновременно распространяющихся по измеряемой трассе световых волн, образованных. ; двумя ортогонально поляризованными

п

спектральными линиями лазера, работающего в двухмодовом режиме (например, ЛГН-303).

Восстановление информационного параметра при использовании этих сигналов происходит не только при перерывах оптической связи между прибором и подвижным отражателем, но и при отключении питания лазера до его полного охлаждения до комнатной температуры.

При этом периодичность изменения разности фаз в пространстве при разбросе временных частот 640 Мгц составляет около 230 мм, что дает возможность построения датчиков обратной связи с абсолютным отсчетом измерения перемещений.

Показано, что с точки зрения помехоустойчивости наиболее оптимальной является схема с акустооптическим преобразованием до модуляции. Преимуществом этой схемы является то, что при различном количестве применяемых оптических каналов входная часть оптической схемы остается неизменной. Для этой схемы был разработан акустооптический блок формирования разночастотных лазерных пучков. В состав основных узлов блока входят акустооптический модулятор и две афокальные оптические системы.

Описаны разработанные акустооптические и электронные устройства для контроля линейных перемещений и отклонений от прямолинейности. Произведен расчет оптической разности хода лучей в разработанном интерферометре для измерения угловых перемещений. Оптическая разность хода равна

Д = 4с-$!пг(а/2) + <1-8!па (5)

где с я й - коэффициенты, зависящие от конструктивных особенностей схемы интерферометра.

Приведены структурные схемы одно-, двух-, треххоординатиыя лазерных акустооптических

интерферометров для измерения линейных перемещений и отклонений от прямолинейности.

Проведены экспериментальные исследования лазерных интерферометров с различными оптическими схемами. Испытания проводились во ВНИИизмерения в г.Москве и НИИФИ в г.Пензе. Показания лазерных интерференционных устройств сравнивались с показаниями образцового лазерного

интерферометра модели HP 5528А фирмы "Hewlett-Packard", При этом погрешность измерение лазерного интерферометра с акустооптическим преобразованием Н& входе составила 0,08 мкм на длине 500 мм.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию и разработке осдорнш; узлов лазерного акустооптического интерферометру.

Показано, что одним я? главных элементов акустооптического лазерного устройства является акусгтооптический модулятор. Проредены экспериментальные исодедовашш жидкостного акусторптического модулятора.. Устанррле^р, щд недостатками жидкостных акустооптических модуляторрр является то, что в результате химического взаимодействия материала светозвукопровода и материалов элементов акустооптического модулятора происходит изменение физических параметров и разгерметизация камеры акустооптического модулятора.

В результате исследования предложены конструкторско-технологические решения, которые исключают основные недостатки акустооптического модулятора и обеспечивают необходимые характеристики его работоспособности. Установлены основные соотношения конструктивных элементов акустооптического модулятора, например, расположение излучателя ультразвуковых волн. При этом. толщина стенки модулятора должна быть кратной значению половине длины ультразвуковой волны. Разработанный акустооптический модулятор обеспечивает надежную герметизацию камеры при мощности ультразвуковой волны, достаточной для работоспособности устройства в целом.

Приведены структурные схемы разработанных электронных блоков согласования акустооптического лазерного интерферометра с блоком индикации Ф5074 й с системой числового програмного управления станка. Разработанные электронные блоки согласования установлены на Московском станкозаводе "Красный пролетарий" и на инструментальном заводе "Измерон" г.Санкт-Петсрбурга.

В приложении представлены: результаты экспериментальных исследований лазерного интерферометра,

протоколы испытаний акустооптического лазерного интерферометра.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Построена обобщенная математическая модель лазерного интерферометра для управления акустооптическим преобразованием световых волн с одновременной их частотной и пространственной фильтрацией до модуляции сигналов перемещением контролируемого объекта.

2. Произведен сравнительный анализ отдельных звеньев интерферометра по критерию помехоустойчивости. Показано, что использование разработанной оптической схемы позволило повысить соотношение сигнал/шум на 50 %.

3. На основе полученных результатов разработан лазерный акустооптический интерферометр с улучшенными функциональными возможностями. При этом число формируемых оптических каналов от одного источника увеличивается* до 5 + 6; максимально допустимая скорость перемещения подвижного отражателя достигает 30 м/мин; диапазон измеряемых перемещений равен 0 -г- 100 м.

4. Проведены экспериментальные исследования достоверности математической модели интерферометра. Погрешность измерения при помощи разработанного устройства составила 0,08 мкм на длине 500мм.

5. Разработана схема с организованными по трассе измерения пространственными реперными точками, которая существенно повысила помехоустойчивость результатов измерения.

6:' Разработай^!- основные конструктивные элементы лазерного акустооптического интерферометра. Устройства внедрены на Московском станкозаводе "Красный пролетарий", на инструментальном заводе "Измерон" г. Санкт-Петербурга и на заводе шлифовальных станков "МСЗ" г. Москвы.

, 7. Показана возможность построения лазерных акустооптичесхих интерферометров с абсолютным отсчетом измерения перемещений за счет увеличения значения пространственного периода однозначности сигнала,

соответствующего величине перемещения контролируемого объекта.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Акустооптический блок формирования разночастотных лазерных пучков.(В соавторстве)// Информационный листок №214-88. Пенза, ЦНТИ, 1988 г.

2. Многофушсциионалъиый интерферометр.// Обеспечение точности механической обработки в автоматизированном производстве: Тез.докллсонф. - Пенза, 3990. - е. 20-21.

3. Лазерная измерительная система обратной связи для особоточных станков с ЧПУ.(В соавторстве)// Обеспечение точности механической обработки в автоматизированном производстве: Тез.докл.конф. - Пенза, 1990. - с. 22-23.

4. К анализу влияния мощности лазерного излучения ка точность измерений в гетеродинной лазерной интерферометрии. (В соавторстве)// Фотометрия к се метрологическое обеспечение. Материалы 8 Всесоюз.конф. -Москва, 1990. - с.238.

5. A.c. 1545184 (СССР), МКИ G 02В 7/00. Устройство дан фиксации оптических элементов.(В соавторстве)// Опубл. в Б.И, - 1990, №7.

6. A.c. 169685! (СССР), МКИ G 01В 9/02. Интерферометр для измерения отклонений от прямолинейнссти.(В соавторстве) // Опубл. в Б.И. - 1991, №45!

7. Устройство для определения действительного значения длины волны лазерного излучения.(Б соавторстве) // Информационный листок №5-96. Пенза, ЦНТИ, 1995.

8. Устройство юстировки _ оптических средств относительно базирующей поверхности.(В соавторстве) // Информационный листок №6-96. Пенза, ЦНТИ, 1995.

9. Интерферометр для измерения линейных перемещений и отклонений от прямолинейности. //• Информационный листок №3-96. Пенза, ЦНТИ, 1995.

10. Способ определения действительного значения длины волны лазерного излучения.(В соавторстве) // Пол. решение о выдаче патента на изобретение № 94037819/25 от 10.01.1996.

1!. Повышение помехоустойчивости оптических схем гетеродинных лазерных штерферометров.(В соавторстве) // В сб. Элементы я приборы систем измерения и управления автоматизированных производств. Пенза, ПГТУ, 1996. (В печати).

12. Акустооптический лазерный интерферометр с эффективным использованием мощности оптического излучения. // Информационный листок №17-96. Пенза, ЦНТИ, 3995.