Rectitude
Basiques
Dans l’appareil HPI-3D, les mesures de rectitude peuvent être effectuées avec trois méthodes différentes: angulaire, Wollaston et 3D.
La méthode angulaire est conçue pour être utilisée dans les mesures de rectitude de base (comme l’autocollimateur optique);
La méthode Wollaston est conçue pour les mesures de «mouvement dans l’espace» – par ex. le mouvement d’une table de machine ou d’un outil de travail peut être caractérisé;
La méthode 3D est utilisée pour l’estimation rapide du «mouvement dans l’espace» – comme la méthode de Wollaston, mais la mesure est effectuée dans les trois axes à la fois.
Les principaux paramètres de ces méthodes sont décrits dans les données techniques Lasertex ci-dessous.
| Mesure | Rang | Résolution | Précision |
|---|---|---|---|
| Mesure de rectitude (avec optique angulaire) | 0 – 15 m | 0.1 μm ( pour 100 mm base ) | ± 0.2 % |
| Mesure de rectitude (avec optique 3D) | 0 – 6 m | 0.1 μm | ± (10+10*L) µm |
| Mesure de rectitude (avec prisme Wollaston) | 0.3 – 9 m rang verticale jusqu’a ±30 mm | 0.01 μm | ± 0.5% * L µm |
Choisissez l'une des méthodes ci-dessous:
Le fonctionnement du HPI-3D avec l’optique angulaire utilisée est illustré dans la figure ci-dessous. Le laser émet le faisceau laser composé de deux polarisations: horizontale (H) et verticale (V). Cela est possible car le séparateur de faisceau à l’intérieur de l’IK1 est réglé à l’angle de Brewster. Les deux faisceaux sont dirigés dans le chemin de mesure mais sont décalés parallèlement de 1 “ou 2” de distance (selon la version).
Lorsque la distance entre les éléments optiques est modifiée, la fréquence des deux faisceaux est modifiée en fonction de l’effet Doppler. La tête laser ne remarque un mouvement que s’il y a une rotation de IK1 par rapport à RK1, c’est-à-dire lorsqu’il y a une différence de longueur des trajets de faisceau. La distance mesurée peut alors être utilisée pour obtenir soit l’angle de rotation (tangage ou lacet de la machine) soit le mouvement vertical du composant optique (IK1 ou RK1).
La tête laser à optique angulaire est insensible aux mouvements linéaires.
La figure de droite montre schématiquement un RK1 sur un chariot avec tous les paramètres importants pour le calcul. Pour plus de clarté, la position de IK1 est traitée comme une référence. La signification des paramètres est:
L – longueur de base;
s – distance entre les poutres sur les éléments IK1 et RK1;
x – distance mesurée par la tête laser
α – rotation angulaire de l’élément RK1
h – différence de hauteur entre deux points de mesure
La tête laser mesure le paramètre x tandis que la distance entre les faisceaux s et la longueur de base L doit être définie dans les paramètres du logiciel HPI. Ensuite, l’angle de rotation α et le mouvement dans la direction verticale h peuvent être calculés à partir de:
Notes d’application
L’optique angulaire peut être utilisée pour:
Mesure du tangage ou du lacet d’une machine
Mesure de la rectitude d’un banc de machine
Mesure de petits angles
Mesure du tangage ou du lacet d’une machine et de la rectitude d’un banc de machine
L’explication des deux premières applications est présentée dans la figure ci-dessous. Le RK1 monté sur un chariot est translaté sur le rail de guidage mesuré. Chaque longueur du chariot (généralement 100 mm) une mesure est effectuée. Les formules du chapitre précédent sont ensuite utilisées pour le calcul des angles (pour les mesures de tangage / lacet) ou des traductions verticales (pour les mesures de rectitude).
It is worth to notice that such straightness measurement method requires proper choice of measurement points. Choosing points denser than the carriage size results in excessive values of the straightness errors (the shape of the error is proper).
Le choix de points trop clairsemés peut affecter à la fois la forme et la valeur de l’erreur, comme indiqué dans la figure ci-dessous. Dans ce cas particulier, en raison de points de mesure trop clairsemés, le laser ne remarquera pas le changement de forme du rail de guidage – la distance mesurée entre les faisceaux ne changera pas!
Mesure de petits angles
La mesure des petits angles permet des mesures très précises de petites rotations si deux conditions sont remplies:
1. l’angle mesuré est de ± 5 degrés.
2. la distance entre RK1 et la tête laser ne change pas de plus de quelques centimètres.
La deuxième limitation vient de l’effet hétérodyne présent dans le laser HPI-3D. Cet effet influence l’angle en fonction de (Δl est le changement de distance entre le laser et RK1 lors des mesures):
Une autre façon de mesurer la rectitude, le parallélisme et l’équerrage avec l’interféromètre laser nécessite l’utilisation d’optiques de type Wollaston. L’optique se compose de deux éléments: le prisme polarisant Wollaston WP2 et un réflecteur jumelé WRP2 – voir figure ci-dessous. Le faisceau laser, constitué de deux polarisations perpendiculaires, est divisé par l’élément WP2 en deux faisceaux. Les faisceaux quittent le WP2 sous un certain angle puis, après avoir été réfléchis par le réflecteur WRP2, retournent vers la tête laser. Le laser mesure la différence entre les longueurs de trajet des faisceaux.
La Figure 7.11 présente l’explication du fonctionnement de l’élément WP2. Ce prisme est constitué de deux prismes triangulaires biréfringents cimentés ensemble. Les deux prismes sont construits à partir du même matériau mais leurs axes ordinaires et extraordinaires sont perpendiculaires l’un à l’autre, c’est-à-dire que le coefficient de réfraction de l’axe ordinaire du prisme gauche nol est égal à la valeur du coefficient de l’axe extraordinaire du prisme droit.
Pour cette raison, les faisceaux laser polarisés orthogonalement entrant dans l’élément Wollaston sont déviés à différents angles sur la couche limite médiane et sur la couche limite droite. Ce comportement peut être facilement prouvé avec l’utilisation de la loi de Snell. L’angle entre les faisceaux sortants est souvent noté Θ.
Contrairement à l’optique angulaire, la distance entre les faisceaux change avec la distance, ce qui rend la construction de l’élément réfléchissant difficile. Les figures ci-dessous montrent la construction de l’élément de réflexion pour l’optique Wollaston WRP2. Il se compose de deux prismes en verre spéciaux collés très précisément à un angle de 180 – Θ. Les prismes utilisés dans le WRP2 sur l’axe des y réfléchissent le faisceau avec une translation de ½” (comme le rétroréflecteur RL1). Sur l’axe x, le faisceau est réfléchi sans translation (comme dans un miroir).
La tête laser à optique Wollaston est sensible aux mouvements angulaires du réflecteur!
L’utilisation de l’optique Wollaston permet la mesure du mouvement relatif de l’élément WP2 dans l’axe perpendiculaire au faisceau laser. Comme le montre la figure ci-dessous, les mesures sont possibles UNIQUEMENT avec le mouvement WP2.
En raison de la sensibilité de la lecture laser sur le mouvement angulaire du WRP2, il est important que pendant les mesures, l’élément WRP2 ne soit ni touché ni déplacé.
Notes d’application
Bien qu’il soit possible de mesurer la rectitude avec le mouvement de l’élément WP2 ou WRP2, il existe certaines différences. Le WRP2 cet élément doit être stationnaire pendant la mesure (c’est-à-dire ne doit pas être déplacé le long du faisceau laser). Comme le WRP2 se comporte dans l’un des axes comme un miroir, tout mouvement angulaire du WRP2 dans cet axe peut empêcher le faisceau laser de revenir vers la tête laser et influencer considérablement les résultats de mesure!
Il n’y a pas de tels problèmes lorsque le WP2 est déplacé à la place. Le seul inconvénient est la plage de mesure plus petite. WP2 peut être déplacé de ± 2 mm tandis que la plage de mesure maximale du WRP2 est de ± 30 mm (mais uniquement lorsque la distance entre WP2 et WRP2 est de 4,5 m).
La tête laser HPI-3D est capable de détecter la position du faisceau de retour. La position du faisceau de retour change avec le mouvement du rétroréflecteur RL1 perpendiculairement à l’axe du faisceau laser. Ce phénomène pour un axe est illustré dans la figure ci-dessous. Le faisceau revenant de l’interféromètre linéaire IL1 est traité comme une référence tandis que le faisceau réfléchi par RL1 comme un faisceau de mesure. Le laser enregistre simultanément des informations sur les changements de position d’un composant optique dans les deux axes perpendiculaires au faisceau laser.
La position mesurée est ensuite utilisée soit pour le contrôle précis de l’alignement du trajet du faisceau laser, soit pour les mesures de rectitude, d’équerrage ou de parallélisme. La mesure 3D renvoie les valeurs absolues de la position du faisceau. Ceci est différent de l’axe de mesure interférométrique principal où les résultats obtenus sont incrémentaux.
Notes d’application
L’option 3D peut être utilisée pour une estimation rapide de la rectitude simultanément sur deux axes mais avec certaines limitations résultant de la nature physique des mesures.
Contrairement à toutes les mesures interférométriques, la tête laser participe activement aux mesures, c’est-à-dire que sa position et ses vibrations influencent les résultats de mesure. Pour cette raison, il est important d’éviter d’utiliser le trépied et de fixer la tête laser directement sur la machine mesurée.
La mesure 3D se base sur la position du faisceau de retour sur le dispositif sensible à la position. Il est donc important que le faisceau reste dans la plage de mesure de l’appareil, c’est-à-dire ± 1 mm. L’utilisation de l’option 3D en dehors de cette plage produirait des résultats peu fiables.
Comme pour toutes les mesures de rectitude au laser, les turbulences de l’air ont une influence sur les résultats. Une petite errance du faisceau laser peut être prise en charge par le circuit de traitement du signal à l’intérieur du laser avec le changement du temps de calcul de la moyenne (voir la description du logiciel pour plus de détails). Si les mouvements d’air sont trop importants – c’est-à-dire lorsque le faisceau retournant au laser erre à l’extérieur de la fenêtre de ± 1 mm – alors les résultats des mesures 3D peuvent devenir inutilisables. Dans une telle situation, il faut utiliser une protection contre le mouvement de l’air ou un ventilateur forçant le mouvement de l’air. Le problème des turbulences de l’air est plus gênant pour des distances plus importantes entre la tête laser et l’élément RL1.
