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Renishaw 光學尺的運作方式

封閉型絕對式光學尺

開放型絕對式光學尺

開放型增量式光學尺

FORTiS™

什麼是 Renishaw 封閉式光學尺?

封閉式光學尺在連接至讀頭機身上的密封組件中,配備光學尺的電子和光學鏡組。密封式光學組件和光學尺均受到密封式外殼的額外保護。此設計可提供防止液體及固體碎屑污染物進入的高度防護能力。

封閉式線性光學尺具備擠型外殼,並縱向連接至互鎖式具唇邊的密封件和密封端蓋。讀頭支架以葉片連接密封的光學元件,葉片可穿過密封件並沿著光學尺長度行進。

光學方案 FORTIS™

RESOLUTE™

RESOLUTE 透過各種符合產業標準的通訊協定,以專屬或開放標準純序列格式進行雙向通訊。

RESOLUTE™ 編碼器光學配置附註解

製程開始......

控制器在啟動操作時會將需求訊息傳送至讀頭,指示讀頭瞬間捕捉線性或旋轉光學尺上的絕對位置。讀頭以高功率 LED 光源閃爍照亮光學尺的方式做出回應。閃光只持續 100 ns,以免在活動軸上產生模糊影像。更重要的是,閃光時機控制在幾 ns 之內,以確保所需位置與回報位置的關係,這項不可或缺的特性,使 RESOLUTE 成為符合運動系統超高規格要求的理想選擇。

單軌光學尺

此光學尺基本上是一種具備全寬對比線的單軌光學尺,標稱週期 30 µm。不採用多軌並列設計反而賦予此光學尺重要的防偏擺誤差能力,頭部位置的側向公差也有所改善。

取得影像

光學尺透過非球面鏡成像於專為 RESOLUTE 設計的客製化感測器陣列上,該非球面鏡可將失真程度減至最低。此光學尺採折疊光路與直接成像設計,輕巧且穩定,確保精密量測所需的保真度。

資料解碼與分析

感測器捕捉的影像透過類比轉數位轉換器 (ADC),轉送至功能強大的數位訊號處理器 (DSP)。接著由特別開發的演算法從嵌入光學尺的編碼中,擷取真正絕對但相對粗略的位置。此過程中 DSP 內的其他演算法,利用光學編碼內的冗餘與故意限制進行檢驗與矯正。在此同時,其他常式計算超高解析度精密位置,此位置接著與粗略位置結合,提供真正絕對的超高解析度位置。

最後檢查與資料輸出

完成最後錯誤檢查程序後,此資訊會透過適當的通訊協定以純序列文字上傳至控制器,位置解析度精細至 1 nm 以內。循環冗餘檢查(CRC)功能提供防電氣雜訊干擾保護。整個過程在幾微秒內完成,每秒可重複多達 25,000 次。在各種技術(包括配合軸速調整閃光持續時間)的支援下,即使在 100 m/s 的速度下也能呈現如此優異的表現,而更重要的則是能在低操作速度下展現極低的定位抖動。

結果...

具備寬廣安裝公差的光學尺:RESOLUTE 的偏擺角、俯仰角及翻轉角為 ±0.5°,安裝高度為絕佳的 ±150 µm。此外,寬廣的光學覆蓋區與先進的錯誤矯正程序賦予優異的抗光汙染能力,包括微粒物質和油汙。此光學尺具備上述優點,且在速度為 100 m/s 時保持在 1 nm 的解析度:RESOLUTE 是面對最艱難絕對挑戰時的唯一選擇。

EVOLUTE™

EVOLUTE 光學尺透過各種符合產業標準的通訊協定,以專屬或開放標準純序列格式進行雙方通訊。

EVOLUTE™ 編碼器光學配置附註解

製程開始......

控制器在啟動操作時會將需求訊息傳送至讀頭,指示讀頭瞬間捕捉線性光學尺上的絕對位置。讀頭以高功率 LED 光源閃爍照亮光學尺的方式做出回應。閃光只持續 100 ns,以免在活動軸上產生模糊影像。更重要的是,閃光時機控制在幾 ns 之內,以確保所需位置與回報位置的關係,使 EVOLUTE 系列成為符合運動系統高規格要求的理想選擇。

單軌光學尺

此光學尺基本上是一種具備全寬對比線的單軌光學尺,標稱週期 50 µm。不採用多軌並列設計反而賦予此光學尺重要的防偏擺誤差能力,頭部位置的側向公差也有更大的改善。

取得影像

光學尺透過非球面鏡成像於客製化感測器陣列上,該非球面鏡可將失真程度減至最低。此光學尺採折疊光路與直接成像設計,輕巧且穩定,確保精密量測所需的保真度。

資料解碼與分析

感測器捕捉的影像透過類比轉數位轉換器,轉送至功能強大的數位訊號處理器 (DSP)。接著由特別開發的演算法從嵌入光學尺的編碼中,擷取真正絕對但相對粗略的位置。此過程中 DSP 內的其他演算法,利用光學編碼內的冗餘與故意限制進行檢驗與矯正。在此同時,其他常式計算超高解析度精密位置,此位置接著與粗略位置結合,提供真正絕對的超高解析度位置。

最後檢查與資料輸出

完成最後錯誤檢查程序後,位置資訊透過相關通訊協定以純序列文字上傳至控制器。循環冗餘檢查(CRC)功能提供防電氣雜訊干擾保護。整個過程在幾微秒內完成,每秒可重複多達 25,000 次。在各種技術(包括配合軸速調整閃光持續時間)的支援下,即使在 100 m/s 的速度下也能呈現如此優異的表現,且能在低操作速度下展現極低的定位抖動。

結果...

EVOLUTE 光學尺可提供充裕的安裝公差,偏擺角為 ±0.75°,俯仰角和翻轉角為 ±0.5°,而安裝高度則達優異的 ±250 µm。此外,寬廣的光學覆蓋區與先進的錯誤矯正程序提供優異的抗光汙染能力,包括微粒物質和油汙,同時還能在最高 100 m/s 的速度下維持 50 nm 的解析度。

QUANTiC™

QUANTiC 光學尺具備 Renishaw 第三代獨特過濾光學鏡組,能均化許多光學尺週期的作用,並且有效篩選非週期特徵,例如髒汙。表面方波刻距模型也經過篩選,在光感測器留下純粹正弦的干涉條紋。其中使用了一種多指結構,精細到足以產生四種對稱相位訊號形式的光電流。這些結合是為了移除 DC 元件及產生正弦與餘弦訊號輸出,具備高光譜純度與低偏移,維持高達 500 kHz 的頻寬。

完全整合的先進動態訊號調節功能(包括自動增益控制、自動平衡控制及自動偏置控制),確保能提供小型旋轉系統 < ±80 nm,大型旋轉系統 < ±150 nm 且線性系統 < ±80 nm 的低細分誤差 (SDE)。

進化的過濾光學鏡組結合精心設計的電子裝置,提供寬頻寬增量訊號,達到旋轉系統 8,800 rpm、線性系統 24 m/s 的最高速度與最低位置抖動(雜訊),遠勝於同級編碼器。讀頭內進行細分,透過額外的降噪電子工具加強高解析度版本,將抖動降低至 2.73 nm RMS。

TONiC™ 光學配置附註解

IN-TRAC 參考原點完全整合至增量式光學尺,並由讀頭內的光感測器偵測。這樣獨特的配置歸功於自動校準程序,以電子方式定相參考原點及最佳化增量訊號。

TONiC™

TONiC 具備 Renishaw 第三代獨特過濾光學鏡組,能均化許多光學尺週期的作用,並且有效篩選非週期特徵,例如髒汙。表面方波刻距模型也經過篩選,在光感測器留下純粹正弦的干涉條紋。其中使用了一種多指結構,精細到足以產生四種對稱相位訊號形式的光電流。這些結合是為了移除 DC 元件及產生正弦與餘弦訊號輸出,具備高光譜純度與低偏移,維持高達 500 kHz 的頻寬。

完全整合的先進動態訊號調節、自動增益控制、自動平衡控制及自動偏置控制,確保能提供一般 < ±30 nm 的超低細分誤差 (SDE)。

過濾光學鏡組的進化與精選電子裝置結合,提供寬頻寬增量訊號,達到 10 m/s 的最高速度與最低位置抖動(雜訊),遠勝於市場上其他同級光學尺。由內建於 TONiC Ti 介面的 CORDIC 演算機制進行細分,透過額外的降噪電子工具加強高解析度版本,將抖動降為極低的 0.5 nm RMS。

TONiC™ 光學配置附註解

IN-TRAC 參考原點完全整合至增量式光學尺,並由讀頭內二側的光感測器偵測。如圖所示,參考原點分割偵測器直接嵌入增量槽刻度線性光電二極體陣列,確保能增強抗偏航失相性能。產生參考原點輸出,此輸出可在任何速度下雙向重現至解析度單位。獨特的安排歸功於自動校正程序,以電子方式定相參考原點及優化動態訊號調節

VIONiC™

VIONiC 光學尺具備 Renishaw 第三代獨特過濾光學鏡組,能均化許多光學尺週期的作用,並有效篩除非週期特徵,例如髒汙。表面方波刻距模型也經過篩選,在光感測器留下純粹正弦的干涉條紋。其中使用了一種多指結構,精細到足以產生四種對稱相位訊號形式的光電流。這些結合是為了移除 DC 元件及產生正弦與餘弦訊號輸出,具備高光譜純度與低偏移,維持高達 500 kHz 的頻寬。

完全整合的先進動態訊號調節、自動增益控制、自動平衡控制及自動偏置控制,確保能提供一般 < ±15 nm 的超低細分誤差 (SDE)。

過濾光學鏡組的進化與精選電子裝置結合,提供寬頻寬增量訊號,達到 12 m/s 的最高速度與最低位置抖動(雜訊),遠勝於市場上其他同級光學尺。讀頭內進行細分,透過額外的降噪電子工具加強高解析度版本,將抖動降為極低的 1.6 nm RMS。

TONiC™ 光學配置附註解

IN-TRAC™ 參考原點已完全整合至增量式光學尺,可由讀頭內二側的光感測器偵測。如圖所示,參考原點分割偵測器直接嵌入增量槽刻度線性光電二極體陣列,確保能增強抗偏航失相性能。這樣獨特的配置歸功於自動校準程序,以電子方式定相參考原點及最佳化增量訊號。

ATOM DX™

ATOM DX 光學尺採用的過濾光學鏡組,也應用於 TONiC 及 VIONiC 等 Renishaw 增量式光學尺,是獲得市場肯定的過濾光學鏡組。ATOM DX 讀頭採用的非準直 LED 光源,位於增量及參考原點感測器正中央:這組高發散 LED 的高度較低,且在光學尺上的體積比 LED 大,能讓增量與參考原點區域發亮。未同調的 LED 會產生高純度的簡諧波長訊號,提供高解析度分割。高效率的測光法也會產生低抖動的輸出訊號。這種過濾光學鏡組還有另一項重大優勢,就是 ATOM DX 不會因光學尺不平或污染而導致量測錯誤。


完全整合的先進動態訊號調節方法(包括自動增益控制、自動平衡控制及自動偏置控制),確保能提供一般 < ±15 nm 的超低細分誤差 (SDE)。


結合過濾光學鏡組與精選電子裝置,提供寬頻寬增量位置回饋訊號,達到 12 m/s 的最高速度與最低位置抖動 (雜訊),遠勝於同級光學尺。數位訊號細分於讀頭內進行,透過額外的降噪電子工具加強高解析度版本,將抖動降為極低的 1.6 nm RMS。


ATOM DX 光學尺系列運用大型單一功能偏離光學參考原點,擁有良好的抗污效果。定向參考原點是以簡單直覺的自動校正例行程序達成,也應用於 QUANTiC™VIONiC™ 系列光學尺。

ATOM™ 光學配置附註解

ATOM™

ATOM 採用的非準直 LED 位於增量與參考原點感測器正中央。這組高發散 LED 的高度較低,且在光學尺上的體積比 LED 大,能讓增量與參考原點區域發亮。

ATOM 採用 Renishaw 所有增量式光學尺採用的過濾光學鏡組機構。未同調的 LED 會產生高純度的簡諧波長訊號,提供高解析度分割。此外,高效率的測光法也會產生少量抖動訊號。ATOM 使用的過濾光學鏡組還有另一個優勢,就是它不會因光學尺污染與不平而導致量測錯誤。

ATOM 運用大型單一功能偏離光學參考原點,擁有良好的抗污效果。定向參考原點就和運用 TONiC 作業同樣簡便。

ATOM™ 光學配置附註解