MXPA98001433A

MXPA98001433A - Sistema de metrologia dinamicamente rigido, de alta amplitud de banda, para la medicion y el control de procesos de fabricacion inteligentes.

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Publication number: MXPA98001433A
Application number: MXPA98001433A
Authority: MX
Inventors: Kyrazis Demos
Original assignee: Kyrazis Demos
Priority date: 1995-08-22
Filing date: 1996-08-05
Publication date: 2005-09-08
Also published as: ES2166461T3; BR9610148A; EP0846248A4; DE69616353D1; CA2229935A1; EP0846248A1; CA2229935C; WO1997008510A1; ATE207401T1; JP2000502176A; US5666202A; EP0846248B1; DE69616353T2

Abstract

Un aparato para proporcionar control de tiempo real de un elemento de direccion optico incluye un par de directores de haz de laser estabilizado (52) incluye una base, un apuntador de haz, y un aparato de estabilizacion mecanicamente acoplado con la base (10), tres dispositivos de laser de has de referencia (13), y un dispositivo de laser de haz estabilizado unido a la base (10). Cada aparato para apuntar y estabilizar el haz incluye un de direccion optico y un detector de inclinacion del eje. El elemento de direccion optico se acopla opticamente al dispositivo de laser de haz estabilizado, y dirige al dispositivo de laser de has estabilizado (56). El subsistema de referencia incluye tres detectores de referencia (58) fijamente colocados en relacion con una pieza de trabajo, que proporciona un sistema de coordenadas de la pieza de trabajo localmente rigido. Los tres detectores de referencia (58) estan respectivamente en comunicacion optica con los tres dispositivos de laser de haz de referencia (13). Un procesador recibe y realiza las transformaciones de coordenadas sobre las senales de salida del detector de referencia, y el detector sensor de la herramienta produce senales para rastrear una posicion de la herramienta en relacion con el sistema de coordenadas rigido de la pieza de trabajo.

Description

SISTEMA DE METROLOGIA DINAMICAMENTE RIGIDO, DE ALTA AMPLITUD DE BANDA, PARA LA MEDICION Y EL CONTROL DE PROCESOS DE FABRICACION INTELIGENTES ANTECEDENTES DE LA INVENCION Campo de la Invención Esta divulgación describe un sistema de metrología dinámicamente rígido (DRMS) de alta amplitud de banda, para la medición y el control de procesos industriales. La frase "dinámicamente rígido" se define para significar una que establece un sistema de coordenadas fijas en el espacio que, desde el punto de vista funcional, se une rígidamente a una "pieza de trabajo" sin la necesidad de estructuras rígidas masivas, para mantener la rigidez. El sistema de coordenadas se establece mediante un elemento óptico, y los dispositivos ópticos utilizados en este sistema tienen suficiente amplitud de banda para contrarrestar los efectos de la vibración y el movimiento relativo entre el sistema de metrología y la pieza de trabajo. Mediante el mantenimiento de una relación fija en el espacio entre los haces de láser dinámicamente estabilizados y la pieza de trabajo, se obtiene el equivalente funcional de la rigidez. Una característica principal de esta invención, es que puede obtener muy altas precisiones de una manera económica, mediante la utilización de los componentes industriales del anaquel, con frecuencia de maneras innovadoras no originalmente previstas por el fabricante. Por consiguiente, los costos para obtener un alto funcionamiento se reducen sustancialmente , con frecuencia al 1 por ciento o menos del costo asociados con el estado actual de la técnica. En algunos casos, se presentan errores relativamente grandes asociados con ciertas clases de componentes industriales, y esto no se pueden reducir hasta tolerancias aceptables, independientemente del costo. El medio ambiente en donde se utiliza esta invención, también induce errores en la colocación, y estos errores se deben medir. Una parte integral de esta invención, es el elemento para medir estos errores, y para corregirlos. Se requiere de una potencia de computación sustancial, tal como la proporcionada por las estaciones de trabajo o las computadoras personales de extremo alto, para ejecutar las operaciones matemáticas de alta velocidad utilizadas para calcular las correcciones en tiempo real. En adición, los sensores ópticos de ruido reducido y las fuentes de luz mejoradas, hacen posible la detección y el rastreo de precisión de bajo costo.

Descripción de la Técnica Relacionada PLANTEAMIENTOS COMPETITIVOS Los planteamientos de metrología se pueden clasificar como directos o indirectos. Una medición directa se hace, por ejemplo, mediante la medición de la posición de un punto con respecto a alguna referencia con una medida de cinta. Un ejemplo del planteamiento de medición indirecta es un sistema de visión estereoscópica, en donde la medición de la distancia se hace mediante triangulación. Las cantidades realmente medidas son la distancia entre dos cámaras, y el registro de las imágenes sobre el plano focal . El sistema de metrología dinámicamente rígido (DRMS) de la presente invención, es un método de medición indirecta. La Tabla I ilustra las tecnologías que compiten con el sistema de metrología dinámicamente rígido.

Mediciones de Posición Directaa-Interferómetro Un método directo extremadamente preciso, comercialmente disponible, para medir la longitud, es un interferómetro de láser, que es miles de veces más preciso para medir la distancia a lo largo de un- haz que la capacidad del sistema de metrología dinámicamente rígido. El National Institute of Standards and Technology (El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) (NIST) ha reportado el uso de un sistema de interferometría de láser para rastrear dinámicamente la posición de un efector de extremo de robot. En adición al haz de láser, el sistema utiliza espejos giratorios para rastrear el haz sobre el robot, y reflejarlo de regreso hacia el interferómetro . De esta manera, una distancia y dos ángulos dan las coordenadas esféricas de un punto con respecto al sistema de coordenadas unido al instrumento de medición. Este es un sistema de laboratorio, y su precisión declarada es de 0.0127 milímetros dentro de un cubo de 3 metros, como un resultado de los errores inducidos por el espejo.

Tabla I . Comparación de los Planteamientos PRECISO VOLUMEN ALTA AMPLITUD GRANDE DE BANDA DIRECTO Interferómetro Dispositivo NIST X INDIRECTO Teodolito X Formación de imágenes ópticas X DRMS X El sistema de interferómetro tiene un número de limitaciones. Los espejos utilizados en este sistema son espejos impulsados por galvanómetro, y como un resultado de las tolerancias de apoyo, el eje' de rotación oscila a medida que gira el espejo. Este componente oscilatorio es del orden de 5 micro-radianes (aproximadamente 1 segundo de arco) , lo cual da como resultado un error crecientemente más grande a medida que se incrementa el volumen de la medición. Para obtener una alta amplitud de banda, los espejos deben ser relativamente pequeños (de aproximadamente 2 centímetros de diámetro) , lo cual precluye el uso de los haces de diámetro grande necesarios para una alta resolución sobre grandes distancias . En adición a los problemas mecánicos de los espejos giratorios, el inteRferómetro solamente puede medir los cambios en la distancia contando los márgenes de interferencia que resultan de ese cambio. En consecuencia, cualquier interrupción del haz requiere del restablecimiento de un punto de referencia, ya que se habrá perdido la cuenta marginal por la interrupción. El componente de velocidad máxima que puede tener un objeto a lo largo de la dirección del haz del interferómetro, está limitado a 71.12 centímetros por segundo para los interferómetros comercialmente disponibles. Esta velocidad es mucho más lenta que aquella en la que se mueven muchas máquinas . El sistema basado en interferómetro tiene una alta precisión dentro de un volumen razonablemente grande, requiere de una rigidez global para funcionar, y tiene una capacidad de rastreo de velocidad limitada. Sin embargo, debido al problema de la interrupción del haz, su uso primario está en el laboratorio, o como un dispositivo de calibración para otro sistemas de metrología que se van a utilizar en el medio ambiente de producción.

Medición de Posición Directa-Teodolito Los instrumentos de medición de posición directa-teodolito comercialmente disponibles (es decir, Estación Total Electrónica Sokkia SETBii) trabajan sobre un principio similar al dispositivo previamente descrito. Este instrumento básicamente consiste en un teodolito al que se le ha agregado un encontrador de rango de láser. El teodolito proporciona las dos coordenadas angulares, y el láser proporciona la coordenada de la distancia. Este instrumento es mucho más lento que el dispositivo NIST, y mucho menos preciso, debido al encontrador de rango de láser. El encontrador de rango de láser tiene una resolución de 0.1651 milímetros, lo cual implica una resolución de tiempo de ÍCT11 segundos. En contraste, para obtener la resolución de distancia del dispositivo NIST, se requiere de una resolución de tiempo de 4 x 10"14 segundos, que ahora solamente es posible bajo ciertas condiciones de laboratorio.

Mediciones de Posición Indirecta-Teodolito El método indirecto prototípico para medir la posición está en el levantamiento de tierra a través de triangulación. Todos los demás métodos indirectos deben contener los mismos elementos, y se ayuda a un entendimiento del sistema de metrología dinámicamente rígido por analogía al levantamiento. En el problema del levantamiento, la triangulación requiere de una distancia cuidadosamente medida como una línea base, y un plano de referencia determinado por la intersección de la línea base y la vertical local, como sea establecida por el vector de gravedad. El vector normal al plano de referencia, con la vertical local y la línea base, establecen tres ejes de coordenadas a partir de los cuales se pueden hacer las mediciones. El teodolito se utiliza para medir el azimut y los ángulos de elevación desde cada extremo de la línea base hasta el punto en cuestión. Esta información es suficiente para resolver los otros lados y el ángulo del triángulo, así como su orientación. En el problema del levantamiento, se utilizan ecuaciones matemáticas para transformarse a coordenadas estándares, tales como latitud y longitud . Los teodolitos de los levantadores se han utilizado para calibrar estáticamente la posición de efecto del extremo del robot . Este es uno de los métodos indirectos más precisos para hacer la medición, pero es extremadamente lento, ya que requiere de la operación manual y de lecturas repetidas.

Mediciones de Posición Indirecta-Formación de Imágenes Opticas Un sistema de visión estereoscópica que consiste en dos (o más) cámaras de video fijas, puede hacer la misma medición a una velocidad más rápida, mediante el procesamiento de la imagen, y la determinación de en donde en cada plano focal se localizan las características fijas de la escena observada. Este sistema es conveniente, porque la pieza de trabajo y la herramienta se pueden ver ambas al mismo tiempo. La amplitud de banda de este tipo de sistema está limitada por la velocidad de los marcos de video, de 30 marcos por segundo, lo cual establece una frecuencia de Nyquist de 15 Hz . Cuando se toma en cuenta el tiempo de procesamiento de imagen intenso en computación, las amplitudes de banda se reducen todavía más, con amplitudes de banda realistas reducidas hasta 5 Hz o menos . Un sistema comercialmente disponible que realiza la función equivalente del sistema estereoscópico, se denomina "Optotrak" . Este sistema comercialmente disponible elimina el tiempo de procesamiento de imágenes, mediante la utilización "de fuentes de punto de luz (diodos emisores de luz) montadas sobre los objetos cuyas posiciones se van a medir. Las fuentes de luz se observan mediante tres arreglos lineales de dispositivos de carga acoplada (CCD) rígidamente montados sobre una barra sensora de 1.1 metros . Cada fuente de luz se enciende en secuencia, de tal manera que los dispositivos de carga acoplada ven una fuente a la vez. De esta manera, no se necesita procesamiento alguno para determinar la identidad del punto en el espacio. El fabricante proclama una velocidad de datos de posición de hasta 600 Hz para este sistema, lo cual da como resultado una frecuencia Nyquist de 300 Hz . Cuando mucho, este sistema proporcionaría una amplitud de banda de control de ciclo cerrado de 15 a 30 Hz . La precisión proclamada del sistema a una distancia de 6 metros (19.7 pies) de la barra sensora, es de aproximadamen e 0.9906 milímetros, basándose en la toma de la suma de la raíz de los cuadrados de los errores individuales por cada dirección de coordenada. El campo de visión a esa distancia es de 2.60 x 3.54 metros (8.53 x 11.32 pies), comparable a una cara del cubo que mide el sistema NIST previamente descrito, hasta una precisión de 0.0127 milímetros. Inclusive a una distancia más corta de solamente 2.25 metros (7.38 pies), con un campo de visión reducido de 1.34 x 1.26 metros (4.4 x 4.2 pies), el error es de aproximadamente 0.2032 milímetros.

Limitaciones Fundamentales de los Sistemas de Formación de Imágenes Opticas Una limitación fundamental que debe ser enfrentada por todos los sistemas de metrología óptica indirecta, y que debe ser tomada en cuenta en cualquier aplicación, es el efecto de la dispersión del haz debido a la difracción. Bien sea que se considere la proyección y el enfoque de un haz sobre un objetivo, o el elemento más pequeño que se pueda resolver mediante un sistema de visión, ambos están limitados por las leyes de difracción. Básicamente, el diámetro d del punto más pequeño que se puede resolver mediante un sistema óptico, es dado aproximadamente por el doble del producto del rango R y la longitud de onda de la luz ? dividido entre el diámetro del lente de proyección del haz D; es decir, R\ d = 2.44 (1.1) D Por ejemplo, un lente de un diámetro de 5.08 centímetros enfocado sobre un objeto a un metro de distancia, solamente podrá resolver 0.0254 milímetros cuando se vea el objeto por la luz roja de un láser de helio-neón (0.63 mieras) . Se puede hacer una diferenciación entre un elemento de resolución, determinado por el tamaño del punto limitado por la difracción (Ecuación 1.1), y la resolución determinada por los pixeles en un arreglo de dispositivos de carga acoplada. Si el punto de difracción es más pequeño que un pixel, entonces el tamaño del pixel determina la resolución. Si el punto de difracción cubre varios pixeles, entonces hay técnicas de procesamiento de imágenes que permiten determinar la posición de un objeto de alto contraste con menos que un tamaño del punto de difracción. Se puede ver que, para una resolución especificada, el campo de visión del sistema óptico está limitado por el número total de pixeles disponibles sobre el detector del plano focal. Los arreglos de dispositivos de carga acoplada, por ejemplo, son dispositivos separados en donde cada pixel es un detector individual montado sobre un sustrato. El número total de pixeles a lo largo de un rango dirección, es desde unos cuantos cientos hasta dos mil. Finalmente, la relación es entre (1) un campo de visión limitado, con una alta resolución, y óptica grande; y (2) un campo de visión grande con una baja resolución, y óptica pequeña . Las limitaciones impuestas por los efectos de difracción necesitan del movimiento mecánico del sistema óptico, si se desea una combinación de alta resolución y un campo de observación grande. Sin embargo, el movimiento de un sistema óptico relativamente grande introduce un nuevo conjunto de problemas, que da lugar a requerimientos en conflicto. Por ejemplo, el movimiento de un conjunto de componentes relativamente pesado a una alta velocidad, tiene conflicto con su colocación hasta precisiones de micro-radianes, debido a que los grandes apoyos necesarios para tomar las cargas, introducirán grandes cantidades de oscilación del eje de rotación, etcétera. Un examen de los sistemas existentes y de los componentes disponibles, conduce a la conclusión de que los diseñadores de estos sistemas ya han hecho un progreso sustancial al poner el funcionamiento del sistema cerca de los limites físicos y de fabricación. Se pueden hacer mejoras, pero es poco probable que los planteamientos actuales conduzcan a incrementos de funcionamiento verdaderamente significativos. En la gran mayoría de operaciones de fabricación, la posición de una herramienta con respecto a la pieza de trabajo se determina de una manera indirecta. Por ejemplo, cuando se utiliza una máquina esmeriladora, la pieza de trabajo se une a la mesa. La mesa, a través de las vías, se une a la silla, la cual entonces se une a la rodilla y a la columna de la máquina. El brazo superior se extiende desde la columna, y soporta la herramienta (cortadora) . En esta situación, el tiempo de establecimiento está asociado con la colocación de la pieza de trabajo con respecto a la herramienta. En la operación de maquinación, el lecho mueve la pieza de trabajo, y se mide la posición del lecho. La información deseada es la posición de la herramienta con respecto a la pieza de trabajo. Con el objeto de que funcione este método indirecto, la máquina debe construirse extremadamente rígida. Este método indirecto para determinar la posición de la herramienta con respecto a la pieza de trabajo, se conoce como un sistema de control de ciclo abierto. En contraste, la estructura de un ser humano es muy flexible, y no obstante, una persona puede enhebrar una aguja. La diferencia está en el tipo de sistema de control utilizado por la gente. La visión humana puede determinar la posición de la aguja (la pieza de trabajo) y la posición del hilo (la herramienta) . La diferencia entre las dos posiciones proporciona la información necesaria para controlar los brazos y enhebrar finalmente la aguja. Si se cierran los ojos, no se puede enhebrar la aguja. Esto ilustra en general la ventaja de utilizar un sistema de control de ciclo cerrado. El concepto de la rigidez dinámica se ilustra mediante el siguiente ejemplo. Al proporcionar retroalimentación a través de la incorporación de la visión, inclusive un movimiento irregular de la mano que sostiene la aguja, puede ser compensado mediante el movimiento de la otra mano para mantener una relación fija entre la aguja y el hilo. En términos matemáticos, un sistema de coordenadas se fija a la pieza de trabajo, y se mantiene dinámicamente una posición fija para la herramienta en este sistema de coordenadas, es decir, el sistema de ciclo cerrado se puede hacer dinámicamente rígido. La tremenda ventaja conferida por un sistema de control de ciclo cerrado es bien conocida, y se ha realizado una investigación considerable en el desarrollo de sistemas de visión y otros elementos para proporcionar retroalimentación. Un inconveniente importante de los sistemas de visión, es que son muy intensos en computación y muy lentos. La máxima amplitud de banda de ciclo cerrado de estos sistemas generalmente es menor de 2 Hz . Con el objeto de satisfacer la promesa inherente en el control de ciclo cerrado para los procesos de fabricación a gran escala, el sistema de metrología debe proporcionar simultáneamente: 1) alta velocidad, 2) alta precisión, y 3) gran volumen operativo. Los sistemas actualmente disponibles pueden satisfacer uno, y tal vez dos, de los tres requerimientos. Nada de lo que hay disponible en el estado de la técnica actual puede satisfacer los tres requerimientos. Es el propósito de esta invención satisfacer los tres requerimientos, y de esta manera establecer una nueva tecnología habilitadora para procesos industriales, tales como el control de estructuras flexibles y los procesos de fabricación inteligentes. Específicamente, el sistema de metrología dinámicamente rígido de la presente invención es de 20 a 150 veces más rápido que los sistemas industriales que emplean el estado de la técnica actual, y obtiene una amplitud de banda de control de ciclo cerrado de 300 Hz o más. Para el propósito de esta invención, el término "gran volumen operativo" se define para significar un cubo de 15 pies (aproximadamente 4.6 metros) sobre la orilla, y el término "alta precisión" se define para significar que cada punto tiene designada una precisión de 0.001 pulgadas (25.4 mieras) adentro del volumen. Para un volumen más grande, tal como un bulbo de 100 pies (aproximadamente 30 metros) sobre la orilla, la precisión se reduce hasta de 50.8 mieras a 508 mieras, basándose en los requerimientos de la aplicación y de la amplitud de banda. El sistema es capaz de rastrear y controlar una herramienta mientras se está moviendo a velocidades mayores de 7.62 metros por segundo. Con el objeto de medir la posición de un punto en el espacio, primero se debe establecer un sistema de coordenadas. Convencionalmente , se unen rígidamente tres elementos (pieza de trabajo, herramienta, y dispositivos de medición) a este sistema de coordenadas. Típicamente, la rigidez se obtiene mediante la utilización de estructuras muy rígidas y con frecuencia masivas, para proporcionar aislamiento del movimiento impuestos por las fuentes externas, y fijar las posiciones relativas de los tres elementos. El planteamiento anterior es referido posteriormente en la presente como el establecimiento de una "rigidez global". Casi todos los métodos de colocación con herramientas y metrología se apoyan en la rigidez global. Por ejemplo, los enlaces de un robot y el piso que conecta el pedestal del robot a la pieza de trabajo, proporcionan los elementos que forman un sistema globalmente rígido. Una máquina de medición de coordenadas grande que sostiene la pieza de trabajo rígidamente en su marco, es otro ejemplo. Los métodos para determinar las coordenadas de un punto pueden ser directos, tales como utilizar una medida de cinta, o indirectos, tales como los métodos de triangulación utilizados por los levantadores. A medida que se incrementa el volumen de trabajo, el mantenimiento de la rigidez global llega a ser crecientemente difícil, hasta que se llega al punto en donde ya no es posible mantener la rigidez mediante elementos mecánicos. Varios factores contribuyen a la falta de rigidez de las estructuras muy grandes. El primero está relacionado con la escala. Las desviaciones sobre una distancia corta que resulta de la elasticidad de los materiales con frecuencia son imperceptibles. A medida que se incrementa la escala de la estructura, la misma desviación proporcional llega a ser mucho más grande a una escala absoluta, y luego excede a los límites aceptables. Un segundo problema tiene que ver con la masa de la estructura a medida que se incrementa la escala. El incremento en el volumen, y por consiguiente de la masa, es proporcional a la tercera potencia del cambio de escala, mientras que el área de sección transversal se incrementa con el cuadrado. Eventualmente , se llega a un punto en donde la estructura ya no puede soportarse por sí misma. De conformidad con lo anterior, un objeto de la presente invención es proporcionar un sistema de coordenadas en el espacio, que se una rígidamente a la pieza de trabajo, a partir del cual se pueda implementar un control de ciclo cerrado de alta velocidad de las máquinas industriales y otros procesos. Por ejemplo, con el objeto de maquinar un artículo muy grande, tal como una sección de ala de una aeronave, se necesita una máquina masiva para mantener la rigidez estructural. La máquina debe anclarse a una base estable, tal como un cojín de concreto grande del tamaño de una alberca para nadar. Como resultado, la pieza de trabajo debe llevarse a la ' máquina con la pérdida de tiempo asociada debido al establecimiento y al transporte. Con el control de ciclo cerrado hecho posible mediante el sistema de metrología dinámicamente rígido, la pieza de trabajo puede permanecer fija, de tal manera que las máquinas de peso de luz pueden llevarse al lugar de trabajo, y se pueden establecer inmediatamente en el sistema de coordenadas de la pieza de trabajo. El planteamiento flexible proporcionado por el sistema de metrología dinámicamente rígido, acomoda los cambios rápidos en el proceso de producción provocados por las mejoras de ingeniería o por el cambio de producto. La retroalimentación de ciclo cerrado cambiará dramáticamente la aplicación de los robot. Actualmente, un robot mantiene un precisión mediante la utilización de estructuras masivas. La tecnología actual requiere que el peso de un robot sea de aproximadamente 25 a 40 veces mayor que la carga útil que debe llevar. Mediante la utilización del control de ciclo cerrado, se puede reducir la proporción del peso del robot a la carga útil de una manera significativa, hasta tan baja como de dos a uno. Esta capacidad da como resultado una línea de producción mucho más eficiente que se puede cambiar rápidamente para nuevos productos, y que se puede controlar directamente mediante el software . Adicionalmente, el sistema de metrología dinámicamente rígido, proporciona las siguientes metas y objetivos : 1) Establecer un sistema de coordenadas fijo de la pieza de trabajo en un volumen de espacio grande con una alta precisión. Este sistema de coordenadas debe ser referenciado con el objeto que se esté procesando (la pieza de trabajo) . Para la invención del sistema de metrología dinámicamente rígido, definimos un volumen grande como cubo de 15 pies (4.6 metros) sobre la orilla, en donde cada punto adentro de ese volumen se designa hasta una precisión de 25.4 mieras. 2) Proporcionar un campo de observación grande para controlar en secuencia varias herramientas o robots en el espacio de trabajo. 3) Acomodar una amplitud de banda muy alta de tal manera que pueda tanto controlar una herramienta como negar los efectos de la vibración en el lugar de trabajo. En este contexto, especificamos una amplitud de banda de control de ciclo cerrado de 300 Hz, que implica una velocidad de muestreo del canal de datos de 5 kHz . Esta alta amplitud de banda se necesita para el propósito doble de controlar la maquinaria de peso ligero y de movimiento rápido, y de proporcionar aislamiento de vibración del medio ambiente. 4) Debe ser portátil y no requerir de una estructura rígida entre él y la pieza de trabajo. 5) Tener un costo de adquisición aceptable, y un bajo costo de ciclo de vida. La combinación de alta velocidad, alta precisión, y gran capacidad de volumen, incorporada en el sistema de metrología dinámicamente rígido, facilita un amplio rango de mejoras en la fabricación, y adicionalmente hace posible el desarrollo de una nueva clase de maquinaria y robots.

COMPENDIO DE LA INVENCION De conformidad con una modalidad ilustrativa específica de la presente invención, un sistema de control para un elemento de dirección óptica en un sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda, incluye un par de directores de haz de láser estabilizados (SLBD) , cada uno dentro de un sistema de coordenadas de SLBD localmente rígido, un subsistema de referencia que proporciona un sistema de coordenadas de la pieza de trabajo localmente rígido, y un procesador. Cada uno de los directores del haz de láser estabilizados incluye un elemento de dirección óptica y un detector de inclinación del eje. Cada uno de los elementos de dirección óptica dirige un haz de láser estabilizado en respuesta a una señal de entrada. Los elementos de dirección óptica de cada director de haz de láser estabilizado, incluyen un eje de rotación y señales de error de salida asociadas con una posición y orientación del elemento de dirección óptica en relación con su sistema de coordenadas de SLBD localmente rígido. El detector de inclinación del eje de cada director de haz de láser estabilizado proporciona señales que indican un ángulo de inclinación, y una dirección del eje de rotación en relación con una posición inicial del eje de rotación. Las señales de salida del subsistema de referencia indican las posiciones de los directores de haz de láser estabilizados en relación con el subsistema referenciado . El procesador procesa la señal desde el subsistema de referencia en relación con el sistema de coordenadas de SLBD localmente rígido unas con otras, y con el sistema de coordenadas de la pieza de trabajo localmente rígido. El procesador procesa adicionalmente las señales de error desde los elementos de dirección óptica, y el ángulo de inclinación, y las señales de dirección para generar la señal de entrada para la dirección del haz de láser estabilizado en tiempo real. En un aspecto adicional de la presente invención, un sistema de metrología dinámicamente rígido, de alta amplitud de banda, para proporcionar un control de tiempo real de un elemento de dirección óptica, incluye un par de directores de haz de láser estabilizados (SLBD) , un subsistema de referencia un subsistema de sensor de herramienta, y cuando menos un procesador. Cada director de haz de láser estabilizado incluye una base, un aparato de apuntamiento y estabilización del haz mecánicamente acoplado con la base, tres haces de láser de referencia, y un haz de láser estabilizado unido a la base, y una estructura métrica que se acopla mecánicamente con el director de haz de láser estabilizado, que proporciona un sistema de coordenadas de directores de haz de láser estabilizados localmente rígido. Cada aparato de apuntamiento y estabilización del haz incluye un elemento de dirección óptica y un detector de inclinación del eje. El elemento de dirección óptica se acopla ópticamente con el haz de láser estabilizado, y dirige el haz de láser estabilizado en respuesta a una señal de entrada. El elemento de dirección óptica proporciona señales de error asociadas con una posición y una orientación del elemento de dirección óptica en relación con el sistema de coordenadas de SLBD localmente rígido. El elemento de dirección óptica incluye además un eje de rotación. El detector de inclinación del eje proporciona señales que indican un ángulo de inclinación y una dirección del eje de rotación en relación con una posición inicial del eje de rotación. El subsistema de referencia incluye tres detectores de referencia fijamente colocados en relación con una pieza de trabajo, proporcionando un sistema de coordenadas de la pieza de trabajo localmente rígido. Los tres detectores referenciados están respectivamente en comunicación óptica con los tres haces de láser de referencia de cada uno de los directores de haz de láser estabilizados. Los detectores de referencia generan señales de salida del detector de referencia en respuesta a los haces de láser de referencia. El subsistema del sensor de herramienta incluye cuando menos un detector de sensor de herramienta colocado sobre una herramienta, y en comunicación óptica con el haz de láser estabilizado. El cuando menos un detector de sensor de herramienta genera señales de salida del detector de sensor de herramienta en respuesta al haz de láser estabilizado. El cuando menos un procesador recibe y realiza transformaciones de coordenadas sobre las señales de salida del detector referenciado, y las señales de salida del detector del sensor de herramienta, para rastrear una posición de la herramienta en relación con el sistema de coordenadas de la pieza de trabajo localmente rígido. El cuando menos un procesador recibe adicionalmente y procesa el ángulo de inclinación y las señales de dirección desde el detector de inclinación del eje, y las señales de error desde el elemento de dirección óptica, para generar la señal de entrada, proporcionando de esta manera un control de tiempo real de los elementos de dirección óptica .

EL PLANTEAMIENTO DEL SISTEMA DE METROLOGIA DINAMICAMENTE RIGIDO La discusión anterior de un sistema de metrología basado en la medición de posición indirecta, ilustró la manera en que las leyes de física y las limitaciones de los componentes ópticos/mecánicos imponen limitaciones sobre el funcionamiento de estos sistemas. El mantenimiento del apuntamiento de clase de micro-radianes y las alineaciones entre dos objetos separados solamente por unos cuantos metros a través de una habitación, es una tarea intimidante en vista de la "flexibilidad" de la mayoría de los medios ambientes. En un experimento, un intento por mantener una alineación de un micro-radián de un haz fijo a través de una cimentación de laboratorio con un piso de concreto, no tuvo éxito. El haz se lanzó fuera de alineación simplemente por los trabajadores del laboratorio que estaban parados en diferentes lugares de la habitación. El problema se resolvió marcando cada lugar en el piso en donde cada persona estaba parada durante una medición. Para las máquinas de grandes líneas de producción, puede ser necesario excavar un agujero tan grande como una alberca para nadar, y llenarlo con concreto con el objeto de obtener la rigidez necesaria. El costo de establecer una base rígida con frecuencia es tan grande como el costo de la máquina de producción. La necesidad de rigidez mecánica también tiene un costo a largo plazo en ineficiencia . A medida que cambian las necesidades de producción, la máquina no se puede mover para optimizar el proceso de producción. En seguida se establecen los principios básicos en los que se basa la presente invención. El término "pieza de trabajo" incluye al artículo que se está fabricando, y cualesquiera cunetas o aparejos utilizados para soportar el artículo que se está fabricando. 1) La rigidez global es imposible sobre grandes distancias, y por consiguiente, es deseable diseñar un sistema de tal manera que no se necesite rigidez global . 2) La pieza de trabajo establece el sistema de coordenadas que conduce al concepto de rigidez local asociada con la pieza de trabajo. 3) Todas las demás partes del sistema rastrean la pieza de trabajo, y los desplazamientos/rotaciones de otros componentes del sistema se tratan como desfasamientos del sistema de coordenadas localmente rígido basado en la pieza de trabaj o . 4) Se construyen referencias locales apropiadas en el sistema, de tal manera que se detecten y se corrijan activamente las desviaciones locales del ideal. 5) En donde sea posible, no se debe diseñar, pero se puede, diseñar un solo subsistema para operar sobre toda la banda de frecuencia. Los movimientos grandes, por ejemplo, normalmente son de baja frecuencia. Los movimientos de alta frecuencia requieren de altas aceleraciones, pero tienen pequeñas amplitudes. 6) El sistema se ensambla a partir de componentes en producción en volumen, posiblemente utilizando los componentes de maneras nunca pretendidas por el fabricante.

Principios de un Sistema de Metrología Dinámicamente Rígido La Figura 1 muestra la pieza de trabajo, dos directores del haz de láser estabilizados (SLBD) que se localizan justo afuera del volumen de trabajo, y un robot. El sistema de metrología dinámicamente rígido que controla el robot, normalmente consiste en dos directores de haz de láser estabilizados, tres o más ensambles de detector de referencia, un sensor de herramienta, herramientas de calibración y de establecimiento, y el software asociado. Como se utiliza en la presente, el término "pieza de trabajo" incluye el artículo que se está fabricando y cualesquiera cunetas o aparejos utilizados para soportar el artículo que se está fabricando. Tres ensambles de detector de referencia designados como Al B, y C, se coloquen sobre la pieza de trabajo. Dos vectores, uno dibujado desde A hasta B, y el otro desde A hasta C, definen dos de los vectores base para el sistema de coordenadas . El tercer vector se determina por el vector normal al plano definido por los dos vectores anteriores. La única rigidez mecánica requerida es aquella asociada con la pieza de trabajo. Las dos líneas base independientes establecen una métrica para el sistema de coordenadas, para asociarse con la pieza de trabajo, y una orientación con respecto a la pieza de trabajo. Ya que la orientación no está asociada con el vector de gravedad, se puede utilizar el mismo sistema para metrología en el espacio. Los directores de haz de láser estabilizados proyectan cada uno cuatro haces de láser. Tres de los haces, denominados los haces de referencia, se fijan con respecto al cuerpo del director de haz de láser estabilizado y se proyectan sobre los ensambles de detector de referencia. El cuarto haz, denominado el haz estabilizado, se puede dirigir en azimut y elevación para establecer una línea de visión a través del punto deseado en el espacio. Cada ensamble de detector de referencia cosiste en uno o más fotodetectores , que pueden medir la posición de los haces de referencia sobre la superficie del detector, hasta precisiones de 0.254 mieras. La localización de los tres haces fijos sobre los detectores de referencia, proporciona entonces información con respecto a la posición y orientación del director de haz de láser estabilizado con respecto a la pieza de trabajo. El movimiento relativo, tanto en traslación como en rotación, entre el director de haz de láser estabilizado y la pieza de trabajo, se mide continuamente para proporcionar correcciones de azimut y elevación en tiempo real al haz estabilizado, manteniendo de esta manera la línea de visión a través del punto designado en el sistema de coordenadas de la pieza de trabajo . La necesidad de rigidez global se elimina midiendo continuamente la posición y la orientación de los directores del haz de láser estabilizados con respecto a la pieza de trabajo. Por consiguiente, el primer principio se satisface al establecer una línea base virtual entre los directores del haz de láser estabilizados. Los tres ensambles de detector de referencia sobre la pieza de trabajo establecen el sistema de coordenadas, satisfaciendo de esta manera el segundo principio de la rigidez local. Finalmente, el tercer principio se satisface desfasando dinámicamente los haces estabilizados de la pieza de trabajo, para establecer continuamente el punto de intersección con respecto a la pieza de trabajo. Los cuarto a sexto principios se ilustrarán a medida que discutimos la modalidad detallada de los directores de haz de láser estabilizados . Separamos las grandes excursiones angulares de baja frecuencia de las pequeñas desviaciones angulares de alta frecuencia, mediante la utilización del equivalente de dos suspensiones para cara eje de rotación. La suspensión que produce el campo grande de observación será referida como el impulsor de ángulo grande. El equivalente de la segunda suspensión será referido como el desviador de haz de alta velocidad, y produce la desviación angular del campo de visión limitado, de alta amplitud de banda, del haz de láser estabilizado. El impulsor de ángulo grande gira mecánicamente para llevar el punto deseado en el espacio adentro del campo de visión del desviador de haz de alta velocidad. Se utiliza un codificador óptico incremental para determinar precisamente en donde esté señalando el impulsor de ángulo grande. Algunos fabricantes de codificadores utilizan un proceso de fabricación idéntico para tanto sus discos codificadores increméntales como para los codificadores angulares absolutos grandes. Por consiguiente, la transición de orilla de cada paso en el codificador incremental se conoce como precisión en sub-micro-radianes . También es posible obtener una señal eléctrica senoidal desde el codificador, de tal manera que el cruce cero de la senoidal corresponda precisamente a la transición de orilla. En la operación del impulsor de ángulo grande, se utiliza un motor de servo de corriente directa para colocar el ensamble mecánico en un cruce cero designado. Habrá algún error en la colocación, y el sistema servo cazará continuamente el cruce cero. Para los ángulos cercanos a la transición de la orilla, la salida eléctrica del codificador es una función lineal de ángulo. De esta manera, se produce una señal de error que se puede utilizar para impulsar el desviador de haz de alta velocidad, y corregir el movimiento del movimiento aleatorio del impulsor de ángulo grande. Los codificadores increméntales comercialmente disponibles pueden dividir un círculo en pasos de 618.4 micro-radianes con una precisión en sub-micro-radianes . Los desviadores de haz de alta velocidad se hacen de dos celdas de Bragg (desviadores acústico-ópticos) , una por cada eje de rotación. Las celdas de Bragg preferidas pueden desviar un haz sobre un rango de 5.231 mili-radianes, y no contienen partes en movimiento. La respuesta de frecuencia de la celda de Bragg está en el rango de megahertz, y puede compensar fácilmente cualquier posible movimiento mecánico. La desviación de haz que pasa a través de la celda se controla mediante la frecuencia de una onda ultrasónica que se propaga adentro de un sólido transparente. En efecto, la onda acústica genera una rejilla de difracción adentro del sólido, y el ángulo de desviación del haz llega a ser una función de la longitud de onda del haz de luz y de la separación de la rejilla, como sea establecida por la onda acústica. Al cambiar la frecuencia de la onda acústica, se cambia el ángulo de desviación del haz.

Mediante la utilización de una celda de Bragg, una medición mecánica difícil de ángulo se transforma en una medición mucho más simple de frecuencia. Las celdas de Bragg son artículo de producción comercial utilizados en una amplia variedad de aplicaciones, tales como moduladores de láser y desviadores de haz de láser (Isomet modelo 1205C-2) . Un principio clave y una característica conveniente de la presente invención es la medición precisa de errores a partir de componentes de grado industrial menos precisos, y la corrección de estos errores a través de computación y control del haz estabilizado. Como se alude anteriormente, una de las fuentes de error es la oscilación del eje de rotación de cualquier sistema mecánico que gire sobre baleros. Aunque un balero de aire resolvería el problema de la oscilación del eje directamente, no es una solución de bajo costo ni se implementa fácilmente para todas las aplicaciones. De conformidad con la presente invención, se proporciona un elemento para medir la inclinación del eje conforme se presenta la rotación, y se utiliza la información de inclinación medida para controlar las frecuencias que impulsan a las dos celdas de Bragg, cambiando de esta manera el azimut y la elevación del haz estabilizado, para corregir la inclinación del eje. Inclusive el uso de baleros mecánicos ABEC Clase 9 (la clase más precisa disponible) , dará como resultado una oscilación de 25 micro-radianes en esta aplicación. Por consiguiente, se pueden lograr ahorros en el costo mediante la utilización de baleros menos precisos, fácilmente disponibles, tales como ABEC Clase 5. Se hace una medición de la inclinación del eje, y luego se corrige mediante la alimentación de la señal de error a las suspensiones internas. Como se muestra en la Figura 5, se puede utilizar un plano óptico como un plano de referencia para medir la inclinación en tiempo real. La superficie del plano se recubre con aluminio, y este artículo normalmente se suelda como un espejo. La superficie del espejo es plana hasta 1/20 de la longitud de onda de luz (1.25 micropulgadas) , y hace un plano de referencia extremadamente preciso. Unidas a la parte giratoria del sistema, hay tres sondas de conducción de aproximadamente 1.27 centímetros de diámetro, y éstas están separadas por unos cuantos milímetros desde la superficie del espejo. Las tres sondas establecen un plano fijo a la parte giratoria de la suspensión externa. El espejo es una placa de un capacitor eléctrico, y cada sonda es la otra placa. La distancia de cada sonda desde la superficie de espejo se puede determinar mediante la medición de la capacitancia entre la sonda y el espejo.

DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Otros objetos, características, y ventajas de la invención llegarán a quedar más claras haciendo una referencia a la siguiente descripción detallada, al considerarse en conjunto con los dibujos acompañantes, en los cuales los numerales de referencia iguales designan partes iguales a través de toda las figuras de los mismos, y en los cuales: La Figura 1 es una vista en perspectiva del sistema de metrología dinámicamente rígido, y una pieza de trabajo. La Figura 2 es una vista separada en partes de los impulsos de azimut y elevación, y de las porciones del componente de soporte del sistema de metrología dinámicamente rígido . La Figura 3 muestra la arquitectura del sistema de metrología dinámicamente rígido. La Figura 4 detalla el control de un solo eje del director de haz estabilizado de la presente invención. La Figura 5 es una vista en perspectiva del plano de referencia del sistema de metrología dinámicamente rígido. La Figura 6 es un esquema eléctrico de un circuito para medir la distancia entre un electrodo y una superficie de espej o . La Figura 7 es una vista lateral en sección transversal del desviador acústico-óptico, el expansor de haz, y el lente de enfoque; y La Figura 8 ilustra un vector análogo de un tetrahedro de un subsistema de calibración.

DESCRIPCION DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS SUBSISTEMAS Una modalidad preferida del sistema de metrología dinámicamente rígido consiste en cinco subsistemas mayores: 1. el director de haz de láser estabilizado (SLBD) ; subsistema de referencia de la pieza de trabajo; 3. el subsistema del sensor de la herramienta; 4. el subsistema de calibración; y 5. el subsistema computacional . Se debe apreciar que las modalidades del sistema de metrología dinámicamente rígido pueden ser específicas de la aplicación. La modalidad dada en esta descripción, satisface la mayoría de las aplicaciones que requieren un volumen grande, una alta velocidad, metrología precisa, y proporciona la amplitud de banda de control para las aplicaciones de control de ciclo cerrado en la mayoría de los medios ambientes industriales. Se pueden hacer alejamientos del funcionamiento dentro de los límites de esta descripción, de tal manera que un experto en este campo pueda optimizar fácilmente el sistema total para aplicaciones especiales. La modalidad preferida descrita en la presente se basa en un requerimiento de diseño de apuntar y estabilizar dos haces de láser hasta una precisión angular de cinco micro-radianes con respecto a una pieza de trabajo. Este nivel de precisión angular hará posible designar cualquier punto adentro de un cubo de 4.5 metros sobre la orilla, hasta una precisión de aproximadamente 0.0254 milímetros. La función de cada subsistema mayor se describirá primero, en términos generales, con descripciones más detalladas siguiendo posteriormente.

DIRECTOR DEL HAZ DE LASER ESTABILIZADO Un subsistema clave del sistema de metrología dinámicamente rígido 50 es el director del haz de láser estabilizado (SLBD) 52, cuyo uso se ilustra en la Figura 1. El director de haz de láser estabilizado 52 proporciona cuando menos cuatro haces de láser que consisten en tres haces de referencia 54 y un haz estabilizado 56. Una vez que se establece el sistema, los tres haces de referencia 54 permanecen fijos, y el haz estabilizado 56 se dirige hasta un punto en el espacio que cambia generalmente con el tiempo. El director de haz de láser estabilizado 52 mismo está comprendido de varias unidades funcionales mayores. Estas incluye : 1. apuntamiento y estabilización del haz; 2. la base ; 3. la estructura metálica; y 4. la tabla de azimut.

Apuntamiento y estabilización del haz El apuntamiento y la estabilización del haz abarcan tres funciones incorporadas por: (1) el impulso de ángulo grande; (2) el desviador de haz de alta velocidad; y (3) el detector de inclinación del eje. Estas funciones son controladas por el subsistema computacional de tal manera que se produce la dirección de apuntamiento y la estabilización del haz requeridas.

Impulsor de ángulo grande El impulsor de ángulo grande permite hacer girar con precisión y a alta velocidad sobre un gran campo de observación, incluyendo un círculo completo de 360°. Se pueden obtener fácilmente una velocidad de desfasamiento de 100°/segundo y aceleraciones de 100°/segundo cuadrado, y pueden ser excedidas simplemente utilizando un motor de servo de corriente directa de un par de torsión más alto. Un estado convencional del dispositivo de la técnica es la etapa de rotación de ultra-precisión de Newport Corporation Modelo PM500-360R, que tiene una resolución angular de aproximadamente 3 -micro-radianes, y una precisión absoluta de +100 micro-radianes. En comparación, el impulso de ángulo grande del sistema de metrología dinámicamente rígido obtiene precisiones de 1,000 a 10,000 veces mayores, y el sistema de estabilización de haz total obtiene resoluciones 100 veces mejores .

Desviador de haz de alta velocidad El desviador de haz de alta velocidad puede tener un ángulo angular tan grande como de aproximadamente 50 mili- radianes (2.87°). Ya que consiste en un desviador acústico- óptico (celda de Bragg) , no tiene partes en movimiento, y es capaz de tener amplitudes de banda de frecuencia en el régimen de Megahertz. En la aplicación del sistema de metrología dinámicamente rígido, puede producir velocidades angulares mayores de 10 , 000°/segundo, y precisiones de desviación del haz de 0.01 micro-radianes.

Detector de inclinación del eje El ensamble de un sistema mecánico giratorio en donde el eje de rotación no oscile, es muy difícil. Las tablas de rotación de precisión típicamente tienen una oscilación del eje de aproximadamente 5 micro-radianes hasta 20 micro-radianes. Se incurre en una fracción grande del costo de estos dispositivos, en la producción de la precisión mecánica necesaria para reducir la oscilación del eje hasta las tolerancias mencionadas. El planteamiento utilizado en esta descripción no requiere de componentes mecánicos de alta precisión para reducir la oscilación hasta menos de 1 micro-radián. La razón es que toda la inclinación es referenciada a un componente óptico de alta precisión que está fácilmente disponible y tiene un costo relativamente bajo.

Base La función primaria de la base es proporcionar el soporte mecánico necesario para el director de haz de láser estabilizado, y proporcionar el elemento para montar el director de haz de láser estabilizado en una localización deseada. La base proporciona el soporte mecánico para los componentes más pesados, liberando de esta manera a la estructura métrica de esta tarea. La base también proporciona el elemento para mantener a las fuentes mayores de calor lejos de las partes más críticas del director de haz de láser estabilizado. Las principales fuentes de calor son el motor de servo de impulso de ángulo grande para el azimut, y los cuatro dispositivos de láser utilizados para el haz estabilizado y para los tres haces de referencia.

Estructura métrica El propósito primario de la estructura métrica es proporcionar un soporte mecánico rígido, insensible a la temperatura, para los proyectores de haz de referencia, el plano de referencia de inclinación del eje del azimut, y soporte para la tabla de azimut . La estructura métrica proporciona una rigidez local para el director de haz de láser estabilizado, y enlaza los haces de referencia con el haz estabilizado .

Tabla de azimut La tabla de azimut es la parte del director de haz de láser estabilizado que es impulsada directamente por el motor de servo de azimut. Montados sobre la tabla de azimut, estando el impulsor de ángulo grande en elevación y el banco óptico. Los desviadores de haz de alta velocidad para tanto el azimut como la elevación, se montan sobre el banco óptico, y forman una parte del sistema óptico que proyecta el haz estabilizado hacia adentro del espacio de trabajo.

SUBSISTEMA DE REFERENCIA El subsistema de referencia proporciona una rigidez local en la pieza de trabajo. Por ejemplo, el subsistema de referencia puede consistir en tres fotodetectores montados sobre los vértices de un triángulo. Los fotodetectores se pueden montar sobre la pieza de trabajo misma, dado que la pieza de trabajo sea suficientemente rígida. De otra manera, los fotodetectores se monta sobre un aparejo que detenga a la pieza de trabajo. Note que si se desea medir un objeto muy precisamente, el objeto mismo debe ser suficientemente rígido para mantener una dimensión estable que sea cuando menos tan precisa como la medición que se está intentando. Las dimensiones de un cubo de postre de gelatina, tal como el artículo alimenticio conocido bajo el nombre comercial Jell-O, no se pueden medir hasta 25.4 mieras. Los fotodetectores de referencia seleccionados deben poder resolver movimientos extremadamente pequeños de los haces de referencia, están esencialmente exentos de arrastre, y tienen una alta respuesta de frecuencia. Se tienen que tomar precauciones especiales para minimizar o eliminar el arrastre. Los métodos para hacer esto se discuten más adelante .

SUBSISTEMA DEL SENSOR DE LA HERRAMIENTA El diseño específico del sensor de la herramienta depende mucho de la aplicación. Como se puede apreciar fácilmente, las aplicaciones pueden variar desde aquella mostrada en la Figura 1, en donde se utiliza un "sensor de robot" para controlar el robot, hasta el control directo de una herramienta de máquina utilizada en los procesos de fabricación muy grandes, tales como la maquinación de un alerón sobre una aeronave de categoría de transporte grande. Otras aplicaciones de metrología incluyen, pero no se limitan a : (1) unir el sensor de la herramienta a una sonda para medir la configuración ya construida de un producto manufacturado, similar en el uso a una máquina de medición de coordenadas, pero sin la estructura de alto costo y masiva. (2) utilizar el sensor de herramienta para determinar la localización de una sonda de campo eléctrico para calibrar antenas de radar grandes; (3) medir la configuración ya construida de secciones de cascos de embarcaciones y proporcionar una plantilla eventual para la conexión de tubería adentro de una embarcación; y (4) eliminar la necesidad de plantillas. De conformidad con lo anterior, se contemplan diversas aplicaciones de los principios de diseño dados a conocer en la presente, dentro del alcance de la presente invención .

SUBSISTEMA DE CALIBRACION El subsistema de calibración se utiliza en el establecimiento inicial del sistema de metrología dinámicamente rígido. El subsistema de calibración consiste en un tetrahedro con un detector fotosensible en cada vértice y las comunicaciones necesarias para interconectarse con el resto del sistema de metrología dinámicamente rígido. El empleo del tetrahedro permite que el sistema de metrología dinámicamente rígido se haga rastreable hasta los estándares de longitud del National Institute of Standards and Technology (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) . La técnica utilizada por el subsistema de calibración se basa en un proceso conocido en la profesión de levantamiento como taqueometría, y se utiliza para determinar la orientación exacta de cada uno de los directores del haz de láser estabilizados, y la longitud de la línea base virtual entre ellos .

SUBSISTEMA COMPUTACIONAL Mucha de la carga de trabajo computacional en el sistema de metrología dinámicamente rígido, consiste en transformaciones de coordenadas de procesamiento de señal de alta velocidad, y rutinas de corrección de error. Mucho de este tipo de computación se puede realizar mediante un procesamiento distribuido, utilizando hardware de procesamiento de señales digitales especializado, tal como la serie Motorola DSP56000. La utilización de procesadores especializados permite tener computadoras para propósitos generales, tales como computadoras personales y estaciones de trabajo, para utilizarse para el control ejecutivo de todo el sistema de metrología dinámicamente rígido, y para la interfase del usuario. Un ejemplo del tipo de cálculo susceptible al procesamiento distribuido, es la corrección de inclinación del eje utilizada para determinar la oscilación del eje en director de haz de láser estabilizado. Además, la naturaleza de las computaciones permite tener una estructura de control jerárquica que permite una fácil implementación en arquitecturas convencionales, tales como el Modelo de Referencia Estándar de NASA/NBS para la Telerobot Control System Architecture (Arquitectura de Sistema de Control de Tele -robot) (NASREM) .

DIRECTOR DEL HAZ DE LASER ESTABILIZADO El director de haz de láser estabilizado 52 se describe ahora con mayor detalle, haciendo referencia a la Figura 2. Una base 10 soporta directamente una estructura métrica 20. Una tabla de azimut 30 sostiene un soporte cilindrico de elevación 40, y un soporte de referencia de inclinación de elevación/codificador de elevación 36.

Base Adentro de la base 10, se localizan un motor de servo de corriente directa de impulso de azimut 11, un codificador incremental 12, y dispositivos de láser 13 para los haces de referencia y estabilizado 54, 56. La base 10 misma debe hacerse de aluminio para proporcionar un elemento para sacar el calor generado por los dispositivos de láser 13, el motor de servo de corriente directa 11, y la electrónica del codificador. . Los momentos más grandes de inercia están asociados con la rotación alrededor del eje de azimut, y por consiguiente, se utiliza una flecha de impulso directo 14 para la tabla de azimut 30 como se muestra en la Figura 2, para transferir el par de torsión desde el motor de servo de corriente directa. La misma flecha de impulso se conecta directamente con el codificador 12 para evitar el latigueo hacia atrás y otras fuentes de error. Una amplia variedad de motores de servo de corriente directa (es decir, modelo BMHS-3501) y sus controladores , son fabricados por Inland Motors Corp. así como por otros fabricantes. Los controladores se pueden adquirir para ser compatibles con la barra colectora de la computadora personal IBM, así como las barras colectoras de Computadora Apple, y las barras colectoras VME utilizadas en las estaciones de trabajo. Los controladores aceptan comandos directos desde las computadoras, aceptan las entradas del codificador, así como las señales de error del codificador, y las señales de retroalimentación de velocidad, y aplicarán cualquier perfil de aceleración ordenado por la computadora, que esté dentro de la capacidad de impulso actual de los amplificadores de servo, y la capacidad de producción de par de torsión del motor. En adición al impulso directamente acoplado discutido anteriormente, se puede utilizar una configuración de reducción de velocidad para acoplarse entre el motor y otras partes del mecanismo. Normalmente, no se podría utilizar un reductor de velocidad para esta aplicación, en donde se requiere una precisión en sub-raicro-radianes . El latigueo hacia atrás y el punteo normalmente asociados con un reductor de velocidad, serían inaceptables, y podrían conducir a inestabilidades en el sistema de control. Sin embargo, existe un dispositivo patentado que se puede utilizar en esta aplicación, en donde la transferencia del par de torsión es tanto suave como sin latigueo. El dispositivo se denomina un "Rotolok", y es fabricado por Sagebrush Technology en Albuquerque , Nuevo México . Un dispositivo que reduce la velocidad giratoria por un factor de N, también reduce el momento dinámico de inercia unido a la flecha de baja velocidad por un factor de N2. La presente invención explota este hecho para reducir el tamaño de un motor de impulso de elevación 31, que se monta sobre la tabla de azimut.30. Ya que el motor de servo de corriente directa es el elemento más masivo en el sistema, una reducción en su tamaño puede disminuir los momentos de inercia de una manera significativa. Algunas aplicaciones pueden tener otros criterios, y la utilización del Rotolok y motores de servo mucho más pequeños para ambos impulsos, pueden ser más importantes que el costo. Sin embargo, el Rotolok no se tiene que utilizar con el motor de impulso de azimut 11 si un costo reducido es una consideración importante.

Dispositivos de láser, y transporte del haz interno Los dispositivos de láser 13 mostrados esquemáticamente en la Figura 2, pueden ser de cualquier longitud de onda conveniente. En una modalidad preferida, los dispositivos de láser 13 comprenden dispositivos de láser de diodo de estado sólido que están disponibles tanto en la longitud de onda visible como en las longitudes de onda casi infrarrojas. Los dispositivos de láser 13 se montan internamente en el cuerpo del director de haz de láser estabilizado 52 para conveniencia solamente, y en la práctica podrían montarse externamente. Además, se podrían utilizar diferentes tipos de dispositivos de láser 13, tales como un dispositivo de láser de helio-neón. Se ha observado que el control del modo óptico del dispositivo de láser es crítico. Más específicamente, el dispositivo de láser debe operarse en un solo modo y en el modo TEM00, independientemente del tipo de dispositivo de láser seleccionado. Si no se controla el modo óptico del dispositivo de láser, el salto de modo introducirá grandes errores incontrolados que son ocasionados por los cambios angulares del eje óptico, y variaciones temporales en el perfil de intensidad del haz, y en la capacidad para enfocar el haz. Los dispositivos de láser de un solo modo están comercialmente disponibles. Un dispositivo de láser de diodo de un solo modo preferido es la cabeza de láser Melles Griot modelo 06DLL107, que no solamente contiene el dispositivo de láser de diodo de un solo modo, sino también incluye la óptica integrada necesaria para producir un haz de salida que es tanto circular como colimado. Un elemento preferido para transportar el haz de láser hasta los proyectores del haz estabilizado o el haz de referencia, es con una óptica de fibra de un solo modo. El uso de la fibra permite que el haz se dirija a través de la parte mecánica del sistema sin interferencia. Una característica de las fibras de un solo modo es que no cambian el modo del haz de propagación, un evento que ocurre con frecuencia con la fibra óptica regular cuando se dobla y se dirige alrededor de obstáculos. Una fibra óptica de un solo modo comercialmente disponible preferida para esta aplicación es la Spectran Tipo SMC-A0820B. Como se muestra en la Figura 1, después de que cada uno de los haces sale de la fibra óptica de un solo modo, finalmente se proyectan sobre los detectores de referencia 58, o sobre un sensor de herramienta 60. Antes de que los haces puedan salir del director del haz de láser estabilizado 52, deben expandirse desde menos de 0.1 milímetros de diámetro que se utilizan internamente adentro del director del haz de láser estabilizado, hasta 1 centímetro o más de diámetro, necesario en la óptica de proyección final, con el objeto de tener un punto focal suficientemente pequeño en los sensores. La expansión del haz se puede realizar bien sea permitiendo la extensión de la difracción normal del haz sobre una larga trayectoria de propagación interna, y utilizando un lente de número f grande para proyectar el haz . De una manera alternativa, y como se muestra en la Figura 7, se puede utilizar un expansor de haz que consiste básicamente en un lente negativo 72 seguido por un lente positivo 74. Los expansores de haz son artículos de suministro convencionales que están disponibles con un número de vendedores de suministros ópticos. En general, un expansor de haz comercial es adecuado para utilizarse con los proyectores del haz de referencia, pero su uso necesita considerarse cuidadosamente en la proyección del haz estabilizado 56. Las relaciones entre los dos métodos de expansión del haz se discutirán adicionalmente en la sección sobre el desviador de haz de alta velocidad. Se difiere otra discusión de los asuntos de propagación del haz comunes a los tres haces de referencia y a los haces estabilizados a una sección posterior sobre la propagación óptica.

Estructura métrica La estructura métrica 20 integra los elementos clave del director de haz de láser estabilizado 52, en que proporciona la rigidez local necesaria para poner los haces de referencia 54 y el haz estabilizado 56 en el mismo sistema de coordenadas local . A través de la rigidez local en la estructura métrica 20, la rigidez local en el subsistema de referencia y el acoplamiento óptico entre los sistemas de coordenadas localmente rígidos se establece un sistema de coordenadas global unido a la pieza de trabajo. Los detalles de la estructura métrica 20 y sus componentes principales se discuten más adelante con referencia a la Figura 2. El propósito primario de la estructura de soporte métrica 20 es asegurar que no haya un movimiento relativo entre un plano de referencia de inclinación de azimut 22 y la óptica de proyección de los haces de referencia 21. La estructura de soporte métrica 20 y el plano de referencia de inclinación de azimut 22, de preferencia se hacen de materiales con un coeficiente cero de expansión térmica. Por ejemplo, la estructura de soporte métrica 20 podría fabricarse de un compuesto epóxico de carbón, con las fibras de carbón de cada capa orientadas para impedir cambios dimensionales con el cambio de temperatura. Otra ventaja del epoxi de carbón es que es muy ligero, y no obstante tiene un módulo de Young mucho más alto que el acero. En ciertos medios ambientes, puede ser más conveniente utilizar invar en lugar del compuesto tóxico de carbón. El invar es una aleación de acero que también tiene una expansión térmica cero con el cambio de temperatura. El sustrato de espejo 22 de preferencia se hace de cervit o de sílice fundida, pero no de vidrio. Los expansores del haz de referencia 21 y sus suspensiones de montaje (no mostradas) son artículos que están fácilmente disponibles comercialmente, y no requieren de una precisión extremadamente alta, ya que permanecen en una posición fija una vez que se establecen. La estructura métrica 20 también proporciona soporte mecánico para la tabla de azimut 30, que es impulsada por el motor de servo de azimut 11 a a través de la flecha de impulso de motor de servo de azimut 14. La tabla de azimut 30 proporciona el soporte mecánico directo para el sistema de impulso de elevación, y proporciona el cubrimiento angular grande en azimut para el haz estabilizado 56. La posición de la tabla de azimut 30 en términos de ángulo, traslación, e inclinación, no se controla al mismo nivel de precisión que se requiere para el sistema global. En lugar de eso, los errores asociados con la posición y la orientación de la tabla de azimut con respecto a la estructura métrica, se miden de una manera extremadamente precisa, y las correcciones necesarias se hacen a través del subsistema computacional para corregir el ángulo del haz estabilizado 56, de tal manera que su eje óptico pase a través del punto deseado en el espacio. La tabla de azimut 30 se une directamente a un accesorio de impulso de tabla de azimut 24, que es una estructura anular que sirve para múltiples propósitos. Primero, el accesorio de impulso de tabla de azimut 24 soporta directamente a la tabla de azimut. Su orilla externa inferior se acopla directamente con la pista interna de un balero de soporte de tabla de azimut 26. La superficie inferior se une directamente a un tejido de desgarre de azimut 25. Finalmente, la modalidad mostrada en la Figura 2 incluye cuatro sondas de capacitor 23, que se montan en el accesorio de impulso de la tabla de azimut 24, de tal manera que la separación entre los extremos de las sondas 23 y la superficie de referencia 22 es de aproximadamente 50.8 mieras. Como se puede apreciar fácilmente, el número de sondas de capacitor 23 puede variar; por ejemplo, alternativamente se pueden emplear seis sondas de capacitor 23, incrementando de esta manera la precisión estadística de la medición. Sin embargo, se deben emplear un mínimo de tres sondas de capacitor 23. El balero de soporte de la tabla de azimut 26 de preferencia es un balero de bolas ABEC clase 5. El diámetro interno es de 11.43 centímetros, para proporcionar la tolerancia necesaria para el accesorio de impulso de la tabla de azimut 24, que es de aproximadamente 10.16 centímetros de diámetro. Estas dimensiones son establecidas por el plano de referencia 22, que normalmente es de 10.16 centímetros de diámetro . La articulación de acoplamiento del tejido de desgarre de azimut 25 está diseñada para minimizar las fuerzas laterales y los pares de torsión que ocasionarían enlace y distorsión de la tabla de azimut 30 como un resultado de la mala alineación entre el accesorio 24 y la flecha de impulso 14. La articulación 25 consiste en tres partes principales, un tejido de desgarre y dos perillas de sujeción centrales (no mostradas) . El tejido de desgarre se hace de un suministro para calces de acero inoxidable de 127 mieras de espesor. Los pequeños orificios en la periferia del te ido de desgarre, son orificios de tolerancia para los tornillos que sujetan el tejido de desgarre al accesorio de impulso 24. Se proporcionan orificios más grandes como orificios de tolerancia para las sondas de capacitor 23. Las perillas sujetan el centro del tejido de desgarre entre ellas. La flecha de impulso 14 se acopla directamente a la perilla inferior. Como un resultado de la separación entre las perillas y la periferia, en donde se sujeta el tejido de desgarre al accesorio de impulso 24, la articulación 25 cumple extremadamente con una mala alineación angular, y no obstante, es extremadamente rígida a los pares de torsión alrededor del eje de rotación. Típicamente, las malas alineaciones se cuentan utilizando un fuelle entre dos flechas. El fuelle normalmente es de un diámetro sólo ligeramente más grande que las flechas que se están acoplando y por consiguiente, debe ser necesariamente rígido al doblez para que sea adecuadamente rígido en la rotación. Mediante la utilización del concepto de un tejido de desgarre, el sistema de metrología de la presente invención saca ventaja del hecho de que se incrementa la rigidez a los pares de torsión con la cuarta potencia del radio. De esta manera, se obtiene una rigidez extremadamente alta a las fuerzas de rotación, debido al gran diámetro del tejido de desgarre, y no obstante, la articulación cumple totalmente con el doblez, no produciendo de esta manera fuerzas laterales y pares de torsión indeseados. Dos tejidos de desgarre adicionales 33, 34, están asociados con la porción de impulso de elevación del director de haz de láser estabilizado 52, y trabajan sobre el principio del ahorro. Se difiere una discusión detallada del plano de referencia, a la sección sobre el apuntamiento y la estabilización del haz.

Tabla de azimut e impulso de elevación La tabla de azimut 30 es el componente que está directamente referenciado a la estructura métrica 20, y llega a ser la referencia intermedia para el resto del sistema. La referencia se transfiere a través de los soportes cilindricos de elevación rígidos 40 y el soporte de referencia de inclinación de elevación/codificador de elevación 36. La rotación en el eje de elevación se realiza con un cilindro de elevación 41, que gira sobre tres baleros de soporte cilindricos de elevación 43, que se montan en cada uno de los soportes 40. El balero superior de cada soporte 40 está cargado con resorte, para proporcionar una carga previa contra los otros dos baleros. Si el agujero interno de los baleros es de 2.54 centímetros menos, entonces el error de traslación total del cilindro de elevación 41 se puede mantener hasta menos de 5.08 mieras con baleros ABEC clase 5. El cilindro de elevación 41 aloja internamente al banco óptico y a la óptica de proyección del haz (no mostrado) , así como a las celdas de Bragg de elevación y azimut 42. La geometría cilindrica para el cilindro de elevación se selecciona debido a que esta geometría combina la rigidez con el peso ligero. El cilindro de elevación 41 se hace girar mediante el motor de servo de elevación 31. El par de torsión desde el motor se transfiere a través de un Rotolok 32, hasta el cilindro de elevación 41, a través del accesorio de acoplamiento de tejido de desgarre de impulso de servo de elevación 33. Note que los accesorios de acoplamiento de tejido de desgarre 33, 34 se sujetan directamente al cilindro de elevación 41. Mediante la utilización del Rotolok 32, se puede utilizar un motor de servo mucho más pequeño 31. La masa del motor se reduce sustancialmente , y en adición, el motor se puede colocar debajo del cilindro de elevación 41, de tal manera que se minimicen los momentos de inercia alrededor del eje de azimut. Al hacerlo así, se reduce el tamaño del motor de impulso de azimut 11, y se incrementa la responsibidad mecánica del sistema de impulso de azimut total. Se monta un codificador de elevación 35 en el soporte de referencia de inclinación de elevación/codificador de elevación 36, y se acopla con el cilindro de impulso de elevación 41, a través del accesorio de acoplamiento de tejido de desgarre del codificador de elevación 34. Esta configuración particular requiere de un orificio a través de un plano de referencia de inclinación de elevación 37. Una configuración alternativa sería montar el codificador 35 directamente en la flecha del motor de impulso de servo 31. Sin embargo, si se elige esta última configuración, se puede asumir que el engranaje a través del Rotolok 32 es efectivamente perfecto. El plano de referencia de inclinación de elevación 37 se monta directamente al soporte de referencia de inclinación de elevación/codificador de elevación 36, y es idéntico al plano de referencia de azimut correspondiente 22. Se montan seis ondas de capacitor 38 directamente en el cilindro de elevación, y se deben ajustar para un hueco de aproximadamente 50.8 mieras con respecto a la superficie del plano de referencia de inclinación de elevación 37.

Apuntamiento y estabilización del haz Los elementos necesarios para el apuntamiento y estabilización del haz, son idénticos tanto para el eje de azimut como para el eje de elevación. Por consiguiente, en la siguiente descripción, no se hará intento alguno por diferenciar entre los dos ejes, inclusive cuando las modalidades para cada eje puedan diferir en algunos detalles menores . Dado que es difícil, y por consiguiente costoso, construir un dispositivo mecánicamente giratorio casi perfecto para apuntar el haz sobre un campo de observación grande, este dispositivo todavía no tendría la amplitud de banda necesaria para satisfacer los requerimientos del sistema de metrología dinámicamente rígido. Un balero de aire se aproxima a ese grado de perfección, pero no sería capaz de realizar el control de alta velocidad y el rechazo de vibración. En la descripción del mecanismo de apuntamiento y estabilización del haz, recuerde que el subsistema de referencia ha hecho las mediciones necesarias, y el subsistema de computación ha hecho las transformaciones matemáticas, de tal manera que se ha determinado el ángulo preciso en el cual el haz de láser estabilizado debe salir del director de haz de láser estabilizado 52. Los medios para realizar estos se describen en las siguientes secciones. Los tres elementos que proporcionan el apuntamiento y la estabilización del haz son: (1) los impulsores de ángulo grande, (2) los desviadores de haz de alta velocidad, y (3) los detectores de inclinación del eje.

Impulsor de ángulo grande El impulsor de ángulo grande se refiere a la combinación del motor de servo de corriente directa 11, el codificador incremental 12, y el cilindro de tabla de azimut/elevación. Se debe notar que los codificadores increméntales normalmente no proporcionan información con respecto a la orientación angular absoluta del disco del codificador. En lugar de eso, se define una posición de "inicio", desde donde se empieza a contar el cruce cero o los impulsos, dependiendo de la salida de señal eléctrica diseñada del codificador. En esta modalidad, se utiliza una salida eléctrica senoidal, y se cuentan los cruces cero. Por consiguiente, en la práctica, cuando se arranca el sistema, el impulsor de ángulo grande se ordenaría hacia la posición de inicio para establecer su orientación absoluta, y luego se contarían los cruces cero para determinar el desplazamiento angular desde la posición de inicio. El controlador del motor de servo realmente es ordenado para mover el motor un número dado de cruces cero, en lugar de a través de un ángulo. El controlador también almacena el número actual de impulsos desplazados desde la posición de inicio, de tal manera que no es necesario regresar a inicio cada vez que se desee una nueva posición angular. De modo que, una vez que se determina el ángulo deseado (lo cual puede suceder varios miles de veces por segundo) , se ordena al motor de servo que gire cierto número de cruces cero, para mover mecánicamente el ensamble completo para apuntar dentro del rango angular de la celda de Bragg del desviador de haz de alta velocidad 42. Un codificador preferido es un codificador incremental BEI modelo L25, con una salida de cuadratura senoidal. Este codificador es capaz de dividir el círculo en 10,160 incrementos, hasta una precisión de una fracción de un micro-radian. Por consiguiente, la distancia angular entre cada cruce cero es de 618.4 micro-radianes. Ya que la celda de Bragg 42 es capaz de desviar el haz de láser estabilizado 56 sobre un rango angular de 5 a 50 mili-radianes (dependiendo del modelo) , hay un amplio traslape entre el rango de la celda de Bragg 42 y los pasos del codificador. Una vez que se ha determinado el cruce cero deseado, y que se ha impulsado el motor hasta esa posición, el controlador trata de mantener al ensamble mecánico del impulsor de ángulo grande en esa posición. En realidad, ningún sistema de servo puede mantener una posición exacta, y el mecanismo estará oscilando constantemente alrededor del cruce cero, a medida que el sistema de control caza la posición deseada. Ya que la salida del codificador es senoidal, se puede demostrar, a través de una expansión de serie de Taylor de la función del seno, que la salida eléctrica del codificador será una función lineal del error angular sobre algún rango de oscilación angular. Un simple cálculo mostrará que, para una oscilación angular de ^15 micro-radianes, el error incurrido al asumir una salida lineal con ángulo, es menor de 0.075 micro-radianes. Por consiguiente, se puede utilizar la señal de error para impulsar las celdas de Bragg 42, para corregir el error de apuntamiento mecánico. El error más grande desde el codificador, resulta del hecho de que las dos salidas de cuadratura no están exactamente a 90° aparte. Sin embargo, esta es una inclinación fija que se puede medir, y luego se puede remover a través de un cálculo. En resumen, el impulsor de ángulo grande coloca el ensamble mecánico dentro del rango angular de los desviadores de haz de alta velocidad, y proporciona una señal de error angular variable en el tiempo, para permitir que se corrija la posición del haz estabilizado para el movimiento del impulsor de ángulo grande.

Detector de inclinación del eje En la Figura 5 se ilustra pictóricamente el principio del detector de inclinación del eje. Como un asunto preliminar, se debe notar que un plano óptico 80 típicamente se pule hasta quedar plano hasta 1/10 a 1/20 de una longitud de onda de luz. Para utilizarse en el espectro visible, la línea de 0.63 mieras desde un dispositivo de láser de helio-neón/ normalmente se utiliza como una longitud de onda de i referencia. Un plano óptico de 10.16 centímetros es adecuado para esta aplicación, estando estos planos ópticos fácilmente disponibles como un artículo de catálogo. La especificación de lo plano normalmente no se aplica a la región cerca de la orilla, y por consiguiente, las sondas no deben colocarse demasiado cerca de la orilla. En general, la superficie dentro de 1.75 de radio desde el centro, satisfará la especificación de lo plano. Si el plano óptico 80 se recubre con una capa delgada de aluminio 82, ahora tiene un recubrimiento conductor que se puede utilizar como una placa de un capacitor. Cuando se recubre el plano de esta manera, normalmente se vende como un espejo. La ilustración de la Figura 5 muestra tres electrodos 84. Si consideramos el centro de la superficie inferior de cada electrodo como un punto definido, entonces los tres puntos definen dos líneas rectas que se intersectan, o los vectores a y b. Estos vectores, a su vez, definen un plano del electrodo. Al conocer la distancia de cada electrodo 84 desde la superficie del espejo, se pueden determinar tanto el desplazamiento del plano del electrodo desde la superficie del espejo, como la orientación precisa del plano del electrodo con respecto al espejo. La orientación del plano del electrodo es una medición directa de la inclinación del eje. En modalidad ilustrada en la Figura 2, se utilizan seis electrodos 84 en lugar de 3. Esto se hace con el objeto de incrementar la precisión estadística de la medición, mediante el incremento del número de mediciones independientes . La superficie de cada electrodo 84 es una superficie conductora, y por consiguiente, la superficie del electrodo y la superficie del espejo forman juntas un capacitor eléctrico. La distancia entre el electrodo y el espejo se puede determinar mediante la medición de la capacitancia eléctrica entre el espejo 82 y el electrodo 84. La capacitancia entre dos superficies conductoras es dada por la siguiente ecuación: A C = e0 (2.1) X en donde se utilizan unidades del Sistema Internacional, y e0 es la permisividad de espacio libre y es igual a 8.854xl0"12 faradios/metro, A es el área del electrodo de sonda, y x es la distancia entre la superficie del electrodo y la superficie del espejo. En la Figura 6 se muestra el circuito eléctrico preferido. La razón para que se incluya un capacitor 90 en ciclo de retroalimentación del amplificador operativo, es que la salida del amplificador es una función lineal de la separación entre el electrodo 84 y el espejo 82 en esta configuración de circuito. El inconveniente de este circuito es que ninguna terminal del capacitor se puede poner a tierra. De conformidad con lo anterior, se deben tomar precauciones en la construcción, para evitar un ruido eléctrico indeseado. Se prefieren los siguientes parámetros de circuito. Se debe emplear un diámetro de electrodo de 1 centímetro, con una separación inicial de 50.8 mieras entre el electrodo 84 y la superficie del espejo 82. Si el valor de la resistencia R es de un kü, y la frecuencia del voltaje de entrada es de 50 kHz a un voltio, entonces este circuito proporcionaría aproximadamente un cambio de 40 milivoltios en la salida para un cambio de 0.1 micro-radianes en el ángulo de inclinación.

Derivación de las ecuaciones Las tres sondas establecen un plano'. Üna sonda está designada como el origen, y los dos vectores base se dirigen desde el origen hasta cada una de las otras dos sondas. El procedimiento para medir la inclinación, o la oscilación, es establecer primero un vector normal al plano de los dos vectores base. Al mismo tiempo, se mide la distancia de las sondas desde el plano de referencia. Estas distancias iniciales, que son del orden de 50 mieras desde el plano de referencia, establecen el ángulo de inclinación inicial con respecto al plano de referencia. Todas las inclinaciones subsecuentes debidas a la oscilación del balero, son referenciadas a este vector de inclinación inicial.

Los tres puntos directamente debajo del centro de cada sonda están designados como los tres puntos en el plano de referencia, que establecen los vectores base en el plano de referencia. Los vectores base en el plano de referencia están designados como a y b, indicando las letras en negrillas una cantidad de vector. Los componentes escalares de a y b son [a1# a2, 0] y [blt b2, 0] , respectivamente. Solamente se utilizan operaciones de vector para determinar el ángulo de inclinación y su dirección. De esta manera, el resultado es independiente del sistema de coordenadas. Además, no hay necesidad de que los vectores base sean ortogonales unos a otros . Se establece un vector c perpendicular a a y b, tomando el producto de la cruz de a y b, y por lo tanto, c es igual a c = axb = [a2b3 - a3b2, a3bx - a-,b3, a^ - a2b1] (2.2) Ya que a y b están en el plano de referencia, no tendrán componente alguno en las tres direcciones, y por consiguiente, a3 = b3 = 0, y c = [o, 0, a^ - a^] (2.3) Digamos que óa = [0, 0, 5a3] y 5b = [0, 0, 6b3] , y entonces los nuevos vectores de base inclinados son: a' = a + 5a y b' = b + ób. (2.4) Estos establecen un nuevo c' normal dado por : c' = (a + 5a)x(b + 5b) = axb + ax6b + óaxb + 6ax5b (2.5) Ya que óa y 5b son paralelos, su producto de cruz es cero, y por consiguiente: c' = (a + <5a)x(b + ób) = c + ax5b + 6axb (2.6) La ecuación (2.5) muestra que c' es igual al vector c, y dos componentes que están en plano de referencia, ya que óa y 6b son perpendiculares al plano de referencia. Estos otros dos componentes son la proyección del vector c sobre el plano de referencia ocasionada por la inclinación de c . Ya que a y b son del orden de 2.54 centímetros, y 6a y 5b son del orden de 2.54 mieras o menos, c' es aproximadamente igual a c. Los vectores axób y 5axb son los componentes del vector en el plano de referencia, que dan la dirección de la inclinación, y el ángulo de inclinación se encuentra tomando la magnitud de (axób + ¿axb) , y dividiendo entre la magnitud de c. La prueba de las declaraciones anteriores es como sigue. El producto de cruz entre c y c' es: c'xc = (c + ax5b + 6axb)xc = (ax5b)xc - (bx6a)xc = (a-c) 6b - (ób-c)a -(b-c)5a + (6a-c)b (2.7) Pero c es perpendicular tanto a a como a b, y ya que 6a. = [0, 0, §a3] , 5b = [0, 0, 6b3] , c' xc = (6a-c)b - (5b-c)a (2.8) Después de alguna manipulación algebraica, los componentes del producto de cruz son dados por: c'xc = (aab2 - a2b1) [óaj^ - Óbja-L, 6a3b2 - 6b3a2 (2.9) Note que el vector dado por la Ecuación (2.9) es perpendicular a la dirección de la inclinación. El ángulo de inclinación se encuentra utilizando la siguiente ecuación: ¡ G'XC \ = \ c' \ I c I sen0 (2.10) Desviador de haz de alta velocidad El desviador de haz de alta velocidad consiste en un par de desviadores de haz acústico - ópticos (celda de Bragg) 42, uno por cada eje de rotación. En la elección de las celda de Bragg 42 para esta aplicación, es necesario que el rango de desviación angular total producido por la celda de Bragg 42, exceda al incremento angular entre los cruces cero del codificador utilizado en el impulsor de ángulo grande. Para la celda de Bragg 42 que se está considerando en este ejemplo (Isomet 1205C2) , el haz estabilizado que entra a las celdas de Bragg solamente puede ser de aproximadamente 1 milímetro de diámetro. Si se asume que la fuente de luz es un diodo de láser con una longitud de onda de 0.85 mieras, y que este haz se va a enfocar en un punto a 8 metros (aproximadamente la distancia de proyección para llegar a la orilla lejana de un cubo de 4.5 metros), el diámetro del punto enfocado sería de casi 17 milímetros de diámetro. Un punto de este tamaño sería más grande que el fotodetector sobre el subsistema del sensor de la herramienta. Con el objeto de obtener un punto suficientemente pequeño en el fotodetector, el haz estabilizado tendrá que expanderse hasta un diámetro de 5 milímetros antes de enfocarse sobre el fotodetector del sensor de herramienta. Esto dará como resultado un punto de solamente 3 milímetros de diámetro sobre la superficie del detector . Ya que se necesita la expansión del haz para obtener un punto focal pequeño sobre el sensor de la herramienta 60, se deben considerar los efectos adicionales del expansor del haz sobre el diseño del sistema. En la Figura 7 se muestra un esquema del haz estabilizado que sale del detector acústico-óptico, y la propagación a través de un expansor de haz y el lente de enfoque. Note que el haz estabilizado sale de la celda de Bragg en algún ángulo desde la línea central. Después de que el haz pasa a través del expansor del haz, se reduce el ángulo de desviación. El ángulo de desviación se reduce por la cantidad que se ha expandido el haz . Los efectos del sistema son como sigue. Hay una limitación con respecto a la máxima cantidad que se puede expander el haz, que es gobernada por la distancia angular entre las transiciones del codificador, dc, y el ángulo de desviación total del haz estabilizado 56. Los términos, ángulo de espacio de entrada 6ít y ángulo de espacio de salida ??? son referenciados al expansor del haz y al impulsor de ángulo grande. El espacio de salida se refiere al ángulo medido en el sistema de coordenadas fijo de la pieza de trabajo. Los cambios angulares producidos por el impulsor de ángulo grande y el haz que sale del expansor del haz, están en el espacio de salida. Los cambios angulares producidos por la salida de la celda de Bragg 42 están en el espacio de entrada. Si di es el cambio angular en el espacio de entrada, y ?0? es el cambio angular en el espacio de salida, entonces ???/??0 es igual a la proporción de expansión del haz BR. Ya que ?0? debe ser siempre mayor que ??a, y ??a es fijado por el diseño de las celdas de Bragg 42, hay un límite para qué tan grande puede ser la proporción de expansión del haz. La escala de frecuencia sobre la cual opera la celda de Bragg es de 65 MHz hasta 95 MHz . Con el objeto de mantener una precisión angular dada, ?? , es necesario mantener una precisión de frecuencia dada, ?? . La reacción entre las dos es : ? ?? = Af v (2.11) en donde ? es la longitud de onda del haz de luz que pasa a través de la celda de Bragg (0.85 mieras), y v es la velocidad de sonido en el medio de la celda de Bragg (3,630 metros por segundo) . La ecuación (2.11) muestra que, si se va a controlar la precisión angular hasta 0.1 micro-radianes, se debe controlar la frecuencia hasta dentro de 427 Hz . Este control preciso a una frecuencia de casi 100 MHz es posible, pero reduce la amplitud de banda de control. La expansión del haz ayuda, ya que Af se puede incrementar por la proporción BR haciendo de esta manera más fácil obtener la amplitud de banda necesaria . La interacción del sistema entre los componentes mecánicos del director de haz de láser estabilizado 52 y las señales eléctricas, se muestra en la Figura 4. Solamente se muestra el control de ángulo de azimut, ya que el sistema de control de elevación análogo es similar. El ángulo 0entrada es generado por el Subsistema de Computación, y se calcula por las señales derivadas a partir del Subsistema de Referencia y la entrada del usuario, tal como un dibujo CAD o un comando directo. En adición a 0entrada' -*-a salida de un codificador absoluto también se puede proporcionar como una retroalimentación, para confirmar que no se dejaron las cuentas desde el codificador incremental . Este ciclo no es necesario para el funcionamiento de la invención, pero es una buena verificación de error. La señal de error del codificador en la línea 100 se retroalimenta tanto a un tablero del controlador de servo 102, como a un procesador de matriz de transformación 104. El procesador de matriz de transformación 104, por ejemplo, podría ser una estación de trabajo apropiadamente programada de un procesador de señales, tal como el motorola DSP56000. Con el objeto de tener un ciclo de control estable, es necesario proporcionar también una retroalimentación de velocidad al controlador de servo. Se puede generar una señal de velocidad en la línea 106, mediante la adición de un tacómetro al sistema, o mediante la diferenciación matemática de la señal de error del codificador . En adición a la señal de error del codificador, se tienen que alimentar tanto la medición de elevación como de inclinación del eje de azimut, así como las mediciones de desplazamiento desde los detectores de inclinación, a la matriz de transformación, y finalmente se tiene que proporcionar el ángulo de interpolación del espacio de entrada que coloca el haz entre las transiciones del codificador. La salida de la matriz de transformación 104 de preferencia es un comando de frecuencia digital a un sintetizador de frecuencia de ciclo de fase asegurada 108. Un dispositivo co ercialmente disponible para generar las frecuencias necesarias desde una entrada digital, es el sintetizador de frecuencia Phillips TSA6057. El sintetizador también requiere de una entrada de frecuencia de referencia. La estabilidad de frecuencia necesaria para garantizar la desviación de la celda de Bragg 42 hasta la precisión angular necesaria, es una parte en un millón. Una fuente de frecuencia 110 capaz de proporcionar este nivel de estabilidad, es un oscilador Hewlett Packard HP 10811. Este oscilador sirve además como la referencia de tiempo para el sistema de metrología dinámicamente rígido global . La salida del sintetizador de frecuencia 108 es amplificada por un amplificador de potencia de radiofrecuencia 112, con el objeto de proporcionar un nivel de potencia de un watt para impulsar la carga de 50 ohms de la celda de Bragg 42.

SUBSISTEMA DE REFERENCIA DE LA PIEZA DE TRABAJO El Subsistema de Referencia de la Pieza de Trabajo consiste en un mínimo de tres ensambles de detector de referencia rígidamente montados sobre la pieza de trabajo, o' sobre un aparejo que sostenga a la pieza de trabajo. El propósito de los ensambles de detector de referencia, es establecer el plano de referencia localmente rígido sobre la pieza de trabajo, y medir el movimiento relativo de los directores del haz de láser estabilizados 52 con respecto a la pieza de trabajo. La colocación precisa de los detectores de referencia se puede determinar mediante: (1) una medición directa, (2) auxiliares construidos en la pieza de trabajo o en el aparejo, (3) mediante la utilización del Subsistema de Calibració . Cada ensamble de detector de referencia contiene uno o más fotodetectores , que puede medir la posición del centroide del haz de referencia hasta una precisión de unas cuantas decenas de mieras. En general, sería adecuado un solo fotodetector por cada ensamble de detector de referencia. En ese caso, cada haz de referencia 54 compartiría en el tiempo el uso del detector de referencia 58, mediante el control del tiempo de encendido y apagado de cada dispositivo de láser. Sin embargo, las limitaciones geométricas impuestas por la naturaleza de la pieza de trabajo, podrían requerir del uso de más de un fotodetector en cada ensamble . Como se puede apreciar fácilmente, el diseño mecánico detallado del ensamble del detector de referencia depende mucho de la configuración particular de la pieza de trabajo, y puede variar de conformidad con lo mismo. Existen varias clases de fotodetectores que se podrían utilizar para medir la posición del haz. Los arreglos de CCD y las celdas quad, son dos fotodetectores comúnmente utilizados que se podrían utilizar en algunas circunstancias limitadas, pero en general no se recomiendan. La clase preferida de fotodetector es el fotodiodo de efecto lateral, que puede medir continuamente la posición del centroide del haz de láser hasta una resolución de 0.304 mieras sobre un cuadrado de 13 milímetros por 13 milímetros. El fotodiodo de efecto lateral tiene una amplitud de banda de frecuencia mayor de 100 kHz, que es más que adecuada para esta aplicación. Un fotodetector recomendado es el Detector Sensible a la Posición Duo-Lateral Hammamatsu S1300.

Medición de la posición del haz Los circuitos eléctricos y las operaciones matemáticas asociadas con el fotodiodo de efecto lateral, están fácilmente disponibles, y se discuten típicamente en la literatura proporcionada por los fabricantes.

SUBSISTEMA DEL SENSOR DE LA HERRAMIENTA El Subsistema del Sensor de la Herramienta es similar en su concepto al ensamble del detector de referencia. De hecho, puede haber muy poca diferencia entre los dos, bien sea mecánicamente o eléctricamente. En muchas aplicaciones, se requerirían dos detectores en el ensamble del sensor. Esto permitiría que los dos haces de láser establecieran un plano de referencia desde donde también se podría medir la orientación de la herramienta. La función del sensor de la herramienta es medir la posición de los haces de láser estabilizados sobre el sensor, y utilizar esta información en una de dos maneras. La primera es como un dispositivo medidor del error de posición. En este modo, los haces del director de haz de láser estabilizado, establecen el punto deseado en el espacio, y el sensor de la herramienta 60 mide la desviación desde esta posición. Este error se utiliza como la base de los comandos para la herramienta, con el fin de corregir el error. La segunda manera en la cual se podría utilizar el sensor de herramienta 60, es proporcionar señales de error a los directores de haz de láser estabilizados 52. Esto permitiría que los directores de haz de láser estabilizados 52 rastrearan el sensor, y de esta manera, determinaran la posición del sensor en todo- momento . En este modo, el sistema de metrología dinámicamente rígido 50 se puede utilizar para medir la configuración ya construida de la pieza de trabajo.

SUBSISTEMA DE CALIBRACION El subsistema de calibración proporciona el medio para establecer inicialmente el sistema de metrología dinámicamente rígido en el lugar de trabajo, verificando periódicamente la operación del sistema, y haciendo que la metrología del sistema de metrología dinámicamente rígido sea rastreable hasta el National Institute of Standards and Technology (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología). El subsistema de calibración consiste en un accesorio de calibración especialmente construido, con sus detectores y electrónica asociado. El accesorio de calibración consiste en un tetrahedro construido de un material que es mecánicamente rígido y térmicamente estable, tal como invar o carbón/epoxi . El tetrahedro es la única figura geométricamente rígida en el espacio, y se seleccionó por esta razón. En cada vértice del tetrahedro, se coloca un fotodetector similar al detector de referencia. Las posiciones de los fotodetectores se miden muy precisamente, y estas mediciones se podrían hacer rastreables hasta los estándares de longitud del NIST. La longitud de cada orilla del tetrahedro debe ser entre 1 y 2 metros de largo para la mayoría de las aplicaciones. Las distancias que se miden sobre el tetrahedro, son la distancia entre cada uno de los centros ópticos de los cuatro fotodetectores colocados en los vértices. El punto que define el centro óptico sobre la superficie de cada fotodetector, se define como un vértice del tetrahedro. El error asociado con estas mediciones debe mantenerse hasta menos de 0.5 mieras (20 micropulgadas) . Este nivel de precisión se puede obtener con un instrumento comercialmente disponible, tal como el sistema de colocación de interferómetro de láser Hewlett-Packard modelo 5527B y sus accesorios . Note que el ensamble del tetrahedro no requiere de este nivel de precisión, ya que las posiciones reales de los centros ópticos del fotodetector se miden después del ensamble. Se requiere que la estructura que sostiene a los detectores sea altamente estable dimensionalmente . Note que las líneas que conectan los vértices no coinciden necesariamente con la estructura mecánica. El tetrahedro se muestra en la Figura 8 como un análogo de vector; es decir, las líneas dirigidas entre los vértices, y las líneas dirigidas entre los vértices y uno de los directores de haz, como se indica por BD en la Figura. Las orillas del tetrahedro de calibración se muestran como las líneas entre los vértices etiquetadas como 0, 1, 2, y 3. Las seis orillas del tetrahedro están etiquetadas como x, y, z y u, v, w. Los vectores que coinciden con estas orillas son como sigue: x se dirige desde 0 hasta 1 y se dirige desde 0 hasta 2 z se dirige desde 0 hasta 3 u se dirige desde 2 hasta 1 v se dirige desde 3 hasta 2 w se dirige desde 1 hasta 3 Los vectores desde los vértices hasta el director del haz están designados como p, a, b, y e. Las cuatro superficies del tetrahedro consisten en cuatro triángulos con 12 ángulos internos. Ya que los seis lados forman los cuatro triángulos son conocidos, entonces se pueden calcular los doce ángulos internos (referencia: R. S. Burington, "Handbook of athematical Tables and Formulas", 3a. edición, párrafo 65. Handbook Publishers, Inc., Sandusky, OH) . Ahora utilizamos los tres vectores x, y, y z para formar los vectores base de un sistema de coordenadas tridimensional. Note que estos tres vectores no necesitan ser ortogonales unos con otros, y por consiguiente, podrían formar un sistema de coordenadas oblicuo. En ese caso, los componentes de covariante y contravariante de los vectores deben diferenciarse (Ref.: E. A. Guillemin, "The athematics of Circuit Analysis", capítulo 3, John iley and Sons, Inc., Nueva York) . En el vértice BD, se pueden medir seis ángulos entre los cuatro vectores p, a, b, y c dirigiendo el haz estabilizado hacia los vértices 0, 1, 2, y 3. Esto es suficiente para calcular la longitud del vector p y sus componentes a lo largo de los ejes x, y, y z. Con el objeto de que las ecuaciones que se vayan a derivar sean independientes del sistema de coordenadas, primero se escribirán en forma vectorial. En el tetrahedro, tenemos : u = x - y (2.12) v = y - z (2.13) w = z - x (2.14) Adicionalmente : x = p - a (2.15) y = p - b (2.16) z = p - c (2.17) u = b - a (2.18) v = c - b (2.19) w = a - c (2.20) Todos los vectores del lado izquierdo de las ecuaciones 2.15 a 2.20 son conocidos. Con el objeto de resolver los cuatro vectores desconocidos, solamente se seleccionan cuatro de las ecuaciones anteriores. Para propósitos de ilustración, se seleccionan las ecuaciones 2.15 a 2.18. Un ángulo entre dos vectores, tal como aquel entre los vectores p y c, se indica por la anotación pe. En seguida, se toma la operación del vector de un producto de punto sobre cada una de las ecuaciones. Al tomar el producto de punto (también referido como el producto escalar y el producto interno) , los resultados son independientes de la naturaleza del sistema de coordenadas. Las ecuaciones resultantes son como sigue: ?·? = (p - a) • (p -¦ a) = P'P + a«a -¦ 2a-p (2.21) yy = (p - b) • (P ¦ - b) = P'P + b-b ¦ - 2b-p (2.22) z · z = (p - c) • (p -¦ c) = p-p + c -c -¦ 2c-p (2.23) u*u = (b - a) • (b ¦ ¦ a) = a · a + b-b -¦ 2a-b (2.24) Note que las cantidades de las ecuaciones 2.21 a 2.24 son ahora escalares debido a la operación matemática del producto de punto. La magnitud de un vector estará representada por itálicas; es decir, x = ¡x¡, etcétera. De conformidad con lo anterior, las ecuaciones 2.21 a 2.24 se escriben en términos de las cantidades escalares correspondientes como sigue: x2=p2+a2-2ap eos (/ap) (2.21a) y2=p +b -2bp eos (/bp) (2.22a) z2=p2+c2 -2cp eos (/cp) (2.23a) u2=a2+b2-2ab cos{¿ab) (2.24a) El lado izquierdo de estas ecuaciones, así como los ángulos, son las cantidades medidas. Las ecuaciones 2.21a a 2.24a forman un conjunto de cuatro ecuaciones no lineales en cuatro desconocidas. Estas ecuaciones se resuelven mejor utilizando un algoritmo basado en el método de Newton-Raphson (referencia: . H. Press, B*. P. Flannery, S. A. Teukolsky, y W. T. Vetterling; "Numerical Recipes, capítulo 9, Cambridge University Press, 1986) . Como se describe en la literatura, las ecuaciones no lineales pueden tener más de un conjunto de soluciones, y por consiguiente, se deben tomar precauciones para garantizar la convergencia hasta la solución correcta en esta aplicación. Los componentes de p a lo largo de los vectores x, y, y z se pueden calcular utilizando las fórmulas de trigonometría plana. De una manera similar, se puede determina el vector p' para el segundo director de haz. La línea base entre los dos directores de haz es dada ahora por el vector p - p' . Con la línea base conocida, ahora es posibledeterminar la posición de cualquier otro punto en el espacio. Al poner en secuencia los haces estabilizados 56 de cada director de haz de láser estabilizado 52 sobre los fotodetéctores , se pueden medir las posiciones exactas y las orientaciones de los directores de haz de láser estabilizados 52 mediante el proceso de levantamiento conocido como taqueometría . Una vez que se conocen las posiciones de los directores de haz de láser estabilizados 52, así como sus posiciones con respecto a los detectores de referencia 54, el sistema está listo para realizar su función de metrología.

SUBSISTEMA DE COMPUTACION Los altos requerimientos de amplitud de banda del sistema de metrología dinámicamente rígido 50, lo convierten en un sistema intenso en computación. El gran número de señales consistentes tanto en las mediciones externas como en las correcciones internas, requieren de una poderosa estación de trabajo para realizar los cálculos necesarios. Un planteamiento alternativo es sacar ventaja de un sistema de computación distribuido, utilizando componentes para propósitos especiales, tales como procesadores de señales digitales. Estos procesadores podrían empotrarse en cada subsistema individual, y se podrían implementar digitalmente comunicaciones hacia un procesador central ejecutivo sobre enlaces de fibra óptica. Este planteamiento proporciona inmunidad de las fuentes de ruido eléctricas severas que tienen posibilidades de estar presentes en el piso de la fábrica. En un sistema de computación distribuido, el procesador central ejecutivo puede ser una computadora personal de extremo alto. Las operaciones matemáticas más difíciles son las transformaciones de coordenadas necesarias para llevar todas las mediciones hasta el sistema de coordenadas de la pieza de trabajo. Estas transformaciones están disponibles como un software comercial en paquetes, tales como PV-WAVE de Visual Numerics, Inc.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de metrología dinámicamente rígido, de alta amplitud de banda, para proporcionar un control de tiempo real de un elemento de dirección óptica, comprendiendo el sistema: un par de directores de haz de láser estabilizado (SLBD) , incluyendo cada uno, una base, un aparato de apuntamiento y estabilización del haz mecánicamente acoplado con la base, tres haces de láser de referencia y un haz de láser estabilizado unido a la base, y una estructura métrica mecánicamente acoplada con el director de haz de láser estabilizado que proporciona un sistema de coordenadas de director de haz de láser estabilizado localmente rígido, incluyendo cada aparato de apuntamiento y estabilización del haz un elemento de dirección óptica y un detector de inclinación del eje, acoplándose ópticamente el elemento de dirección óptica con el haz de láser estabilizado, y dirigiendo el haz de láser estabilizado en respuesta a una señal de entrada, proporcionando el elemento de dirección óptica señales de error asociadas con una posición y una orientación del elemento de dirección óptica en relación con el sistema de coordenadas del director de haz de láser estabilizado localmente rígido, incluyendo además el elemento de dirección óptica un eje de -rotación, proporcionando el detector de la inclinación del eje señales que indican un ángulo de inclinación y una dirección del eje de rotación en relación con una posición inicial del eje de rotación; un subsistema de referencia que incluye tres detectores de referencia fijamente colocados en relación con una pieza de trabajo, que proporcionan un sistema de coordenadas de pieza de trabajo localmente rígido, estando los tres detectores de referencia respectivamente en comunicación óptica con los tres haces de láser de referencia de cada director de haz de láser estabilizado, generando los detectores de referencia señales de salida de detector de referencia en respuesta a los haces de láser de referencia; un subsistema de sensor de herramienta que incluye cuando menos un detector de sensor de herramienta colocado sobre una herramienta, y en comunicación óptica con el haz de láser estabilizado, generando este cuando menos un detector de sensor de herramienta señales de salida del detector de sensor de herramienta en respuesta al haz de láser estabilizado; y cuando menos un procesador que recibe y realiza transformaciones de coordenadas sobre las señales de salida del detector de referencia y las señales de salida del detector del sensor de herramienta, para rastrear una posición de la herramienta en relación con el sistema de coordenadas de la pieza de trabajo localmente rígido, recibiendo y procesando este cuando menos un procesador el ángulo de inclinación y las señales de dirección desde el detector de inclinación del eje, y las señales de error desde el elemento de dirección óptica para generar la señal de entrada, proporcionando de esta manera un control de tiempo real del elemento de dirección óptica .

2. El sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda de la reivindicación 1, en donde el haz de láser estabilizado comprende un dispositivo de láser de un solo modo.

3. El sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda de la reivindicación 1, en done el elemento de dirección óptica comprende: un impulsor de ángulo grande que controla una orientación del aparato de apuntamiento y estabilización del haz en relación con la base, y que genera las señales de error; y un desviador de haz de alta velocidad ópticamente acoplado con el haz de láser estabilizado, y que dirige al haz de láser estabilizado en respuesta a la señal de salida .

4. El sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda de la reivindicación 3, en donde el impulsor de ángulo grande incluye cuando menos un codificador que genera las señales de error.

5. El sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda de la reivindicación 3, en donde el desviador de haz de alta velocidad comprende un desviador de haz acústico-óptico, acoplado ópticamente a, y que dirige a, el haz de láser estabilizado en respuesta a la señal de entrada .

6. El sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda de la reivindicación 3, en donde el desviador de haz de alta velocidad comprende: un expansor de haz ópticamente acoplado con el haz de láser estabilizado, y que produce un haz estabilizado expandido; y un desviador de haz acústico - óptico que recibe y dirige el haz estabilizado expandido en respuesta a la señal de entrada.

7. El sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda de la reivindicación 1, en donde el detector de inclinación del eje comprende: una superficie conductora sustancialmente plana fijamente colocada en relación con un plano de referencia del aparato de apuntamiento y estabilización del haz; y un plano de electrodo que comprende cuando menos tres electrodos fijamente colocados en relación con el eje de rotación, facilitando las capacitancias entre la superficie conductora y los cuando menos tres electrodos, una medición del ángulo de inclinación y de las señales de dirección .

8. El sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda de la reivindicación 7, en donde la superficie conductora comprende un plano óptico.

9. Un sistema de control para un elemento de dirección óptica en un sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda, comprendiendo el sistema: un par de directores de haz de láser estabilizado (SLBD) , cada uno dentro de un sistema de coordenadas de director de haz de láser estabilizado localmente rígido, incluyendo cada uno de los directores de haz de láser estabilizado un elemento de dirección óptica y un detector de inclinación del eje, dirigiendo cada uno de los elementos de dirección óptica un haz de láser estabilizado en respuesta a una señal de entrada, incluyendo los elementos de dirección óptica de cada director de haz de láser estabilizado un eje de rotación, y produciendo señales de error asociadas con una posición y orientación del elemento de dirección óptica en relación con el sistema de coordenadas del director de haz de láser estabilizado localmente rígido, proporcionando el detector de inclinación el eje de cada director de haz de láser estabilizado señales que indican un ángulo de inclinación y una dirección del eje de rotación en relación con una posición inicial del eje de rotación; y un subsistema de referencia que proporciona un sistema de coordenadas de pieza de trabajo localmente rígido, y que produce señales que indican las posiciones de los directores de haz de láser estabilizados en relación con el subsistema de referencia; y un procesador que procesa las señales desde el subsistema de referencia en relación con los sistemas de coordenadas del director de haz de láser estabilizado localmente rígido unos con otros, y con el sistema de coordenadas de la pieza de trabajo localmente rígido, y que procesa las señales de error y el ángulo de inclinación y las señales de dirección, para generar las señal de salida para dirigir el haz de láser estabilizado en tiempo real.

10. El sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda de la reivindicación 9, en donde el haz de láser estabilizado genera un haz de salida circular y colimado .

11. El sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda de la reivindicación 9, en donde el elemento de dirección óptica comprende: un impulsor de ángulo grande que controla los movimientos gruesos del elemento de dirección óptica, y que genera las señales de error; y un desviador de haz de alta velocidad ópticamente acoplado con el haz de láser estabilizado, y que controla la dirección fina del haz de láser estabilizado en respuesta a la señal de entrada.

12. El sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda de la reivindicación 11, en donde el impulsor de ángulo grande incluye dos codificadores que generan las señales de error.

13. El sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda de la reivindicación 11, en donde el desviador de haz de alta velocidad comprende una celda de bragg ópticamente acoplada con, y que dirige a, el haz de láser estabilizado, en respuesta a la señal de entrada.

14. El sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda de la reivindicación 11, en donde el desviador de haz de alta velocidad comprende: un expansor de haz ópticamente acoplado con el haz de láser estabilizado, y que produce un haz estabilizado expandido; y una celda de Bragg que recibe y dirige el haz estabilizado expandido en respuesta a la señal de entrada.

15. El sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda de la reivindicación 9, en donde el detector de inclinación del eje comprende: una superficie conductora sustancialmente plana fijamente colocada en relación con un plano de referencia del director de haz de láser estabilizado; y cuando menos tres electrodos fijamente colocados en relación con el eje de rotación, facilitando las capacitancias entre la superficie conductora y los cuando menos tres electrodos una medición del ángulo de inclinación y las señales de dirección.

16. El sistema de metrología dinámicamente rígido de alta amplitud de banda de la reivindicación 15, en donde la superficie conductora comprende un plano óptico.

17. Un sistema de metrología dinámicamente rígido, el cual comprende : una pieza de trabajo; una pluralidad de cuando menos tres sensores de haz de láser de área amplia fijos, montados fijamente sobre la pieza de trabajo; una herramienta de control para interconectarse con la pieza de trabajo; un mecanismo para controlar la posición de la herramienta controlada; un sensor de haz de láser de área amplia montado sobre la herramienta, adyacente al punto de interacción de la herramienta con la pieza de trabajo; y dos .directores de haz de láser estabilizados separados (SLBD) , dirigiendo cada director de haz de láser un haz de láser hacia cada uno de los sensores de haz de láser de área amplia fijo, y dirigiendo también cada uno de los directores de haz de láser un haz de láser de rastreo hacia el sensor de haz de láser de área amplia sobre la herramienta.

18. Un sistema como se define en la reivindicación 17, en donde los dispositivos de láser son dispositivos de láser de un solo modo.

19. Un sistema como se define en la reivindicación 17, en donde cada director de haz de láser estabilizado incluye un director de haz de láser de alta velocidad para cambiar la orientación de los haces de láser de rastreo, para rastrear el movimiento de la herramienta.

20. Un sistema como se define en la reivindicación 17, el cual comprende además circuitos para controlar la posición de la herramienta de acuerdo con las señales recibidas desde los sensores de haz de láser de área amplia fijos y de rastreo.