納米三坐標測量機接觸式測頭觸發(fā)控制

1、第18卷第12期2010年12月光學精密工程Optics and Precision EngineeringVol. 18 No. 12Dec. 2010文章編號 1004-924X(2010)12-2603-07納米三坐標測量機接觸式測頭觸發(fā)控制程方，費業(yè)泰(合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院，安徽合肥230009)摘要：為高靈敏度納米三坐標測量機(nancrCMM)接觸式測頭提出了一種高精度高效率的觸發(fā)控制策略。該策略使用 了一種自行研制的4-DVD接觸式測頭，工件接觸測頭產(chǎn)生的微小變形會導致測頭產(chǎn)生靈敏度極高的觸發(fā)信號。系統(tǒng)使 用超聲波馬達整合不同驅(qū)動模式,實現(xiàn)了高速逼近和低速觸發(fā)的有效

2、結(jié)合。觸發(fā)過程使用了二次觸發(fā)策略，即第一次觸 發(fā)獲得接觸位置的范圍，第二次觸發(fā)用極低的速度，詳細記錄觸發(fā)點附近的觸發(fā)信號，并通過線性擬合的方式求得信號 曲線轉(zhuǎn)折點，即為觸發(fā)位置。該方法解決了驅(qū)動分辨率和行程大小的矛盾。實驗結(jié)果顯示：該方法可以有效地避免測頭 系統(tǒng)的塑性形變，觸發(fā)位置的重復性可在10 nm以內(nèi)。結(jié)果表明，本文提出的nancrCMM接觸式測頭觸發(fā)控制策略在 保證精度和穩(wěn)定性的前提下，表現(xiàn)出了良好的控制效率。關(guān)鍵詞：納米三坐標測量機；接觸式測頭；超聲波馬達；二次舷發(fā)中圖分類號:TP216;TH72文獻標識碼：Adoi：10. 3788/OPE. 20101812. 2603Trigg

3、er control of touch probe for nano-CMMCHENG Fang, FEI Ye-tai(School of Instrument Science and Opto-eledronic Engineering ,Hefei University of Technology » Hefei 230009, China)Abstract: A high precision and high efficiency trigger control scheme for the touch probe in a high-sensitive nano Coord

4、inate Measurement Machine( nano-CMM) is developed and a self-developed 4-DVD touch probe is used in the proposed scheme. When the probe touches the workepiece, the tiny deformation of the probing system will generate a high-sensitive trigger signal. By integrating different driving modes of an ultra

5、sonic motor, the trigger control scheme realizes the combination of high-speed approaching and low-speed touching. Furthermore» a double-trigger method is used in the touching process. The first trigger is to determine the rough range of the trigger point and the second trigger is to record the

6、 trigger signal in detail by a very low speed and to work out the turning point of the trigger signal curve by a linear fitting i. e> the trigger position. This method solves the paradox between traveling range and driving resolution. Experimental results show that the proposed method will avoid

7、the permanent deformation during touching process and the repeatability of the trigger point is within 10 nm< It concludes that this trigger control method for a nano-CMM touch trigger probe not only offers the higher precision and reliability,but also shows the acceptable control efficiency.Key

8、words: nano Corrdinate Measurement Machine (nano-CMM) ； touch probe； ultrasonic motor； double-trigger method收稿日期：2010-01-04；修訂日期：2010-03-01.基金項目：國家自然科學基金重大國際合作資助項目(No. 50420120134)第12期程 方，等：納米三坐標測量機接觸式測頭觸發(fā)控制2605制還需要一高精度位移反饋系統(tǒng)。激光干涉儀以其大量程高精度被廣泛應(yīng)用于高精度位移測量,但是其讀數(shù)往往易受溫度和氣流等環(huán)境因素的影<a）測頭彈性機構(gòu)DVD讀取頭(b)測頭裝配及

9、觸發(fā)原理(b) Assembling and trigger principle of probe 圖1 4-DVD測頭結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of 4-DVD probe隨著納米三維測量技術(shù)的發(fā)展，人們相繼開 發(fā)了多種高精度接觸式測頭A"。相對于傳統(tǒng)測 頭，新式接觸式測頭表現(xiàn)岀更高的靈敏度，同時也 對控制策略提出更高要求。納米三維坐標機 （nano Coordinate Measurement Machine, nano-CMM）的測頭是坐標測量系統(tǒng)的重要部件，為 nano-CMM測頭建立完備的觸發(fā)控制系統(tǒng)至少 需要3個必要條件:大行程高分辨率驅(qū)動，大量程 高精度的位

10、移測量，以及可靠的控制策略。目前, 應(yīng)用于nano-CMM的接觸式測頭多采用各種高 靈敏度的傳感器作為測頭系統(tǒng)的敏感元件，文獻 2-4分別采用DVD讀取頭和壓阻式應(yīng)變片作為 測頭系統(tǒng)的敏感元件，并結(jié)合一定的彈性機構(gòu)實 現(xiàn)高靈敏觸發(fā)。這些敏感元件往往只在很小的響 應(yīng)范圍內(nèi)輸出靈敏度很高的信號，因此這種設(shè)計 需要足夠慢的接觸速度以獲取準確的觸發(fā)位置, 但是低速驅(qū)動與控制效率存在矛盾。如何實現(xiàn)高 速逼近，低速接觸成為觸發(fā)控制的一項關(guān)鍵技術(shù)。 傳統(tǒng)的伺服馬達無法避免空回的問題，不適用于 高精度驅(qū)動場合，而基于壓電陶瓷和柔性機構(gòu)的 精密定位平臺往往只用于微位移驅(qū)動切。一種 改善途徑是使用伺服馬達加壓電陶

11、瓷的組合結(jié) 構(gòu)，但這種組合結(jié)構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)很 復雜，使安裝調(diào)整成為另一難題，并且系統(tǒng)體積較 大。近年來，很多基于多個壓電陶瓷元件的組合 式驅(qū)動方式被提出并產(chǎn)品化，超聲波馬達就是其 中一種。這種方式通過切換不同的驅(qū)動模式可以 實現(xiàn)不同的驅(qū)動行程和速度，且體積小，安裝簡 便，但是超聲波馬達的速度與驅(qū)動電壓的對應(yīng) 關(guān)系復雜，完全沒有控制模型，需要建立可靠的閉 環(huán)控制系統(tǒng)皿閡。另外,nano-CMM測頭觸發(fā)控響。此外，目前商品化的激光干涉儀均是直接提 供數(shù)字量輸出，因此很難和測頭的模擬信號進行 同步采樣。最近，有人提出高精度、大量程，且有 模擬量輸岀“的信號光柵干涉儀（Linear Diffr

12、action Grating Interferometer, LDGI），其可以 和測頭信號一起通過同一數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行采 集，非常適合作為測頭觸發(fā)控制系統(tǒng)的位移反饋。 因此設(shè)計合理的控制方案對馬達不同驅(qū)動模式進 行整合，對測頭信號和傳感器信號進行同步采樣, 并建立完備的觸發(fā)控制系統(tǒng)，具有重要的研究意 義。本文提出了一種用于nano-CMM接觸式測 頭的觸發(fā)控制策略。該策略基于一種自行研制的 4-DVD接觸式測頭產(chǎn)生高靈敏度觸發(fā)信號，并使 用超聲馬達整合不同的驅(qū)動模式，從而實現(xiàn)了高 速逼近和低速觸發(fā)的結(jié)合，解決了驅(qū)動分辨率和 行程大小的矛盾。2 測頭觸發(fā)原理2.1 nano-CMM接觸式測頭的

13、結(jié)構(gòu)本研究所采用的測頭結(jié)構(gòu)如圖1所示4】。當測頭未接觸工件時，調(diào)整反射鏡面處于DVD 讀取頭焦點位置，當測頭接觸工件時，鋁絲發(fā)生形 變，帶動靶鏡產(chǎn)生上下位移，DVD讀取頭隨之產(chǎn) 生聚焦誤差信號，通過光電耦合器件輸出電壓信 號。文獻1-4也提出了多種類似的彈性元件結(jié) 合高靈敏度傳感器的結(jié)構(gòu)。DVD讀取頭 聚焦靶鏡2.2測頭信號分析研究的測頭采用4只DVD讀取頭結(jié)構(gòu)。在 測頭接觸工件后,4只DVD讀取頭各自輸出聚焦 誤差信號，設(shè)為S2，S$,S令測頭觸發(fā)信號S為：S=|S1| + |S2| + |S3| + |S4| （1）不同于傳統(tǒng)三坐標測量機的階躍式觸發(fā)信 號，該測頭在驅(qū)動分辨率足夠高時候，輸

14、出的S 為一漸變信號，該信號與水平信號的交點所對應(yīng) 的時刻即為觸發(fā)時刻。具體方法是，先確定觸發(fā) 位置的范圍，此范圍以外的兩段分別用最小二乘 擬合，交點即為觸發(fā)位置，如圖2所示。0.260.2550.250.2450.240.235.0.23° 050100150200250Displaccmcnt/nm圖2測頭信號分析Fig. 2 Probe signal analysis2.3位移信號同步采樣本研究采用了一種新型位移傳感器，線性衍 射光柵干涉儀（LDGI）g“°類似于常規(guī)線性編 碼器，LDGI可以輸出正交弦波信號，通過四細分 辨向計數(shù)和相位細分法"切計算出位移，

15、分辨率 達1 nm,15 mm內(nèi)具有10 nm的測量重復性。設(shè) u.和5分別為兩路信號第i個采樣點的值，某段 位移共采得個位移信號值。兩路弦波信號相除 可獲得正切值，則可求得起始點和停止點的相位 00和久：Vo«0也A0«0Uo2勺VOM0Vn辱0冬+匹% 2上VOUnarctanarctanarctanarctan(3)設(shè)四細分辨向計數(shù)結(jié)果為N,每周期信號對 應(yīng)位移d,則位移$為：N+需 4 (4)與常規(guī)光柵編碼器相比，LDGI使用1200l/nm的全息光柵，因此可獲得更高的分辨率和精度，通過與激光干涉儀對比驗證，LDGI在15 mm內(nèi)可獲得小于10 nm的測量重復性。與

16、激光干涉儀相比，由于LDGI使用光柵線距作為位移基 準丄DGI讀數(shù)更加穩(wěn)定。對于高精度測頭觸發(fā) 控制而言，LDGI更為突出的優(yōu)點是可以直接輸 出模擬電壓信號，使用同一個信號采集系統(tǒng)可以 與測頭信號實現(xiàn)同步采樣。因此，即使是在觸發(fā) 完成后確定了測頭存在一定過沖行程，亦可通過 歷史數(shù)據(jù)查詢的方法計算出觸發(fā)時刻的位移。圖 （2）中的信號-位移曲線即是通過測頭信號各點與 響應(yīng)的LDGI位移測量結(jié)果綜合建立的。3二次觸發(fā)策略3.1速度對精度的影響當工件以1 mm/s的速度接觸測頭時，程序 中每個循環(huán)時間為1 ms（測頭信號采樣速度可以 很高，每毫秒一次查詢可以通過求平均的辦法大 大減小隨機噪聲的影響），

17、因此在接觸測頭后，工 件最大可能發(fā)生的最大過沖為1 該過沖可能 導致測頭無法精確回到初始位置。如圖3所示，A/TaUFS -i 芻 H0.7-0.6-0.5 -()4 -0*0.2 r0-°01020304050Displaccmcnt/nmA/-aups102030Displaccmcnt/nm(a)接觸工件前的測頭信號(a)Probe singnals before touching7 6 5 4 3 2 1 O.O.O.O.O.O.O.40(b)接觸工件后的測頭信號(b) Probe singnals after touching圖3高速接觸導致的塑性形變Fig. 3 Perm

18、anent deformation caused by high-speed touching 2606光學精密工程第18卷接觸工件前后的測頭信號無法保持同一水平，說 明測頭沒有回到初始位置。此外，速度過快會導 致測頭信號曲線的細節(jié)缺失，影響計算精度。因 此觸發(fā)速度必須足夠小。然而，當測頭距工件較 遠時，低速逼近將大大降低測量效率。因此，本文 提出了一種高速逼近，低速觸發(fā)的控制策略。3.2超聲波馬達的工作原理本研究采用以色列nanomotion公司的超聲 波馬達HR4。該馬達有3種驅(qū)動模式。AC模式 下，壓電陶瓷元件產(chǎn)生高頻橢圓運動，利用摩擦力 驅(qū)動平臺產(chǎn)生連續(xù)直線運動;GATE模式下，壓 電

19、陶瓷元件的動作頻率由用戶設(shè)定，每步最小可 產(chǎn)生1520 nm位移；DC模式下，HR4類似于普通壓電陶瓷馬達，可實現(xiàn)高分辨率低速驅(qū)動，最小 位移可達1 nm。3.3二次觸發(fā)控制策略使用上述3種驅(qū)動模式整合的邁近控制方 法，可以兼顧控制的準確性和效率。先使用AC模式讓工件運動到距離測頭0. 5 mm范圍內(nèi)，為了確保機械系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合PID控制獲得1 mm/s的勻速 運動。在0.5 mm范圍內(nèi)使用GATE模式，獲 得步距為20 nm, 250 step/s的發(fā)生速率，即5 pm/s的速度，直至第一次觸發(fā)發(fā)生。判斷觸發(fā) 的依據(jù)是，100 nm內(nèi)測頭信號的變化量5大于某 一閾值凡，

20、認為已經(jīng)觸發(fā)，停止運動。此處100 nm的設(shè)定是基于多次實驗，若考察測頭信號變 化率的位移設(shè)定過小，則可能把隨機信號噪聲誤 當作觸發(fā)；若設(shè)定過大，則會引起較大的過沖行 程,可能帶來不可恢復的變形。使用GATE模式驅(qū)動，觸發(fā)控制的分辨率受 限于最小步距，約為1520 nmo為了更精確地 確定觸發(fā)位置，須使用第二次觸發(fā)。即在GATE 模式觸發(fā)之后，控制工件向后退出200 nm,再改 用DC模式驅(qū)動，以10 nm/s的速度向前驅(qū)動200 rnn,記錄測頭觸發(fā)信號。由于DC模式驅(qū)動分辨 率很高，可以通過1. 2節(jié)的方法計算出精確的觸 發(fā)位置，圖2所顯示的觸發(fā)信號即為DC模式低 速驅(qū)動時取得的。上述二次

21、觸發(fā)控制策略，可由圖4中的算法 流程來描述。圖4二次觸發(fā)控制策略算法流程圖Fig. 4 Flow chart of double-trigger method值得一提的是，并非每次觸發(fā)都需經(jīng)歷上述 完整過程，只在第一次接觸工件時，由于工件和測 頭的距離為未知，需要較長時間進行尋找，在此過 程中為避免撞壞測頭，留有較大余量，因此需要較 多時間。4測量實驗與結(jié)果4.1實驗系統(tǒng)架設(shè)驗證觸發(fā)位置計算精度的實驗系統(tǒng)如圖5所 示。測頭觸發(fā)信號和位移傳感器LDGI信號經(jīng)由 預處理電路放大和濾波，并對典型的信號失真進 行修正，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡NI-PCI6259讀入計算 機進行分析處理。圖4所示的高速逼近低速觸

22、發(fā) 以及二次觸發(fā)策略均寫成軟件，實時計算所需控 制電壓的大小和持續(xù)時間，由NI-PCI6259輸出 已定脈寬的控制電壓，通過驅(qū)動器AB2實現(xiàn)對超 聲波馬達HR4的控制。在工作過程中，LDGI產(chǎn) 生的位移信號和測頭信號由同一數(shù)據(jù)采集卡進行 采集，通道間延時可忽略，可視為同步采樣。輸入通道之間的采樣延時為納秒級別，可以 忽略不計，因此可以認為測頭觸發(fā)信號和LDGI 位移信號為同步采樣。對測頭觸發(fā)信號進行分析 可獲得觸發(fā)的時刻，從該時刻截取LDGI波形信 號即可計算出觸發(fā)時刻。第12期程 方，等：納米三坐標測量機接觸式測頭觸發(fā)控制2607第12期程 方，等：納米三坐標測量機接觸式測頭觸發(fā)控制2607

23、測頭觸發(fā)倍弓處理電路平臺HR4處理電路ADAQ數(shù)據(jù)采集 卡 NI-PCI 6259LDG1位移倍號軀動器AB2縱（動電圧2 2 2 2 2第12期程 方，等：納米三坐標測量機接觸式測頭觸發(fā)控制2607第12期程 方，等：納米三坐標測量機接觸式測頭觸發(fā)控制2607(b)實驗2(b) Experiment 2Q)實驗系統(tǒng)示意圖(a) Sketch graph of experimental system第12期程 方，等：納米三坐標測量機接觸式測頭觸發(fā)控制2607(c)實驗3(c) Experiment 3(d)實驗4(d) Experiment 4(b)實物圖(b) Actual photo圖5

24、觸發(fā)控制實驗系統(tǒng)Fig. 5 Experimental system of trigger control4.2實驗數(shù)據(jù)以上述二次觸發(fā)控制策略控制工件并完成5 次對測頭的觸發(fā),5次觸發(fā)的測頭信號如圖6所 示。測頭信號沒有明顯的單向漂移趨勢，說明測 頭系統(tǒng)未發(fā)生不可恢復的形變。分別從不同方向觸發(fā)測頭，數(shù)據(jù)記錄如表1 所示。可見,GATE模式驅(qū)動的觸發(fā)位置計算結(jié) 果存在顯著的分散性，在使用二次觸發(fā)以后，5次 觸發(fā)位置的標準差在10 nm以內(nèi)。第12期程 方，等：納米三坐標測量機接觸式測頭觸發(fā)控制2607AAEU.2PS 舊 KI(a)實驗1(a) Experiment 1(e)實驗5(e) Exp

25、eriment 5圖65次實驗的測頭觸發(fā)信號Fig. 6 Trigger signals of 5 experiments第12期程 方，等：納米三坐標測量機接觸式測頭觸發(fā)控制2609表1不同方向觸發(fā)實驗數(shù)據(jù)Tab. 1 Experimental data of different touching directions觸發(fā)方向觸發(fā)位置/mm標準差/nmGATE模式 驅(qū)動二次觸發(fā)GATE模式二次觸發(fā)1. 200 7231. 200 7431. 200 7981. 200 7520°1. 200 6881. 200 7294981.200 6721. 200 7391.200 7371

26、. 200 7401.675 3471.675 2351.675 2111.675 22145°1. 675 3021. 675 2405881.675 2921.675 2391.675 3581.675 2271.527 6651.527 6771.527 5621.527 67390°1.527 7111.527 6646571.527 7281.527 6751.527 6621.527 6605 結(jié)論本文為高靈敏度nano-CMM接觸式探頭提 出了一種高效觸發(fā)控制策略。該策略整合了 3種 不同速度和分辨率的驅(qū)動方式，兼顧了控制效率 和計算精度。在20 mm范圍內(nèi)，

27、可在小于2 min 的時間內(nèi)完成一次觸發(fā)控制，觸發(fā)位置計算精度 可達10 nmo使用測頭信號和位移信號的同步采 樣技術(shù)，無須任何補償，可準確地獲得觸發(fā)時刻的 位移。該控制算法的開發(fā)基于一種常用的納米三 坐標測量機接觸式測頭的結(jié)構(gòu)，因此具有一定的 通用性。本文提出的觸發(fā)控制方秦可以可靠地求 得觸發(fā)位置，結(jié)合測頭形狀和預行程的補償，可以 求得定位位置。第12期程 方，等：納米三坐標測量機接觸式測頭觸發(fā)控制2609第12期程 方，等：納米三坐標測量機接觸式測頭觸發(fā)控制2609參考文獻：1石照煖，韋志會.精密測頭的演變與發(fā)展趨勢J 工具技術(shù)，2007, 41(2) ：3-8.SHI Z Y, WEI

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