novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.23.529-535novtexmech-1256Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSУправление бесконтактным профилометром при сканировании поверхностей сложного профиляControl of Contactless Profilometer for Scanning Surfaces of Complex ProfileБусуринВ. И.BusurinV. I.

д-р техн. наук, проф.

vbusurin@mai.ruЧжэЛюZheLiu

аспирант

lzg599312@hotmail.comКудрявцевП. С.KudryavtsevP. S.

канд. техн. наук, доц.

Kudryavtsev P. S., PhD, Associate Professor

Moscow, 125993

mpso121@mail.ruМосковский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian Federation2022091020222310529535Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20222022Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1256

Рассматривается задача исследования профиля поверхности протяженной прецизионной детали сложной формы бесконтактным сканирующим профилометром с заданной точностью. Контакт измерительного блока с контролируемой поверхностью необходимо исключить из-за возможности повреждения изделия и, одновременно, обеспечить необходимую точность оценки его профиля. Для решения данной задачи в работе используется двухконтурная система, содержащая два датчика: преобразователь расстояния на основе оптического туннелирования для "точного" канала и преобразователь на основе хроматической аберрации для "грубого" канала сканирования. Показано, что на основе данных измерений "грубого" канала, обеспечивающего гарантируемое исключение контакта датчика "грубого" канала с поверхностью исследуемого изделия, можно прогнозировать положение и скорость перемещения датчика "точного" канала в целях исключения контакта с исследуемой поверхностью и обеспечения необходимой точности измерений. Разработана математическая модель динамической системы сканирования на основе априорной информации о входящих в нее элементах и блоках. Проведен анализ основных динамических свойств системы сканирования и построен закон ее управления, обеспечивающий требуемое качество переходных процессов на основе математического моделирования. Разработан алгоритм прогноза последующего положения датчика "точного" канала на основе данных измерений "грубого" канала, который обеспечивает требуемую скорость и точность сканирования в зависимости от прогнозируемой высоты профиля поверхности объекта. Разработана блок-схема алгоритма, определяющего значение перемещения датчика "точного" канала в вертикальном направлении в зависимости от полученной оценкиизмерений "грубого" канала. Проведенные исследования позволили разработать структурную схему двухконтурной измерительной системы. Было проведено моделирование данной системы в среде MATLAB/Simulink, которое позволило оценить эффективность ее функционирования для различных исследуемых профилей. Результаты моделирования показали эффективность предлагаемой схемы системы управления профилометра.

The research problem of a surface’s profile with an extended precision detail of irregular shape with a given accuracy is considered by the contactless scanning profilometer. The contact of the measuring block with a controlled surface needs to be excluded because of a possibility of damage of a product and, at the same time, to provide the necessary accuracy of assessment of its profile. For the solution of this task in work the double-circuit system containing two sensors is used: the distance converter on the basis of optical tunneling for the “exact” channel and the converter on the basis of a chromatic aberration for “rough” channel of scanning. It is shown that based on these measurements of the “rough” channel providing the guaranteed exception of contact of “rough” channel’s contact with a surface of the studied product. It is possible to predict situation and traverse speed of the sensor of the “exact” channel for the purpose of an exception of contact with the studied surface and ensuring necessary accuracy of measurements. The mathematical model of a dynamic system of scanning based on a prior information about entering it elements and blocks is developed. The analysis of the main dynamic properties of a system of scanning is carried out and the law of its management providing the required quality of transition processes based on mathematical modeling is constructed. The algorithm of the forecast of the subsequent position of the sensor of the “exact” channel based on these measurements of “rough” channel, which provides the required speed and accuracy of scanning depending on the predicted object’s surface profile height is developed. The flowchart of the algorithm determining the value of movement of the sensor of the “exact” channel in the vertical direction depending on the received assessment of measurements of “rough” channel is developed. The conducted researches allowed developing the block diagram of a double-circuit measuring system. Modeling of this system in the environment of MATLAB/SIMULINK, which allowed evaluating efficiency of its functioning for the different studied profiles was carried out. Results of modeling showed efficiency of the offered scheme of a profilometer’s control system.

метод оптического туннельного эффектаметод оценки положения чувствительного элементафункция преобразования положения и скорости перемещенияпрецизионный профилометрбесконтактное сканирование поверхностиOptical tunnel effect methodsensor position scanning systemthe conversion functionprecision profilometernon-contact surface scanningReferencesДвойнишников С. В., Аникин Ю. А., Кабардин И. К., Куликов Д. В., Меледин В. Г. Оптоэлектронный метод бесконтактного измерения профиля поверхности трехмерных крупногабаритных объектов сложной формы // Измерительная техника. 2016. № 1. С. 13—17.Dvoynishnikov S. V., Anikin Yu. A., Kabardin I. K., Kulikov D. V., Meledin V. G. Optoelectronic method of contactless measurement of a profile of a surface of three-dimensional large-size objects of irregular shape, Measuring equipment, 2016, no. 1, pp. 13—17.Böckmann H., Liu S., Müller M., Hammud A., Wolf M., Kumagai T. Near-Field Manipulation in a Scanning Tunneling Microscope Junction with Plasmonic Fabry-P@rot Tips // Nano Lett. 2019. Vol. 19, N. 6.Böckmann H., Liu S., Müller, M., Hammud A., Wolf M., Kumagai T. Near-Field Manipulation in a Scanning Tunneling Microscope Junction with Plasmonic Fabry-Pérot Tips., Nano Lett., 2019, vol 19, no.6.Chen C. Introduction to Scanning Tunneling Microscopy. Oxford University Press, 2021. 528 p.Chen C. Introduction to Scanning Tunneling Microscopy, Oxford University Press, 2021, 528 p.Voigtländer B. Scanning Probe Microscopy (Atomic Force Microscopy and Scanning Tunneling Microscopy). Springer, 2015. 382 p.Voigtländer B. Scanning Probe Microscopy (Atomic Force Microscopy and Scanning Tunneling Microscopy), Springer, 2015, 382 p.Xuan Z., Wu R., Tuan C., Chao D., Huixia G., Huanhuan L. Design of High-speed and High-precision Scanning Galvanometer Control System Based on FPGA + DSP Architecture // IEEE Sustainable Power and Energy Conference (iSPEC). 2021. P. 3455—3459. DOI: 10.1109/iSPEC53008.2021.9735706.Xuan Z., Wu R., Tuan C., Chao D., Huixia G., Huanhuan L. Design of High-speed and High-precision Scanning Galvanometer Control System Based on FPGA + DSP Architecture, IEEE Sustainable Power and Energy Conference (iSPEC), 2021, pp. 3455—3459, DOI: 10.1109/iSPEC53008.2021.9735706.Оптический профилометр на базе микроинтерферометра МИИ-4М [Электронный ресурс]. Новосибирск: ЗАО "Дифракция". URL: http://www.diffraction.ru/products-ru/mii-4.Optical profilometer based on microinterferometer MII-4M [Electronic resource], CJSC Difraktion, Novosibirsk, available at: http://www.diffraction.ru/products-ru/mii-4.Palomer A., Ridao P., Forest J., Ribas D. Underwater laser scanner: ray-based model and calibration // IEEE/ASME Trans. Mechatron. 2019. Vol. 24, N. 5. P. 1986—97.Palomer A., Ridao P., Forest J., Ribas D. Underwater laser scanner: ray-based model and calibration, IEEE/ASME Trans. Mechatron., vol. 24, no. 5, 2019, pp. 1986—97.Jin L., Li L. Optical driven electromechanical transistor based on tunneling effect // Optics Letters. Vol. 40, Iss. 8. 2015. P. 1798—1805.Jin L., Li L. Optical driven electromechanical transistor based on tunneling effect, Optics Letters, 2015, vol. 40, iss. 8, рр. 1798—1805.An Y., Li B., Hu H., Zhou X. Building an omnidirectional 3-D color laser ranging system through a novel calibration method // IEEE Trans Ind Electron. Vol. 66, N. 11. 2019. P. 8821—8831.An Y., Li B., Hu H., Zhou X. Building an omnidirectional 3-D color laser ranging system through a novel calibration method, IEEE Trans Ind Electron, vol. 66, no. 11, 2019, pp. 8821—8831.Zheng Q., Chen L., Han Z. A non-contact swing-arm profilometer with the spectrally-resolved-interferometry distance sensor // Engineering Research Express. 2020. Vol. 2, N. 1.Zheng Q., Chen L., Han Z. A non-contact swing-arm profilometer with the spectrally-resolved-interferometry distance sensor, Engineering Research Express, 2020, vol. 2, no. 1.Guo L., Wang H., Wang C., Lin Z. Optical Path Scanning Control System Based on Repetitive Control and PI Control // Eighth International Conference on Instrumentation & Measurement, Computer, Communication and Control (IMCCC). 2018. P. 1071—1074. DOI: 10.1109/IMCCC.2018.00223.Guo L., Wang H., Wang C., Lin Z. Optical Path Scanning Control System Based on Repetitive Control and PI Control, Eighth International Conference on Instrumentation & Measurement, Computer, Communication and Control (IMCCC), 2018, pp. 1071—1074, DOI: 10.1109/IMCCC.2018.00223.Lei P., Zheng L. An automated in-situ alignment approach for finish machining assembly interfaces of large-scale components // Robot Comput Integr Manuf, 2017. Vol. 46. P. 130—43.Lei P., Zheng L. An automated in-situ alignment approach for finish machining assembly interfaces of large-scale components, Robot Comput Integr Manuf., 2017, vol. 46, pp. 130—43.Li Y., Xu Q. Design and Robust Repetitive Control of a New Parallel-Kinematic XY Piezostage for Micro/Nanomanipulation // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. Vol. 17, N. 6, 2012. P. 1120—1132. DOI: 10.1109/TMECH.2011.2160074.Li Y., Xu Q. Design and Robust Repetitive Control of a New Parallel-Kinematic XY Piezostage for Micro/Nanomanipulation, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2012, vol. 17, no. 6, pp. 1120—1132, DOI: 10.1109/TMECH.2011.2160074.Бусурин В. И., Лю Чжэ, Кудрявцев П. С., Шлеенкин Л. А. Исследование двухконтурной системы управления положением оптического преобразователя прецизионного бесконтактного сканирующего профилометра // Датчики и системы. 2020. № 9—10. С. 25—32.Busurin V. I., Zhe L., Kudryavtsev P. S., Shleenkin L. A. A research of double-circuit control system’s position of optical converter precision contactless scanning profilometers, Sensors and systems, 2020, no. 9—10, pp. 25—32.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.