Управление бесконтактным профилометром при сканировании поверхностей сложного профиля

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.

1. Двойнишников 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.

2. 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.

3. Chen C. Introduction to Scanning Tunneling Microscopy. Oxford University Press, 2021. 528 p.

4. Voigtländer B. Scanning Probe Microscopy (Atomic Force Microscopy and Scanning Tunneling Microscopy). Springer, 2015. 382 p.

5. 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.

6. Оптический профилометр на базе микроинтерферометра МИИ-4М [Электронный ресурс]. Новосибирск: ЗАО "Дифракция". URL: http://www.diffraction.ru/products-ru/mii-4.

7. 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.

8. Jin L., Li L. Optical driven electromechanical transistor based on tunneling effect // Optics Letters. Vol. 40, Iss. 8. 2015. P. 1798—1805.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.