纳米三坐标测量机接触式测头触发控制

　　1　引　言

　　随着纳米三维测量技术的发展,人们相继开发了多种高精度接触式测头[1-4]。相对于传统测头,新式接触式测头表现出更高的灵敏度,同时也对控制策略提出更高要求。纳米三维坐标机(nano Coordinate Measurement Machine,nano-CMM)的测头是坐标测量系统的重要部件,为nano-CMM测头建立完备的触发控制系统至少需要3个必要条件:大行程高分辨率驱动,大量程高精度的位移测量,以及可靠的控制策略。目前,应用于nano-CMM的接触式测头多采用各种高灵敏度的传感器作为测头系统的敏感元件,文献[2-4]分别采用DVD读取头和压阻式应变片作为测头系统的敏感元件,并结合一定的弹性机构实现高灵敏触发。这些敏感元件往往只在很小的响应范围内输出灵敏度很高的信号,因此这种设计需要足够慢的接触速度以获取准确的触发位置,但是低速驱动与控制效率存在矛盾。如何实现高速逼近,低速接触成为触发控制的一项关键技术。传统的伺服马达无法避免空回的问题,不适用于高精度驱动场合,而基于压电陶瓷和柔性机构的精密定位平台往往只用于微位移驱动[6-7]。一种改善途径是使用伺服马达加压电陶瓷的组合结构[8],但这种组合结构的机械结构和驱动系统很复杂,使安装调整成为另一难题,并且系统体积较大。近年来,很多基于多个压电陶瓷元件的组合式驱动方式被提出并产品化,超声波马达就是其中一种。这种方式通过切换不同的驱动模式可以实现不同的驱动行程和速度,且体积小,安装简便[9],但是超声波马达的速度与驱动电压的对应关系复杂,完全没有控制模型,需要建立可靠的闭环控制系统[10-12]。另外,nano-CMM测头触发控制还需要一高精度位移反馈系统。激光干涉仪以其大量程高精度被广泛应用于高精度位移测量,但是其读数往往易受温度和气流等环境因素的影响。此外,目前商品化的激光干涉仪均是直接提供数字量输出,因此很难和测头的模拟信号进行同步采样。最近,有人提出高精度、大量程,且有模拟量输出[13-14]的信号光栅干涉仪(Linear Dif-fraction Grating Interferometer,LDGI),其可以和测头信号一起通过同一数据采集设备进行采集,非常适合作为测头触发控制系统的位移反馈。因此设计合理的控制方案对马达不同驱动模式进行整合,对测头信号和传感器信号进行同步采样,并建立完备的触发控制系统,具有重要的研究意义。

　　本文提出了一种用于nano-CMM接触式测头的触发控制策略。该策略基于一种自行研制的4-DVD接触式测头产生高灵敏度触发信号,并使用超声马达整合不同的驱动模式,从而实现了高速逼近和低速触发的结合,解决了驱动分辨率和行程大小的矛盾。