CN110262309A - 一种适用于微纳双模检测加工模块的控制系统及方法 - Google Patents

一种适用于微纳双模检测加工模块的控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于微纳检测加工模块的控制系统及方法，所述系统包括微纳双模检测加工模块、三坐标工作台、PZT驱动器、UMAC、电荷放大器、锁相放大器、XY压电扫描台、路由器、上位机、CCD、XY向位移传感器和Z向位移传感器。本发明选用UMAC作为控制核心，利用其高性能伺服环、可扩展性强、集成度高特点，实现宏‑微联动控制，采用模拟信号方式，保证信号处理、传输的实时性，满足设计需求。本发明通过对电容式位移传感器信号放大、锁相处理，作为闭环控制参考信号，该方式测试结果精确、对测试环境要求较低，可以实现μN级闭环控制。锁相放大器的使用排除了电容式位移传感器测试结果中的噪声信号，利于闭环精确控制。

Description

一种适用于微纳双模检测加工模块的控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种适用于微纳双模检测加工模块的控制系统及方法。
背景技术
生物技术及纳米科技的发展，对微纳领域的检测、加工提出了更高的要求，商业化AFM系统凭借高分辨率、非破坏性、高稳定性特点，广泛应用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、缺陷分析，已发展成为微观检测加工的通用手段。但是AFM本身具有造价高、扫描尺寸小缺点，发展一种适用于大尺度工件检测加工系统成为目前研究热点。
AFM系统的力闭环控制原理、扫描模式十分成熟，被广泛应用于各微纳检测与加工系统研究中。
发明内容
本发明借鉴AFM系统的力闭环控制原理，提出了一种适用于微纳双模检测加工模块的控制系统及方法。本发明除具有AFM优势外，还有成本低、模块化、工作范围广优点，适用于非平面加工检测、微结构加工检测、变切深加工。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种适用于微纳检测加工模块的控制系统，包括微纳双模检测加工模块、三坐标工作台、PZT驱动器、UMAC、电荷放大器、锁相放大器、XY压电扫描台、路由器、上位机、CCD、XY向位移传感器、和Z向位移传感器，其中：
所述微纳双模检测加工模块包括Z向压电位移台、支架、电容式位移传感器、电容固定座、调节座、锁紧支座、上固定环、PZT激振器、下固定环、测试螺钉、柔性铰链、挡环、固定螺母和探针；
所述电容式位移传感器固定在电容固定座；
所述电容固定座固定在调节座上方；
所述上固定环、PZT激振器、下固定环、测试螺钉、柔性铰链、挡环、固定螺母和探针依次固定在调节座下方；
所述探针通过固定螺母和测试螺钉固定在柔性铰链上；
所述调节座固定在锁紧支座上；
所述锁紧支座固定在支架上；
所述支架固定在Z向压电位移台上
所述PZT驱动器包括激振PZT驱动器、XY向PZT驱动器和Z向PZT驱动器；
所述UMAC分别与三坐标工作台、XY向PZT驱动器、Z向PZT驱动器、激振PZT驱动器、锁相放大器、Z向位移传感器、XY向位移传感器相连；
所述XY向PZT驱动器与XY压电扫描台相连；
所述XY压电扫描台上设置有XY向位移传感器；
所述Z向PZT驱动器与Z向压电位移台相连；
所述Z向压电位移台上设置有Z向位移传感器；
所述激振PZT驱动器与PZT激振器相连；
所述电荷放大器分别与锁相放大器和电容式位移传感器相连；
所述路由器分别与UMAC和上位机连接；
所述上位机和CCD相连。
一种利用上述控制系统进行微纳静态加工的方法，包括如下步骤：
步骤一、快速进刀：
设置阈值载荷F、加工范围Dx、Dy，加工步进值dx、dy、dz，法向等效刚度K、加工域离散采样点个数n；
电容式位移传感器获得实时法向接触载荷F(t)，Z向压电位移台控制模块向下位移，柔性铰链变形量增加，F(t)增大，直到和阈值F相等，完成进刀；
步骤二、静态加工：
整个过程中保持F(t)与设置阈值F相等，对于水平面i点，阈值为F(i)，当F(t)＞F(i)时，Z向压电位移台控制模块向上位移，当F(t)＜F(i)时，Z向压电位移台控制模块向下位移，两种方式下均为达到F(t)＝F(i)时停止，代表i点加工完毕，此时比较阈值F(i)与加工下一点处阈值F(i+1)，若F(i+1)≥F(i)，保持该处Z向位置不变，X、Y方向依照设置步进值dx、dy运动到i+1点；若F(i+1)＜F(i)，首先XY位置不变下控制Z向压电位移台向上移动[F(i)-F(i+1)]/K距离，然后再按照设定值运动到点i+1加工过程同i点，当i＝n，代表加工完毕。
一种利用上述控制系统进行微纳动态形貌检测的方法，包括如下步骤：
步骤一、快速进刀：
设置阈值振幅A、阈值载荷F、扫描范围范围Dx、Dy，扫描步进值dx、dy、dz，加工域离散采样点个数n；
电容式位移传感器获得实时法向接触载荷F(t)，Z向压电位移台控制模块向下位移，柔性铰链变形量增加，F(t)增大，直到和阈值F相等，完成进刀；
步骤二、动态形貌检测：
电容式位移传感器检测激振柔性铰链实时振幅A(t)，动态模式保证A(t)＝A，该状态下的Z向压电位移台信号表征工件高度信号，XY压电位移台信号表征工件水平位置信号；
对于i点，当A(t)＜A时，表示探针与工件接触，振动模式被干扰，Z向压电位移台控制模块向上位移；当A(t)＝A时，代表探针与工件临界接触或者未接触，此时Z向压电位移台控制模块向下位移，采用试触方式直到A(t)＜A，再按照第一种情况运动，两种方式下均为达到A(t)＝A时停止，代表i点检测完毕，X、Y方向依照设置步进值dx、dy运动到i+1点执行下一点扫描，当i＝n时，扫描结束。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、选用UMAC作为控制核心，利用其高性能伺服环、可扩展性强、集成度高特点，实现宏-微联动控制，采用模拟信号方式，保证信号处理、传输的实时性，满足设计需求。
2、通过对电容式位移传感器信号放大、锁相处理，作为闭环控制参考信号，该方式测试结果精确、对测试环境要求较低，可以实现μN级闭环控制。
3、锁相放大器的使用排除了电容式位移传感器测试结果中的噪声信号，利于闭环精确控制。
附图说明
图1为微纳双模检测加工模块控制系统原理图；
图2为微纳双模检测加工模块装置原理图；
图3为微纳双模检测加工模块部分装配爆炸图；
图4为微纳双模检测加工模块Z轴闭环原理图；
图5为加工深度分布获取原理图；
图6为阈值分布获取原理图；
图7为系统快速进刀程序流程图；
图8为系统控制静态模式下程序流程图；
图9为系统控制动态模式下程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种适用于微纳检测加工模块的控制系统，如图1和2所述，所述系统包括微纳双模检测加工模块1、三坐标工作台2、PZT驱动器、UMAC3、电荷放大器4、锁相放大器5、XY压电扫描台6、路由器7、上位机8、CCD9、XY向位移传感器10和Z向位移传感器11，其中：
所述微纳双模检测加工模块1包括Z向压电位移台1-1、支架1-2、电容式位移传感器1-3、电容固定座1-4、调节座1-5、锁紧支座1-6、上固定环1-7、PZT激振器1-8、下固定环1-9、测试螺钉1-10、柔性铰链1-11、挡环1-12、固定螺母1-13和探针1-14；
所述电容式位移传感器1-3通过第二紧定螺钉1-17(图3)固定于电容固定座1-4上，用于检测测试螺钉1-10的位移变化；
所述电容固定座1-4通过第一紧定螺钉1-16(图3)调整间距，通过固定螺钉1-15(图3)固定在调节座1-5的上方；
所述上固定环1-7、PZT激振器1-8、下固定环1-9、测试螺钉1-10、柔性铰链1-11、挡环1-12、固定螺母1-13和探针1-14依次固定在调节座1-5的下方；
所述探针1-14通过固定螺母1-13和测试螺钉1-10固定在柔性铰链1-11上；
所述探针1-14采用Vickers正四棱锥体金刚石针尖，纳米级的刀尖圆弧半径使得检测加工性能更加优越；
所述调节座1-5通过第三紧定螺钉1-18(图3)固定在锁紧支座1-6上，可以旋转调向；
所述锁紧支座1-6固定在支架1-2上，支架1-2固定在Z向压电位移台1-1上，再将Z向压电位移台1-1固定于三坐标工作台2上，便可构建微纳检测加工机床；
所述PZT驱动器包括激振PZT驱动器12、XY向PZT驱动器13和Z向PZT驱动器14；
所述UMAC3分别与三坐标工作台2、XY向PZT驱动器13、Z向PZT驱动器14、激振PZT驱动器12、锁相放大器5、XY向位移传感器10、Z向位移传感器11相连；
所述XY向PZT驱动器13与XY压电扫描台6相连；
所述XY压电扫描台6上设置有XY向位移传感器10；
所述Z向PZT驱动器14与Z向压电位移台1-1相连；
所述Z向压电位移台1-1上设置有Z向位移传感器11；
所述激振PZT驱动器12与PZT激振器1-8相连；
所述电荷放大器4分别与锁相放大器5和电容式位移传感器1-3相连；
所述路由器7分别与UMAC3和上位机8通过网线连接；
所述上位机8和CCD9相连。
本发明中，所述柔性铰链1-11采用十字交叉柔性铰链或环形内单臂柔性铰链。
本发明中，所述探针1-14采用Vickers正四棱锥体金刚石针尖，纳米级的刀尖圆弧半径使得检测加工性能更加优越。
本发明中，在调节电容式位移传感器1-3与测试螺钉1-10间距时，首先卸掉图3所示固定螺钉1-15，然后调节第一紧定螺钉1-16，利用图3所示电容固定座1-4的导向肋与调节座1-5的导向槽间隙配合来保证电容式位移传感器1-3始终处于竖直状态，调节完毕后，通过固定螺钉1-15适度预紧，保持该工作状态。而且电容式位移传感器1-3连同锁紧支座1-6作为一个测试模块，通过第三紧定螺钉1-18可以灵活卸装，换用其他检测模块，例如光学距离传感器，也可以在第三紧定螺钉1-18非锁紧状态下调整旋向，以达到最佳使用效果。
下面结合图4-6详细介绍本发明控制系统的工作方式。
(a)快速进刀
快速进刀原理采用“宏-微”逼近方式，UMAC控制三坐标工作台运动实现探针快速逼近工件，通过CCD实时监测探针运动情况，当逼近到一定程度时改用微纳双模检测加工模块逼近工件，当探针与工件接触时，电容式位移传感器检测到距离变化，输出的电信号经过放大、锁相后作为闭环控制的反馈信号，当达到阈值时实现整个快刀逼近过程。
(b)微纳检测
微纳检测的核心设计便是Z轴闭环与激振器的协调工作，原理参照图4，可编程信号源输出信号驱动激振PZT开环振动，带动柔性铰链及其探针处于谐振或运动状态，同时空载条件下获得探针运动信号，通过可编程信号源提供阈值信号作为参考，由于工件围观形貌变化，柔性铰链及其探针运动状态改变，测试信号与阈值发生偏移，信号进过放大锁相处理后，与阈值信号比较，PID控制Z向压电位移台移动以保证恢复阈值，输出Z向位移信号给UMAC，作为工件Z向高度信号，之后控制XY压电扫描台运动，输出XY向位移信号作为工件水平位置信号，该方式利用探针在振动模式下的低刚度优势来达到无损检测目的。
(c)微纳加工
区别于其他静态力伺服控制方案，该方案创新在于：
1、无需更改机构或更换探针，可实现由微纳检测模式直接切换到微纳加工模式。
当使用加工模式时，取消对激振器信号输入，实现探针静态运动，法向切削力等于电容式位移传感器检测到距离变化值乘以柔性铰链等效法向刚度，切入深度等于Z向位移传感器与电容式位移传感器测试差值。通过可编程信号源更改阈值大小，可实现不同切削力加工。
2、离散化阈值设置，便于均一加工、变切深加工。
均一加工适用于阈值恒定控制，阈值的恒定代表了加工深度值恒定，因此可以在平面、斜面、曲面上加工等深槽，无需工件安装微调平。
离散化阈值功能应用于变切深在位加工，在精密微小零件表面加工微纳米尺度结构时，不仅仅局限于等深沟槽，当需要加工微观复杂三维曲面结构时，首先采用微纳检测模式获取工件形貌，通过软件仿真获得理想加工后形貌，如图5(a)所示，仿真形貌与对应实际检测形貌的高度差图便是工件在XY平面内的Z向加工深度分布图，如图5(b)所示，不同的加工深度对应不同的阈值设置，按照图6(a)“加工深度-阈值关系曲线”可获得工件整个Z向加工阈值关于XY方向的分布图，如图6(b)所示，但是实际工作中微纳检测模式在XY方向移动时非连续，每个位置点的反馈调节都需要一定时间，因此获得的检测形貌是多个XY采样点Z向高度值的离散曲面，因此获得的阈值分布图也是离散式的。以工作过程中A点位置为例，形貌中获得A点的Z向高度，结合仿真软件该位置点的加工后高度，两者相减便是A点处的加工深度D,对应加工深度D-阈值V关系曲线，获得A点处加工阈值，以此类推，可获得每个离散点处阈值。
本发明控制系统在静态及动态模式下的程序实现流程如图7-9示，具体步骤如下：
一、静态模式适用于快速进刀以及加工模式，通过电容式位移传感器检测探针法向变形，结合法向等效刚度，便可获取加工过程实时法向接触载荷F(t),该模式下需要先设置阈值载荷F，加工范围Dx、Dy，加工步进值dx、dy、dz，法向等效刚度K,然后自动获得加工域离散采样点个数n。快速进刀过程中，Z向压电位移台控制模块向下位移，柔性铰链变形量增加，F(t)增大，直到和阈值F相等，完成进刀。加工过程同样基于柔性铰链变形力检测原理，整个过程中保持F(t)与设置阈值F相等，对于水平面i点，阈值为F(i)，当F(t)＞F(i)时，Z向压电位移台控制模块向上位移，当F(t)＜F(i)时，Z向压电位移台控制模块向下位移，两种方式下均为达到F(t)＝F(i)时停止，代表i点加工完毕，此时比较阈值F(i)与加工下一点处阈值F(i+1)，若F(i+1)≥F(i)，保持该处Z向位置不变，X、Y方向依照设置步进值dx、dy运动到i+1点，加工过程类似于i点；若F(i+1)＜F(i)，首先XY位置不变下控制Z向压电位移台向上移动[F(i)-F(i+1)]/K距离，然后再按照设定值运动到点i+1加工过程同i点，当i＝n，代表加工完毕。
二、动态模式适用于形貌检测模式，相比较与静态模式，接触力更小，但是由于锁相环以及PID的使用，反馈速率相比而言较慢，因此扫描速率低，所以该模式下的快速进刀采用静态模式。同样，使用该模式需要预先设定参数，包括阈值振幅A、扫描范围范围Dx、Dy，扫描步进值dx、dy、dz，不同的是阈值振幅A的设置需要在空载激振条件下通过电容式位移传感器测得。该模式下电容式位移传感器检测激振柔性铰链实时振幅A(t),动态模式保证A(t)＝A，该状态下的Z向压电位移台信号表征工件高度信号，XY压电位移台信号表征工件水平位置信号。对于i点，当A(t)＜A时，表示探针与工件接触，振动模式被干扰，Z向压电位移台控制模块向上位移；当A(t)＝A时，代表探针与工件临界接触或者未接触，此时Z向压电位移台控制模块向下位移，采用试触方式直到A(t)＜A,再按照第一种情况运动，两种方式下均为达到A(t)＝A时停止，代表i点检测完毕，X、Y方向依照设置步进值dx、dy运动到i+1点执行下一点扫描，当i＝n时，扫描结束。

Claims (6)

1.一种适用于微纳检测加工模块的控制系统，其特征在于所述系统包括微纳双模检测加工模块、三坐标工作台、PZT驱动器、UMAC、电荷放大器、锁相放大器、XY压电扫描台、路由器、上位机、CCD、XY向位移传感器和Z向位移传感器，其中：
所述微纳双模检测加工模块包括Z向压电位移台、支架、电容式位移传感器、电容固定座、调节座、锁紧支座、上固定环、PZT激振器、下固定环、测试螺钉、柔性铰链、挡环、固定螺母和探针；
所述电容式位移传感器固定在电容固定座；
所述电容固定座固定在调节座上方；
所述上固定环、PZT激振器、下固定环、测试螺钉、柔性铰链、挡环、固定螺母和探针依次固定在调节座下方；
所述探针通过固定螺母和测试螺钉固定在柔性铰链上；
所述调节座固定在锁紧支座上；
所述锁紧支座固定在支架上；
所述支架固定在Z向压电位移台上
所述PZT驱动器包括激振PZT驱动器、XY向PZT驱动器和Z向PZT驱动器；
所述UMAC分别与三坐标工作台、XY向PZT驱动器、Z向PZT驱动器、激振PZT驱动器、锁相放大器、Z向位移传感器、XY向位移传感器相连；
所述XY向PZT驱动器与XY压电扫描台相连；
所述XY压电扫描台上设置有XY向位移传感器；
所述Z向PZT驱动器与Z向压电位移台相连；
所述Z向压电位移台上设置有Z向位移传感器；
所述激振PZT驱动器与PZT激振器相连；
所述电荷放大器分别与锁相放大器和电容式位移传感器相连；
所述路由器分别与UMAC和上位机连接；
所述上位机和CCD相连。
2.根据权利要求1所述的适用于微纳检测加工模块的控制系统，其特征在于所述探针采用Vickers正四棱锥体金刚石针尖。
3.根据权利要求1所述的适用于微纳检测加工模块的控制系统，其特征在于所述柔性铰链为十字交叉柔性铰链或环形内单臂柔性铰链。
4.一种利用权利要求1-3任一权利要求所述控制系统进行微纳静态加工的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、快速进刀：
设置阈值载荷F、加工范围Dx、Dy，加工步进值dx、dy、dz，法向等效刚度K、加工域离散采样点个数n；
电容式位移传感器获得实时法向接触载荷F(t)，Z向压电位移台控制模块向下位移，柔性铰链变形量增加，F(t)增大，直到和阈值F相等，完成进刀；
步骤二、静态加工：
整个过程中保持F(t)与设置阈值F相等，对于水平面i点，阈值为F(i)，当F(t)＞F(i)时，Z向压电位移台控制模块向上位移，当F(t)＜F(i)时，Z向压电位移台控制模块向下位移，两种方式下均为达到F(t)＝F(i)时停止，代表i点加工完毕，此时比较阈值F(i)与加工下一点处阈值F(i+1)，若F(i+1)≥F(i)，保持该处Z向位置不变，X、Y方向依照设置步进值dx、dy运动到i+1点；若F(i+1)＜F(i)，首先XY位置不变下控制Z向压电位移台向上移动[F(i)-F(i+1)]/K距离，然后再按照设定值运动到点i+1加工过程同i点，当i＝n，代表加工完毕。
5.一种利用权利要求1-3任一权利要求所述控制系统进行微纳动态形貌检测的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、快速进刀：
设置阈值振幅A、阈值载荷F、扫描范围范围Dx、Dy，扫描步进值dx、dy、dz，加工域离散采样点个数n；
电容式位移传感器获得实时法向接触载荷F(t)，Z向压电位移台控制模块向下位移，柔性铰链变形量增加，F(t)增大，直到和阈值F相等，完成进刀；
步骤二、动态形貌检测：
电容式位移传感器检测激振柔性铰链实时振幅A(t)，动态模式保证A(t)＝A，该状态下的Z向压电位移台信号表征工件高度信号，XY压电位移台信号表征工件水平位置信号；
对于i点，当A(t)＜A时，表示探针与工件接触，振动模式被干扰，Z向压电位移台控制模块向上位移；当A(t)＝A时，代表探针与工件临界接触或者未接触，此时Z向压电位移台控制模块向下位移，采用试触方式直到A(t)＜A，再按照第一种情况运动，两种方式下均为达到A(t)＝A时停止，代表i点检测完毕，X、Y方向依照设置步进值dx、dy运动到i+1点执行下一点扫描，当i＝n时，扫描结束。
6.根据权利要求5所述的微纳动态形貌检测的方法，其特征在于所述阈值振幅A的设置在空载激振条件下通过电容式位移传感器测得。
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