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三维扫描微动平台设计与研制 摘要 随着科技的进步，通信工程、精密工程等领域的快速发展，高 精度、高分辨率、高可靠性的精密定位系统的研究越来越受到重视， 发展也越来越快。国外对这一技术领域研究较早，成果显著，而我 国相对起步较晚，技术相对落后。本文搜集了大量相关资料，对国 内外的高精度运动平台的原理及特点进行了总结和分析。设计并研 制了一套用于三维轮廓扫描仪的高精度三维扫描微动平台，详细介 绍了平台硬件部分的方案设计与搭建过程。分析了三维轮廓扫描仪 的功能需求，设计并编写了三维扫描微动平台的控制软件，软件中 的核心功能是在平移台运动过程中以光学传感器逐行采集的数据 分析得到被测物体表面的三维形貌。在编写控制软件的过程中，结 合软、硬件完成了平台硬件对应的各项功能，其中包括对于光学传 感器、运动平台和摄像头的基本控制功能，以及结合各部分硬件功 能进行自动扫描的扫描功能。在对控制软件进行测试的过程中检验 了光学传感器和运动平台的性能，理论分析了运动平台的定位精度 及零点定位精度，用三维扫描得到的图像和显微镜下的图像作对 比，分析二者差异并对扫描程序做出修正，系统归纳了扫描功能由 简单逐层深化的过程，并记录了各个过程对同一样品进行扫描得到 的数据以及图像。最后介绍了用于三维轮廓扫描仪数据处理的软 件。 关键词：三维扫描微动平台结构设计控制软件数据处理软件 d e s i g na n dm a n u 暇a c n 爪eo f t h r e e d i m e n s i o n a lm i c r o m o t i o n a l s c a n n i n gs t a g e a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a n dm e a n w h i l e ，谢也t h ef a s t d e v e l o p m e n to fs o m ef i e l d ss u c ha st h et e l e c o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n ga n dt h e p r e c i s i o ne n g i n e e r i n g , t h er e s e a r c ho ft h ep r e c i s i o np o s i t i o n i n gs y s t e m 谢t l lh i g h p r e c i s i o n , h i g h - r e s o l u t i o na n dt h eh i g h - r e l i a b i l i t yh a sa t t r a c t e dm o r oa n dm o r e a t t e n t i o n i ta l s od e v e l o p sb yl e a p sa n db o u n d s b yc o n t r a s t 诵mt h ef o r e i g n c o u n t r i e sw h i c hs t a r t e de a r l i e ro nt h i sf i e l da n dh a v em a d es o m ep r o m i n e n t a c h i e v e m e n t s ，c h i n ah a sar e l a t i v e l yl a t eb e g i n n i n ga n dar e l a t i v e l yw e a k t e c h n o l o g yf o rt h i sr e s e a r c h o nt h eb a s i so ft h ec o l l e c t i o no ft h er e l a t e dd a t ai n q u a n t i t y , t h i sp a p e ra n a l y z e sa n ds u m m a r i z e st h ep r i n e i p l e sa n df e a t u r e so ft h e d o m e s t i ch i g h - p r e c i s i o nm o t i o n a ls t a g ea sw e l la st h o s eo ft h ef o r e i g no n e s a t h r o 巴- d i m e n s i o n a l h i g h - p r e c i s i o n m i c r o - m o t i o n a l s c a n n i n gs t a g e f o rt h e t h r e o - d i m e n s i o n a lc o n t o u rs c i u l n e ri sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h i sp a p e ra l s o i n t r o d u c e st h ep r o c e s so ft h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h i ss t a g es c h e m ei n d e t a i l a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to ft h et h r e e - d i m e n s i o n a lc o n t o u r s c a n n e r , t h i sp a p e rc o m p i l e s c o n t r o ls o f t w a r ef o rt h et h r o e - d i m e n s i o n a l m i e r o - m o t i o n a ls c a n n i n gs t a g ea n dt h e nf i n i s h e st h ef u n c t i o n so ft h es t a g eb y c o m b i n i n gt h es o f t w a r e 、以t l lt h eh a r d w a r e , i n c l u d i n gb a s i cc o n t r o lf u n c t i o n sf o r o p t i c ss e n s o r , m i c r o - m o t i o n a ls t a g ea n dc 翘m e r a , m e a n w h i l et h ea u t o - s c a n n i n g f u n c t i o ni sa c c o m p l i s h e d d u r i n gt h et e s to ff u n c t i o n s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s e n s o ra n ds t a g ei sc h e c k e d i ta l s ot h e o r e t i c a l l ya n a l y z e st h ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o n a n dt h ez e r o p o np o s i t i o n i n gp r e c i s i o no ft h em i c r o m o t i o n a ls t a g e b a s eo nt h e s c a nd a t a , t h i sp a p e rf i n d st h ep r o b l e m s ，a n a l y z e s ，r e v i s e st h ec o d ea n dt h e ns c a n s a g a i nt og e tt h ed a t a , r e c o r d st h ei m p r o v e m e n to ft h es c a n n i n g f u n c t i o na n d c o r r e s p o n d i n gd a t aa n di m a g e s a tl a s tt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed a t ap r o c e s s i n g s o f t w a r ef o rt h et h r e e d i m e n s i o n a lc o n t o u rs c a n n e r i i i k e yw o r d s ：t h r e e - d i m e n s i o n a lm i c r o - m o t i o n a ls c a n n i n gs t a g e ，s t r u c t u r e d e s i g n ，c o n t r o ls o f t w a r e ，d a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r e i v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：豳垒! 尘! 土日期：圣竺2 ：兰：! 生 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此 规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：囱垒；尘：吐 导师签名：拯邑堇 日期：兰竺! ：兰：! 生 日期：上孚上坐一 第一章引言 1 1 课题背景 课题来源 随着精密工程、微机电应用等领域的快速发展，精密定位技术的需求在日 益增长。在诸多精微操作领域，包括快速车削加工( f a s tt o o ls e r v o ，f t s ) 、 微小机械零件装配、精密测量、微机电系统( m e m s ) 装配、光学调整等方面， 精密定位技术具有广泛的应用前景。精密定位平台作为上述领域中的一种典型 结构，平台结构及定位控制系统的研究越来越受到人们的重视。国外( 如美国、 日本等) 在精密定位控制领域的研究较早，研究成果较多，技术相对成熟，已 研制出精度达纳米级的多自由度精密运动平台，且已经产品化。然而国内对精 密运动平台的研究起步较晚，目前多局限于单自由度平台研究，且多数还处于 实验室研究阶段，目前成型产品还比较稀少，产品性能和可靠性也相对国外较 差。 本课题来源于与企业合作项目。目标是研发一套拥有自主知识产权的，具 有亚微米级分辨率的，用于三维轮廓扫描仪的微动扫描平台。 课题目标和任务 基于课题要求，微动平台的各项指标有如下要求：平台x 、y 方向的行程 为1 0 0 m i n x1 0 0 r a m ，位移分辨率为0 1um ，重复定位精度0 2um ，长程精度 2 3um ，平台负载小于o 5 k g 。微动平台工作过程中，在x y 平面内一个方向 实现步进，另一个方向为直线往复运动，即微动平台以扫描方式工作，扫描区 域为正方形。工作中还要求平台在x y 平面内可任意位置定义零点，扫描范围 可任意缩放，在1 0 0um 1 0 0l am 1 0 0 m mx1 0 0 m m 无级任意变化。 1 2 国内外研究现状 1 - 2 1 国外现状 国外对精密运动平台的研究起步较早，研究已经很成熟，对各种驱动和传 动方式的研究都比较深入，而且从单自由度到多自由度的众多产品都已经市场 化。比较著名的有德国p i 公司和美国r o c k w e l l 公司的单自由度和多自由度的 超精密运动平台产品。 北京电 学硕i 学位论立 1 ) 一维微动机构 2 0 0 3 年，日本a k i a t 新技术研究所成功研制了亚纳米级分辨率高密度硬盘 线性寻轨跟踪系统。改系统以直线空气导轨和超精密音圈电机为驱动，采用了 p h o n t o i c s 公司研制的新型激光位移传感器作为闭环反馈，可以在大于行程 1 0 m m 内，达到分辨率为o5 n m ，响应时间小于o5 m s 的高精密快速运动【1 1 1 2 。 2 0 0 5 年，韩国科学技术研究中心( g i s t ) 的g w a n g j u 等人设计了以音 圈电机为驱动，柔性铰链为支撑的一维微动机构( 如图l1 所示) ，工作行程为 正负1 0 pn t ，定位精度为05 n m ，该机构用于原子力显微镜的z 向定位咖。 磊 z 图11 原于力显镟镜z 向定位示意图 2 l 二维微动机构 同本东北大学的g a o 等人设计了一台基于静压气体轴承的平面= 自h i 度 微动台。其整体结构( 如图12 所示) 包括机座和移动平台。其中移动甲台由 铝制成，四边上安装永久磁铁，移动平台通过四个气体静压轴承支撑，四个无 刷洛伦菠电机为驱动装置，实现平面二自由度运动，平台在x y 方向行程为4 5 m m 可寅现2 0 m 的定位精度嗍。 ：堡! ：! ：些! ： ：曩 图12 气浮支掉二维锻动结构图 美国麻省理工的k i l n 等人研制了一种磁悬浮平台方案( 如图13 所示) 。 悬浮平台的底部四角各安装一个h a l b a c h 形式的永磁铁阵列与四个直线电机 对应，每个直线电机提供一个水平方向的驱动力及垂直方向的悬浮力，平台x 、 y 轴的平动行程为5 0 n m l ，定位精度为5 埘1 嘲。 一量t 束薯性玮刊 宜予蛙一 电宝持墓 图13 磁浮支撑二维微动结构图 量捍力 螭， 3 1 三维微动机构 美国北卡大学m i k e h o l m e s 、r o b e r t h o c k e n 和麻省理工大学d v a i d t u r m p e r 设计实现了磁悬浮的六自由度超精密运动平台，水平方向定位噪声达到o6 r i m ， 骚直方向达到22 m n 。运动平台采用四个直线电机，行程达到2 5 r a m 2 5 r a m x 北京邮电大学硕十学位论文 0 k n m ，运动平台使用三个平面激光干涉仪和三个电容传感器作为反馈，定位 精度达到1 0 n m l 6 】。 美国俄亥俄州立大学的s h a h 等人研制的基于变磁阻原理驱动的六自由度 微动台，其结构如图1 4 所示，共用了十个电磁驱动单元，其中四个放在底部 用于产生垂直方向的磁悬浮力，另外六个产生平面x y0z 方向的运动，利用 六轴激光干涉仪作为位置反馈，平动行程3n 蛐x3m m 1 8m i l l ，通过闭环 控制实现了2 0 n n l 的定位精度【7 1 。 图1 4 三维磁悬浮结构图 美国a & m 大学的s h o b h i tv e r m a 等人研制了一种六自由度的磁悬浮微动台 ( 如图1 5 所示) 。工作台的核心运动部件是一个非铁磁性材料的三角形滑板， 有三个垂直方向的变磁阻驱动器和三个水平方向的洛仑兹力驱动器，通过控制 这六个驱动器动作，可以获得六个自由度的精密运动。该工作台在x 、y 、z 向行程均为3 0 0 um ，转角均为3m r a d ，实现了5n t i l 的定位精度。嗍 4 北京邮电大学硕士学位论文 图1 5 六自由度磁悬浮微动台结构图 韩国p a h k 等研制的x y0 三维运动超精密定位平台，在2 0 0 m m 的大行程 内可以达到l o n m 的定位精度。系统采用两级定位系统结构，重点讨论了宏动 台与微动台协调工作的两级伺服方案【9 】【埘。 日本东北大学纳米技术实验室与住友重工联合研制了一种五自由度平面 运动平台( 如图1 6 所示) ，平台采用了三个气浮轴承作为支撑，采用了三个直 线电机和三个压电驱动器作为驱动，三个直线电机是平台产生x yoz 方向的 平面运动，三个压电驱动器是平台产生x0x 0y 方向的非平面运动。由三个二 维角度传感器和一个二维角度光栅组成一个平面编码器，用于位置检测与反馈 控制。实验结果表明平台在每个自由度方向的定位精度达到5 0 h m i n 】。 i ! 至些皇奎兰堡圭茎圣耋圣 固16 五自由度平面运动平台 1 2 2 国内现状 国内对于超精密运动平台的研究水平明显落后于国外，目前多局限于单自 由度，而且多处于各大高校、中科院等科研机构的实验室研究阶段，所能达到 的精度和可靠性都低于国外同类产品。国内比较有代表性有哈尔滨工业大学的 博实精密公司，该公司生产一系列的单自由度精密定位工作台产品，采用压电 陶瓷驱动，定位精度可达几纳米缺点是行程短，最大行程为几百微米。 幽i7 哈尔滨工业大学的博实精密公司的m p t - 3 m 系列三维精密定位平台 北京邮电大学硕士学位论文 清华大学精密仪器及机械学系朱煜等人开发的步进扫描投影型光刻机超 精密工件台，实现了一维纳米级定位。行程l o o m m ，定位精度达到l o n m 。超 精密实验台采用气浮导轨支承，粗动台叠加微动台的两级定位。粗动台采用直 线电机作为驱动，直线光栅行位置反馈，可以达到微米级定位精度。微动台采 用音圈电机作为驱动，电容传感器进行位置反馈，可实现l o n m 的步进。整个 试验台采用激光干涉仪作为运动系统位置检测和反馈【1 2 1 。 华中科技大学戴蓉等设计了一种能实现大量程位移和纳米级定义精度的 一维位移工作台。工作台采用了粗、精两级定位机构，粗动台采用步进电机驱 动精密丝杆完成，微动台采用压电陶瓷驱动叠层式平行平板柔性铰链机构来实 现( 如图1 8 所示) ，平台采用衍射光栅进行位置反馈，平台行程6 m m ，定位 分辨力达到l n m 【1 3 1 。 铰链 图1 8 微动台机构简图 西安交通大学的先进制造技术研究所研究的粗动和微动叠加超精密运动 平台( 如图1 9 所示) ，粗动平台使用伺服电机，微动台使用压电陶瓷电机加柔 性铰链放大的结构同时实现高精度和大行程。行程2 0 0 r a m ，精度达到8 r i me 1 4 】。 7 北京邮电大学硕士学位论文 图1 9 微动台结构图 天津大学冯小梅等设计了一种基于直线音圈电机直接驱动，采用弹性解耦 机构的高速高精度xy 精密定位平台。该系统的最大运动范围为5 0 m m 5 0 m m ，x 轴向平台的定位精度为1 9 7 7 l lm 4 0 m m ，重复定位精度为0 9 2 4 um ； y 轴向平台的定位精度为1 6 8 8i tm 4 0 m m ，重复定位精度为0 6 9 3i im 0 5 1 【1 6 1 。 1 3 研究目标与内容 精密运动平台的研究涉及多种关键技术，其中主要包括：微位移驱动器 ( m i c r o a c t u a t o r ) 、微位移机构( m e c h a n i s mc o m p o n e n t ) 、微位移检测( m i c r o d i s p l a c e m e n ts e n s o r ) 、精密运动控制方法( m o t i o nc o n t r 0 1 ) 、精密装调技术、误 差分析与补偿技术、精密环境保障技术和精密隔振系统技术等，可见超精密运 动平台有重要的研究意义【1 7 1 。 从课题的要求并结合目前国内外研究的现状，确定研究工作主要围绕以下 几个方面展开： 1 ) 精密运动平台结构方案设计。重点在于研究精密运动平台总体结构形 式，驱动方式、导轨类型选择，位置反馈方式及控制方式，以及考虑 由一维的精密运动平台构建多维精密运动平台时的系统集成和误差处 理问题； 2 ) 精密运动平台搭建。确定可行性方案，购置基础零部件，搭建精密运 北京邮电大学硕士学位论文 动平台样机，针对硬件编写平台控制软件，协调各部分设备，设计并 实现扫描功能； 3 ) 精密运动平台性能测试。对搭建出的平台进行运动性能测试，分析其 精度，通过实验和分析对扫描功能进行优化； 4 ) 编写平台的数据处理软件。 1 4 本章小结 本章介绍了课题内容和研究工作的背景，介绍了精密运动平台涉及到的各 项关键技术和国内外的发展现状，概括了三维精密运动平台系统研究的重要意 义，最后提出了论文的主要工作以及目标。 9 北京衄电大学两学位论文 第二章三维扫描微动平台方案设计 本课题研究的三维扫描微动平台，根据工作要求，平台要具有运动控制、 视频显示、高度值采样的功能。其中，运动控制功能方面平台x - y 方向运 动行程为l o o m m ，具有两轴联动控制功能。除了具有基本的两轴分别手动控 制功能外，还具有可编程自动控制功能实现规定工作区域的自动扫描功能。视 频显示功能方面，平台要具有实时显示微观表面形貌视频图像的功能。高度值 采样功能方面，平台要能够实时显示当前采样得到的高度值并配合扫描运动 功能得到被测物体表面形貌的数据。 2 1 系统总体方案 三维扫描微动平台主要由以下功能所对应的系统组成，包括运动控制功 能、视频显示功能和高度值采样功能。示意图如下： 图21 系统总体结构 北京邮电大学硕士学位论文 其中视频显示功能是通过视频捕捉卡和c c d 摄像头来完成的。高度值采 样功能需要通过光学传感器和光学探头来完成。以下重点介绍平台运动系统。 2 2 平台运动系统： 运动平台系统主要由以下四个单元构成： 1 ) 机械单元 平台机械系统采用商品化的精密运动平台，即采用产品化的精密单自由度 运动平台通过叠加或者定位安装实现平台两坐标运动。驱动元件采用伺服电机 或具有细分功能的小步距角步进电机驱动。机械平台技术指标如下： x 轴行程：1 0 0 r a m ，丝杠导程 5 m m ，丝杠间隙3 u m y 轴行程：1 0 0 r a m ，丝杠导程 5 r a m ，丝杠间隙3 u m 机械平台均采用精密滚动导轨且安装良好的防护装置。两个轴通过叠加和 定位安装在大理石机座上，各轴安装几何误差( 坐标垂直度) “l o a dd a t af i l e ，或者直接点击软件窗口右上角 的“l o a dd a t a 一按钮打开图5 3 所示文件打开对话框。 7 l i ! 皇望呈垒兰矍圭兰兰兰三 国53 文件打开对话框 选择“d g 3d a t ”文件，点击“打开”后显示如下界面 图54 加载数据后初始界面 图5 4 中椭圆区域显示数据文件信息。包括文件名、测试时间、测试日期 ：量墼星銮茎塑圭茎堡鎏耋 和数据点数。 5 , 3 2 光标测量 图55 光标取值 将鼠标移至光标r 或m 附近，按下鼠标可拖动光标到绘图区域任意位置， 如图5 5 所示，图中椭圆l 内显示光标与轮廓曲线交点的坐标及光标宽度，椭 圆2 内显示交点的坐标差值。 5 3 3 平均值模式 在测量轮廓曲线的水平或竖直距离时，有时需要计算某段轮廓曲线的高度 平均值。在本软件中可以利用使光标变宽来提取轮廓曲线k - q 光标区域交汇段 的平均值。做法如下： 点击光标操作区“r ”按钮，选中光标r ，点击“宽”，使光标变宽，点击 “窄”，使光标变窄，同理可改变光标m 宽度。如果要一次性使光标恢复初始 宽度，可单击鼠标右键，在弹出菜单中选择“r e s e tc u r s o r s ”使光标恢复初始 宽度。光标变宽后即打开平均值模式，如图5 6 所示。 图56 改变光标宽度取平均值 光标的宽度改变后，软件界面上光标位置区域的显示发生相应改变，如图 5 6 中椭圆内区域内所示。 5 3 4 改变基准 用三维轮廓扫描仪进行物体表面形貌测量时，如果被测物基准不水平会 导致采集得到的轮廓高度数据不准确，存在由于被预5 物倾斜产生的线性误差。 这样，利用本软件光标测得的轮廓盐线上点之间的高度差数据是不准确的，为 了消除或减小误差，可以使用基准调节功能改变轮廓基准，从而消除或减小轮 廓曲线上点间的高度差的测量误差。 对于本例的数据文件( “d g 3d a t ”) ，从轮廓上可以看到明显的台阶，故 可以选择“c u r s o r l o c a t i o n s ”方式来调整基准。做法是： 1 ) 单击鼠标右键，在弹出菜单中选择“r e s e t c u r s o r s ”使光标恢复初始宽 度； 2 ) 用鼠标移动光标r 和m ，使他们与同一个台阶相交； 3 ) 在“l e v e lm e t h o d ”选框中选中“c u r s o tl o c a t i o n s ”方式，单击“l e v e l d a t a ”按钮。 以上步骤操作结果如图57 。 圈57 改变基准后轮廓曲线 从图57 中可以看到，先前光标与轮廓曲线交点变为z 轴零点，轮廓陆线 上点的坐标值也随之改变，即消除了被测物倾斜产生的误差。 5 5 软件预期功能与现阶段完成任务 本软件的预期功能是从磁盘文件中读入数据，绘制轮廓曲线，利用光标测 量曲线上点的坐标，可以选用四种方式调节基准，可以选择高通和低通两种滤 波方式，滤波后的文件可以再次保存为磁盘文件，可以放大和缩小轮廓曲线( 超 出绘图区域部分被截断) ，可吼任何选择缩放区域( 选区为正方形，但仅限绘 图区域) ，可以从轮廓曲线上得到粗糙度等数据。 北京邮电大学硕士学位论文 由于时间关系，目前并未完成软件所有预期的功能。现阶段已完成内容包 括：软件界面与菜单设计，磁盘文件读取，绘制坐标轴，绘制轮廓曲线与光标， 光标移动，动态显示坐标，改变光标宽度( 即开启均值模式) ，用光标位置调 整基准等。未完成内容包括：四种调节基准方式中除“c u r s o rl o e a t i o 璐”外其 余三种未完成，滤波功能未实现，绘图区域的缩放功能未实现。 5 5 本章小结 本章提出了一个基于v c 啪。0 ，用于轮廓扫描数据后处理的数据分析软件 d l g t e s t 。主要介绍了软件的基本操作界面，预期功能与已完成功能。并以一个 数据分析的例子介绍了软件的操作过程。 7 6 北京邮电大学硕士学位论文 mm_m 6 1 论文主要工作和结论 第六章结论 论文主要研究以三维轮廓扫描仪特性为背景，对国内外精密运动平台相关 的研究工作进行了调研分析，对三维扫描微动平台进行了研究和探讨，研究中 构建了一套平台系统。论文重点研究了以下内容并得出结论： 1 ) 提出了三种的平台的整体结构方案，分析方案的特点和难点，并结合 实际确定了平台结构方案，通过市场调研和比较，确定了平台系统的 组成部件的方案，并构建了运动平台系统。 2 ) 利用v c + + 6 0 开发工具编写了平台的控制软件，介绍了软件界面和相 关功能。 3 ) 结合软、硬件测试了平台的各项要求的功能，理论分析了微动平台的 单轴定位精度和零点定位精度。测试结果表明，软件功能符合课题要 求，硬件平台能够实现课题所要求的各项功能。 4 ) 利用v c 抖6 0 开发工具编写了三维轮廓扫描仪数据的后处理软件，介 绍了软件界面和相关功能。并以一个例子验证了软件的有效性。 6 2 展望 由于时间和条件的限制，当前的研究工作还存在一些需要改进和继续深入 的问题。课题可以在以下几个方向展开后续工作： 1 ) 目前，微动平台系统的驱动单元采用步进电机，控制方式为开环控制， 定位精度难以保证。今后可在平台导轨上安装光栅尺进行位置反馈来 提高精度，或者将步进电机改为伺服电机再配合光栅尺来进一步提高 驱动单元的精度。 2 ) 微动平台系统中与光电开关配合使用的码盘采用轴套安装在丝杆上， 安装精度很低，轴套与丝杆不同轴，导致码盘随轴旋转时盘面与丝杠 轴向不垂直。今后可向厂家定制电移台，在电移台上设计码盘安装孔 和光电开关安装孔，提高反馈精度。 3 ) 论文仅给出了微动平台单根轴理论上的定位精度和零点定位精度。在 今后条件允许的情况下应精确测量平台单自由度的定位精度和平面定 北京邮电大学硕士学位论文 位精度，并详细分析误差产生的原因，提出合适的误差补偿方案。 4 ) 控制软件中对光学传感器的操作还不完善，需要加入自动判断采样量 程、判断当前光学探头型号、调整配置文件的功能。 5 ) 需要加入扫描过程中即时显示已扫描部分的表面形貌功能，以及扫描 后整体绘图和3 d 显示的功能。 6 ) 通过对纯平标样的扫描得到当前平台的固有高度误差，设计补偿，应 用到扫描程序的设计中。 7 ) 数据处理软件功能不全，需要继续完善相应的功能。 北京邮电大学硕士学位论文 参考文献 i 】t i mk , m i c h e l e pe t c p i e z o a c t u a t o r sf o r r e a lw o r l d a p p l i c a t i o n s j p o w e r e n g i n e e r i n g j o u r n a l 2 0 0 0 ，6 ：1 0 6 l l o 【2 】y a n g s y u n a j n i j a c c u r a c ye n h a n c e m e n to fah o r i z o n g t a lm a c h i n i n gc e n t e rb y r e a l - t i m ee r r o rc o m p e n s a t i o n j j o u r n a lo f m a n u f a c t u r i n gs y s t e m s 1 9 9 6 ，1 5 ( 2 ) ：1l 扣1 2 4 【3 】w o os u by o u me t c o p t i m a ld e s i g na n dc o n t r o lo f av o i c ec o i lm o t o rd r i v e nf l e x u r e h i n g ef o r a f ma c t u a t o r m p r o c e e d i n g so f t h e 2 0 0 5i e e e a s m ei n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n ( 冶o na d v a n c e di n t e l l i g e n tm e c h a t r o n i c sm o n t e r e y , c a l i f o r n i a , u s a , 2 4 - 2 8j u l y , 2 0 0 5 ：p 3 2 5 3 2 8 【4 】w e ig a o ，s h u i c h id 白缸呜h i r o a l dy a n a i l as u r f a c em o t o r d r i v e np l a n a rm o t i o ns t a g e i n t e g r a t e dw i t ha l lx y 0zs u r f a c ee n c o d 百f o rp r e c i s i o np o s i t i o n i n g j p r e c i s i o n e n g i n e e r i n g ，v 2 8 ：n 3 。j u l y , 2 0 0 4 ：p 3 2 9 3 3 7 【5 】【4 】w o n - j o n gk i m h i g h - p r e c i s i o np l a n a rm a g n e t i cl e v i t a t e d p d o c t o rt h e s i so fm1 t , 1 9 9 7 【6 】 1 v t i k eh o l m e s ，r o b e r th o o k e n , d a v i dt r u m p e r t h el o n g - r a n g es c a n n i n gs t a g e ：an o v e l p l a t f o r mf o rs c a n n e d - p r o b em i c r o s c o p y j o u r n a lo f t h ei n t e r n a t i o n a ls o c i e t i e sf o rp r e c i s i o n e n g i n e e r i n ga n dn a n o t e c h n o l o g y j j u l y2 0 0 0 , 2 4 ：p 1 9 1 2 0 9 【7 】x i m i ns h a h , s h i h k a n gk u o ，j i h u az h a n g u l t r ap r e ：c i s i o nm o t i o nc o n t r o lo fa m u l t i p l ed e g r e e so ff r e e d o mm a g n e t i cs u s p e n s i o ns t a g e j i e e e a s m et r a n s a c t i o n s 0 1 1m e c h a t r o n i c s ，v 7 ，n l ，m a r c h , 2 0 0 2 ：p 6 7 7 8 【8 】s h o b h i tv e r m a m u l t i j 岫m a g l e vn a n o p o s i t i o n e rf o rp r e c i s i o nm a n u f a c t u r i n ga n d m a n i p u l a t i o na p p l i c a t i o n s m i n d u s t r ya p p l i c a t i o n sc o n f e r e n c e , 2 0 0 4 3 9 t hi a sa n n u a l m e e t i n g c o n f e r e n c er e c o r do f t h e2 0 0 4 e e ，v 0 1 3 ，o c t 2 0 0 4 ：2