Mikrolasertracker zur multisensorischen 3D

Mikrosystemtechnik Kongress 2013 · 14. – 16. Oktober 2013 in Aachen
Mikrolasertracker zur multisensorischen 3D-Koordinatenmessung
3D coordinate measurement with a multisensory microlasertrackersystem
Eric Markweg1,2, Stefan Weinberger1,2, Tran Trung Nguyen1,3, Martin Schädel4, Olaf Brodersen4, Christoph Ament1,3,
und Martin Hoffmann1,2
1
Technische Universität Ilmenau, PF 10 05 65, 98698 Ilmenau, Deutschland
IMN MacroNano®, FG Mikromechanische Systeme, [email protected]
3
IMN MacroNano®, FG Systemanalyse
4
CiS Institut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH, Erfurt, Germany
2
Kurzfassung
Immer dynamischere Fertigungs- und Handhabungsprozesse verlangen nach neuen Lösungen in der Positionsbestimmung des Tool Center Points (TCP). Das vorgestellte multisensorische Lasertrackersystem ermöglicht die berührungslose Positionsmessung des TCP über interferometrische Trilateration. Die Mikrosystemtechnik bietet dabei das Potenzial kleine und preisgünstige Systeme herzustellen sowie einen höheren Integrationsgrad zu erreichen.
Abstract
We propose a multi-sensory laser tracker system that allows contactless position measuring of a tool center point (TCP)
for dynamic manufacturing and handling processes. For precise measurement we use interferometric trilateration. The
microsystems technologies have the potential for producing inexpensive, highly miniaturized devices, enabling the use
of a multisensory system.
1
Einleitung
Moderne Fertigungsverfahren verlangen nach immer
schnelleren Handhabungs- und Bearbeitungszyklen, dies
führt zu immer höheren Dynamiken in den Kinematiken
der beteiligten Robotersysteme. Die Präzision der Arbeitsschritte soll bei sinkender Prozesszeit jedoch weiter
erhöht werden. Zur Lösung des Konflikts werden daher
neue Sensorsysteme benötigt die kostengünstig hergestellt
werden können. Eine höhere Präzision lässt sich dabei
durch die Nutzung von Interferometern erreichen. Um
solche multisensorischen Systeme marktgerecht herzustellen zu können wird das parallele Fertigungsprinzip der
Mikrosystemtechnik benötigt.
2
Mikrorackermodul
2.1
Messprinzip
Ein Mikro-Multi-Laser-Tracker-System (μMLTS) [1] ermöglicht die berührungslose Positionserfassung von
hochdynamischen kinematische Systeme. Zur Messung
eines Punktes im 3-D Raum sind mindestens drei Längenmessungen nötigt. Die Berechnung des Punktes im
Raum erfolgt durch die Auswertung vielfach gemessener
interferometrische Längen. Dazu verfolgen mehrere Sensorköpfe einen Retroreflektor im Raum der beispielsweise
am Tool Center Point (TCP) einer Fertigungsmaschine
befestigt ist. Im Sensorkopf wird der Laserstrahl eines Interferometers über einen Mikrospiegel umgelenkt und
trifft auf den Mittelpunkt eines Retroeflektors, woraufhin
er in sich selbst zurückgeworfen wird. Eine Bewegung
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des Reflektors führt zu einer seitlichen Verschiebung des
gespiegelten Laserstrahls. Diese Abweichung in der Position des zurückgeworfenen Strahls wird durch eine Vierquadrantenfotodiode (QPD) detektiert. Die Bewegung des
Retroreflektors wird nun durch die Ansteuerung des Mikrospiegels ausgeglichen. Dadurch verfolgen alle Messstrahlen der Bewegung des zu messenden Punktes. Das
Prinzip ist in Bild. 1 dargestellt.
Bild 1 Prinzipieller Aufbau eines µ-Trackermoduls mit
mikrotechnisch gefertigten Komponenten.
Parallel zur Verfolgung des TCP können also alle relativen Längenänderungen durch die Interferometer gemessen werden. Die Berechnung der Position des TCPs erfolgt dabei durch eine zentrale Rechen- und Steuereinheit.
Die Auflösung des Systems soll im einstelligen Mikrometerbereich liegen. Das Messvolumen liegt bei 1 m x 1 m x
1 m. Die Messköpfe sind maximal 1 m vom Reflektor
entfernt.
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2.2
Integriert optisches Interferometer
Das verwendete integriert optische Interferometer ist in
Siliciumoxynitrid-Wellenleitertechnologie hergestellt. Die
Wellenleiter sind dabei auf das Modenfeld einer 632,8 nm
Einmodenfaser angepasst [2]. Der hergestellte Interferometerchip wird mit einem fasergekoppelten Detektorchip
und einer GRIN Linse zu einem Interferometersystem
montiert. Ein aufgebautes Interferometer ist in Bild 2 dargestellt. Von einen fasergekoppelten Detektorchip wird
Licht ins integriert optische System eingekoppelt. Der geführte Strahl wird über einen Y-Verzweiger in zwei
Lichtwege aufgeteilt. Richtkoppler werden benutzt um
diese wiederrum in zwei Referenzarme zu teilen. Am
stirnflächigen Ende der Referenzarme ist ein Spiegel integriert, der das Licht der Referenzarme in sich zurückwirft.
Bild 2 Montiertes integriert optisches Interferometer.
Das verbleibende Licht der Richtkoppler wird über einen
Y-Teiler zusammengeführte und über eine an der Stirnfläche verklebte GRIN Linse als Messstrahl in den Raum
kollimiert. Der am Retroreflektor reflektierte Strahl koppelt über die Linse zurück in den Wellenleiter ein, wird
wiederrum geteilt und interferiert an den Richtkopplern
mit den geführten Licht der Referenzarme. Die Bewegung
des Retroreflektors führ dadurch zu einer Modulation der
Interferenzsignale. Diese können an der Stirnseite des Interferometerchips an dem auch die Einkopplung geschieht
detektiert werden. Das Prinzip [3] erreicht dabei eine Auflösung von ca. 150 nm für eine komplette Modulation.
Eine Interpolation ist leicht möglich.
2.3
tion ist besser als ± 0,2 µm. Die laterale Position der Grube wird durch einen Lithografie festgelegt.
Bild 3 Fasergekoppelter Detektorchip (links), Stirnfläche
mit Detektorgebieten und Rombuskanal (rechts)
Durch die Kombination von V-Nuten und Dotierung des
Siliciums ist es möglich Fotodetektoren auf den geätzten
{111}-Ebenen der V-Nuten zu integrieren. Dieses monolithische Konzept reduziert die Anzahl der erforderlichen
Montageschritte und damit auch mögliche Fehler und
Kosten. Die große Fläche des Fotodetektors ermöglicht
eine einfache Montage des Interferometers und Koppelchips. Die Toleranzen für die Neigung des Chips sind
aufgrund der Flächenbestrahlung robust, was zu niedrigeren Produktionskosten führt. Eine separate Faserkopplung
der Detektoren mit optischen Fasern wird vermieden und
somit die Gesamtgröße des Systems und die Komplexität
verringert.
2.4
Strahlnachführung durch Mikrospiegel
Mikrospiegel werden bereits in unterschiedlichen Applikationen verwendet und sind Gegenstand verschiedener
wissenschaftlicher Untersuchungen. Zur Erreichung hoher
Auslenkungen wird dabei meist auf resonante Prinzipien
zurückgegriffen. Für die ständige interferometrische Messung ist jedoch ein kontinuierlicher Rückreflex zwischen
Retroreflektor und Interferometer notwendig.
Interferometerdetektorchip
Ein wesentlicher Aspekt der Miniaturisierung des Interferometers ist die Kombination von Einkopplung der optischen Einmodenfaser und der Ausleseeinheit für die Interferenz aus den Wellenleitern auf einem Chip. Dies wird
durch die Verwendung von rombus-förmigen vergrabenen
Kanälen [4] realisiert. Hergestellt werden können Diese
durch eine Kombination aus Siliciumtiefenätzen und
KOH-Nassätzen. Die Position der Faser, welche durch
den Rombuskanal geführt wird, ist dabei durch die Tiefenätzung festgelegt. Nur die Breite der siliciumtiefengeätzten Grube legt die laterale Position und die Tiefe gegenüber der Siliciumoberfläche fest. Die Tiefe der Grube
bestimmt lediglich die größer der Rombusöffnung. Die
Genauigkeit von der Spaltbreite und damit die Faserposi-
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Bild 4 Hergestellte Probe eines kardanisch aufgehängten
Mikrospiegels in Aluminiumnitridtechnologie.
Somit besteht die Herausforderung in hohen Drehwinkeln
bei nichtresonanter Betriebsweise. Der Schlüssel zu die-
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sem Konzept ist die Verwendung von Aluminiumnitrid
als Torsionsfedermaterial [5]. Die ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften ermöglichen dabei die Herstellung sehr nachgiebiger Torsionsfedern mit einer Dicke <
600 nm. Um eine Ablenkung um zwei Achsen erreichen
zu können wird ein kardanisch aufgehängter Spiegel mit
Flächenelektroden zur elektrostatischen Aktuierung verwendet. Ein hergestellter kardanisch aufgehängter Spiegel
ist in Bild 4 zu sehen, die Größe der Spiegelfläche beträgt
1 x 1,2 mm², Federlänge ist 200 µm und die Federbreite
ist 20 µm. Durch den Einsatz von Aluminiumnitrid kann
eine Federdicke von 0,6 µm verwendet werden. Erste
Messungen sind an einer einachsigen Variante durchgeführt worden. Die Ergebnisse sind in Bild 5 dargestellt.
Die QPDs werden durch Standardverfahren hergestellt.
Durch Siliciumtiefenätzten wird zusätzlich in der Mitte
eine Durchführungen für GRIN-Linsen integriert. Diese
Durchführungen werden durch Umlaufdioden geschützt
abgegrenzt. Durch die Divergenz des Laserstrahl ist der
Durchmesser des rückfallenden Strahls größer als der des
emittierten aus der GRIN-Linse. Somit wird immer ein
Teil des reflektierten Strahldurchmessers auf der Fotodiode detektiert [6]. In Bild 6 ist eine produzierte QPD zu
sehen.
Bild 7 Vermessung des Positionssensors
Bild 5 Messung eines einachsigen Spiegels, Spiegelfläche
1 x 1,2 mm², Feder 350 x 20 µm, Federdicke: 0,4 µm.
Die Spiegel müssen in der Lage sein im statischen Betrieb
einen großen Auslenkwinkel zu erreichen. Ausserdem
muss die Dynamik sehr hoch sein, um auch schnellen
Bewegungen des TCP folgen zu können.
2.5
Detektion der Positionsänderung
Eine modifizierte siliciumbasierte Vierquadrantendiode
wird als Positionssensor verwendet um die Bewegungsrichtung des Retroreflektors zu erkennen und ein Regelsignal für die Mikrospiegelnachfühung zu erhalten.
Zur Charakterisierung des Positionsänderungssensors
wurde dieser an einem mehrachsigen Lineartisch befestigt. Ein Laserstrahl, der durch den μMLTS emittiert wird,
wird zum Zentrum der Fotodiode ausgerichtet. Der Laserstrahl wird senkrecht zum Lineartisch gehalten und die
Linearstage in Y- und X-Richtung in 5 µm Schritten bewegt. Parallel dazu werden die Ausgangsspannungen der
verstärkten Fotoströme gemessen. Diese Messwerte können in eine Abweichung des Laserstrahls auf der Fotodiode umgerechnet werden:
DX = (B+C)-(A+D)/(A+B+C+D)
DY = (A+B)-(C+D)/(A+B+C+D)
(A,B,C,D in Volt)
Die Ergebnisse dazu sind in Bild 7 dargestellt. Die Linearität der hergestellten Elemente ist als Regelsignal zur
Strahlnachführung des Mikrorackermoduls ausreichend.
2.6
Bild 6 Detektor zur Messung der Positionsabweichung
des reflektierten Messstrahls.
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Berechnung der TCP Position/ Kalibrationsverfahren
Herkömmliche Lasertracker verwenden zur Positionsberechnung meist ein Triangulationsverfahren. Bei diesem
Prinzip müssen zwei Winkel- und eine Länge durch Messung bekannt sein. Vor allem die präzise Winkelmessung
stellt dabei ein Problem dar. Die niedrige Winkelauflösung des verwendeten Mikrospiegels spielt durch das
Prinzip der Trilateration [7] keine Rolle. Die 3-D Koordinaten der TCP Position kann allein durch vielfache Längenmessung ermittelt werden.
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Die Berechnung erfolgt dabei in einem definierten Koordinatensystem wie folgt:
 l01  l1    l02  l2 
2
X 
 x22
2x2
 l01  l1    l03  l3 
2
Y
2
Z 
2
 x32  y32  2x3 X
2 y3
 l01  l1 
2
(1)
 X 2 Y 2
In der Gleichung (1) sind Δl1, Δl2, Δl3 die relativen Längenmesswerte der verwendeten Interferometer. Der Parametervektor ps = [x2, x3, y3]T repräsentiert die Standortposition des einzelnen Mikrorackermoduls und l0 = [l01, l02]T
die unbekannte Absolutlänge. Es ist zu erkennen, dass die
X- Koordinate nur von den ersten beiden Referenzpunkten
und die Y- Koordinate wiederum von X, abhängt. Bei der
Trilateration ergeben sich für die Z- Koordinate zwei Lösungen, jedoch kann in der Regel eine der Lösungen
durch Auswahl eines geeigneten Koordinatensystems
ausgeschlossen werden. Um das vorgestellte Verfahren
anwenden zu können, müssen sowohl Standortpositionen
ps als auch Absolutlängen l0 in Bezug auf einen Koordinatenursprung mit Hilfe eines Kalibrierverfahrens identifiziert werden. Dies wird durch die Integration eines vierten
Mikrotrackermoduls im System ermöglicht. Das Kalibrierverfahren benötigt daher kein Referenzmesssystem
und kann somit die Parameter auf Basis eines Optimierungsalgorithmus selbst finden. Die Parameter in der
nichtlinearen Zielfunktion werden durch eine Anzahl M
der Messpunkte im Raum mit Hilfe eines globalen Optimierers geschätzt. Durch das vierte Mikrotrackermodul
steigt die Zahl der Parameter insgesamt auf neun. Betrachtet man nun die Parametervektoren, so muss ps = [x2,
x3, y3, x4, y4, z4]T nur einmal identifiziert werden. Der
Vektor l0 = [l01, l02, l03]T hingegen muss nach Systeminitialisierung neu ermittelt werden, da die Absolutlängen bei
jeder Messung unterschiedlich sein können.
3
Zusammenfassung
Ein Mikrolasertrackersystem mit mikrotechnischen Subsystemen ermöglicht die Positionsregelung von Robotersystemen. Die Kostenreduktion durch Nutzung der
Mikrotechnik eröffnet dabei die Möglichkeit präzise Interferometer und Mikrospiegelsysteme einzusetzen.
Dadurch kann das System als Multisensorsystem ausgelegt werden. Die Verwendung als Multisensorsystem eröffnet die Möglichkeit der Koordination mehrerer Robotersysteme für Handhabungs- und Montageprozesse. Mit
Hilfe des µMLTS kann also ein globales Koordinatensystem definiert werden an dem sich die Koordinatensysteme
einzelner Robotersystem durch Koordinatentransformation orientieren können.
Die im Einzelnen vorgestellten Subsysteme werden wie in
Bild 9 gezeigt mit einer einfachen feinwerktechnischen
Konstruktion zueinander positioniert und in einem Gehäuse untergebracht.
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Bild 9 Zusammenbau eines Mikrotrackermoduls.
Die Spezifikationen der Subsystemen lassen eine Auflösung des Gesamtsystems bei einem Messvolumen von
1 m x 1 m x 1 m von wenigen Mikrometern erwarten.
Die Förderung durch den BMBF erfolgt im Rahmen des
Projektes „Kompetenzdreieck Optische Mikrosysteme“
(KD OptiMi, FKZ: 16SV5473).
4
Literatur
[1] Markweg, E.; Nguyen, T. T.; Weinberger, S.; Ament
C.; Hoffmann, M.: Development of a miniaturized
multisensory positioning device for laser dicing
technology, Physics Procedia Vol. 12, Part 2, 2011,
S. 390-398, Laser in Manufacturing 2011
[2] Hoffmann, M.; Kopka, P.; Voges, E.: Low-Loss Fiber-Matched Low-Temperature PECVD Waveguides
with Small-Core Dimensions for Optical Communication Systems, IEEE Photonics Technology Letters,
Vol. 9, No. 9, S. 1238-1240, 1997
[3] Jestel, D.; Baus, A.; Voges, E.: Integrated - optic
Michelson - interferometer in glass with thermooptic
phase modulation for high resolution displacement
detection, Proc. 6th International Conference on Optical Fiber Sensors, Paris 1989
[4] Hoffmann, M, Dickhut S and Voges E; Fiber ribbon
alignment structures based on rhombus-shaped
channels in silicon, IEEE Photon. Technol. Lett. 12
828–30, 2000
[5] Weinberger, Stefan; Hoffmann, Martin: Aluminum
nitride supported 1D micromirror with static rotation
angle >11° In: Proc. SPIE 8616, MOEMS and Miniaturized Systems XII, 86160E, 2013
[6] Markweg, E; Schädel, M.; Nguyen, T.T.; Brodersen,
O.; Ament, C.; Hoffmann, M.: Integration of a position photodiode for a micro multi laser tracker system, In: Smart Systems Integration, Amsterdam,
March 13-14, 2013 / T. Gessner (Editor). - VDE
Verlag; 2013
[7] Nguyen, T. T.; Nguyen, Q. T.; Amthor, A.; Ament,
C.: Control of a multi laser tracker system used as a
position feedback sensor Proc. IASTED International
Conference, Modelling, Identification, and Control,
AsiaMIC , Phuket 2010
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