High precision profile measurement using an improved and generalized technique for error signal separation In-Oh HWANG

Abstract

In this study, a novel multi-probe error signal separation technique is proposed that can effectively separate the error motion signals introduced into the measurement of surface profile. The proposed "generalized multi- probe error signal separation technique" is designed to provide a new circulant matrix model based multi-probe method to solve the problem that the existing multi-probe methods are only applicable to the limited target surface profiles. Based on this approach, a generalized design method is proposed that enables the reconstruction of the surface profile and the avoidance of the divergence problem of the system that occurs in the process of surface profile measurement. In addition, a measurement method is developed that enables the measurement of dense high-frequency profiles, which has been a limitation of non-periodic surface profile measurement. Simulation tests and experimental verifications are performed to verify the performance of the method for measuring periodic and non-periodic signals. The simulation test confirmed that a stable system design is possible for the measurement of periodic signals, and the measurement comparison experiment with the existing single-probe measurement method showed an improvement of 164% for surface profile evaluation. In addition, the simulation test confirmed the possibility of a stable design for the measurement of non-periodic signals, and the measurement result compared with the existing multi-probe error separation method, the integral method, showed a 71.3% improvement in surface profile measurement performance. Finally, using the developed method, application methods for three-dimensional surface profile measurement systems such as cylindrical and flatness profile were proposed and confirmed, and it was confirmed that not only the measurement of surface profile but also the measurement of multi-degree-of-freedom error motion was possible through error separation by applying it to a five-degree-of-freedom rotary error motion measurement system and a straight error motion measurement system. As a result, a generalized multi-probe error signal separation technology was developed that enables high-precision measurement of surface profile measurement and convenient design.|본 연구에서는 표면 형상의 측정에 유입되는 오차운동 신호를 효과적으로 분리할 수 있는 멀티프로브 오차신호 분리기술의 새로운 방법을 제안한다. 제안되는 ‘일반화 멀티프로브 오차 신호 분리 기술’은 제한된 대상 표면 프로파일만의 적용 가능한 기존 멀티프로브 방법들의 문제점을 새로운 순환 행렬 모델 기반의 멀티프로브 방법을 제공하여 해결한다. 이를 기반으로 멀티프로브 시스템 기반의 형상 프로파일 측정 과정에서 발생하는 시스템의 발산 문제의 회피설계가 가능한 일반화된 안정화 설계 방법을 제안한다. 또한 비주기 형상 프로파일 측정의 한계로 작용해온 고밀도 고주파 프로파일 측정이 가능한 측정 방법을 개발한다. 시뮬레이션 검증 및 실험 검증을 통해 주기 신호의 측정과 비주기 신호의 측정 대한 성능 검증을 수행하였다. 주기 신호의 측정에 대해 안정화 시스템 설계가 가능함이 시뮬레이션 테스트를 통해 확인되었으며, 기존 단일 프로브 측정 방법과의 측정 비교 실험을 통해 형상 프로파일 평가에 대해 164%만큼 개선된 결과를 확인하였다. 또한 비주기 신호 측정에 대한 안정화 설계의 가능성을 시뮬레이션 테스트로 확인하였으며, 기존 멀티프로브 오차분리방법인 적분법과 비교된 측정결과를 통해 표면 프로파일 측정 성능이 71.3% 개선됨을 확인하였다. 마지막으로 개발된 방법을 이용하여 원통도, 평면도와 같은 3차원 형상 프로파일 측정시스템에 대한 적용 방법들이 제안되고 확인되었으며, 오차분리를 통해 형상 프로파일의 측정뿐만 아니라 다자유도 오차운동의 측정이 가능함을 5자유도 회전 구동오차 측정 시스템과 진직 구동오차 측정 시스템에 적용하여 확인하였다. 이를 통하여 표면 프로파일 측정의 고정밀 측정이 가능하고 간편한 설계가 가능한 일반화된 멀티프로브 오차 신호 분리기술이 개발 되었다.