新型Nano-CMM二维定位平台研究

　　0　引　　言

　　三坐标测量机自1959年问世以来,已广泛应用于三维复杂零件的尺寸、形状和相互位置的高精度测量,以及实物模型数字化和在线质量控制领域[1]。近年来,由于微纳米技术的发展,尺寸微小化产品的生产迫切需要研究真正测量层面上的纳米精度三维测量,纳米三坐标测量机是检测这类产品的优良工具[2]。

　　在纳米三坐标测量机中,精密二维定位平台是影响整台仪器精度和效率的重要部件[3]。如何做到具有毫米级行程、纳米级定位精度的二维定位平台一直是国内外研究的难题。目前,市面上有售的二维微动定位平台存在[4]主要问题如下:①双轴定位平台大多以堆栈方式组成,也就是采用2个一维定位平台堆栈起来构成二维纳米定位平台,这样多层结构往往使各导轨面之间以及平台与导轨面之间间距较大,阿贝误差不容易控制;②传统滑动导轨存在低速爬行问题;③结构较少考虑到力平衡和热平衡原则[5]。

　　针对以上问题本文采用如下设计原则:

　　①引入“共平面”导向模式,克服堆栈结构的缺点,实现近零阿贝误差;②设计磁浮2滑动复合导轨,克服传统滑动导轨的低速爬行问题;③优化力平衡和系统热效应设计。

　　1　二维定位平台结构研究

　　二维定位平台由2部分构成,即驱动区和工作区,相互独立的两部分之间由柔性铰链连接并传递运动[6]。驱动区采用以色列生产的纳米电机驱动,又名压电陶瓷拨爪驱动器。纳米电机采用压电现象中的超声波驻波原理,具有优异的低速平稳性和动态特性,且结构小巧,能提供无限的行程。平台选择HR系列,驱动模式有AC、DC、STEP和GATE几种。在DC驱动模式下,纳米电机的分辨率可以达到1 nm,实现纳米级驱动定位。其他几种驱动模式的分辨率为100 nm。工作区由2层结构合成,即外层结构和内层结构[7]。如图1纳米二维定位平台实物照片所示:驱动器通过驱动推杆y推动内层结构沿y方向进给,因为平台是无间隙包含于内层结构里的,所以可以通过内层结构的移动实现平台的y向进给。驱动器通过驱动推杆x直接推动平台实现x向进给。平台一侧安装的小导轨是传递x向进给,同时避免y向进给时平台与驱动推杆x发生干涉。平台下部粘贴二维光栅片,二维光栅系统安放在平台基座腔内,构成二维定位平台闭环控制。

　　2　重点技术

　　2.1　导向模式

　　为了提高平台的定位精度,必须将阿贝误差的影响减至最小。平台采用“共平面”的导向模式,可最大程度地减小x、y二维方向上的阿贝误差。“共平面”指的是外层结构与内层结构相互运动的导向面、内层结构与平台相互运动的导向面以及二维光栅的测量面重合在同一平面上。尽可能避免堆栈结构的层层阿贝臂。可有效地减小由导轨直线度引起的阿贝误差。安装二维光栅时尽可能使光栅测量面与平台的工作面间距最小,通过减小唯一存在的阿贝臂来将阿贝误差降低到极限。平台可以通过以上2点实现“近零阿贝误差”,在理论上为实现纳米级定位提供了可能。