微型三坐标测量机定位精度的研究

　　0　前言

　　精密定位是微型三坐标测量机的一项关键技术。传统的机械传动式定位机构,由于存在着大的机械间隙、摩擦力及爬行现象,其运动精度难以达到亚微米级。柔性支承微动机构是近年发展起来的一种新型的精密定位机构。它的特点是结构紧凑、体积很小,可以做到无机械摩擦、无间隙,具有较高的位移分辨率,使用压电或电致伸缩器件驱动,不仅控制简单,而且很容易实现亚微米直至纳米级的精度,同时不产生噪声和发热,适于各种介质环境工作,是精密机械中理想的精密定位机构。但由于这种机构的工作行程有限,无法实现大行程的定位。为解决大行程和高精度的矛盾,现在一般采用了二级定位的方法。本文作者着重介绍如何构建粗定位闭环控制系统[1],有效地提高粗定位驱动器运动精度,使其定位误差小于精定位驱动器的工作行程,以实现系统的定位精度要求。

　　1　系统介绍

　　西安交通大学精密工程研究所研制的微型三坐标测量机,测量范围为25mm×25mm×0·4mm,系统横向(X轴与Y轴)定位精度要求为30nm。为实现这一要求,采用了步进电机和压电陶瓷相结合的二级定位方式[2]。步进电机作为粗定位驱动器,工作行程为25mm,台面尺寸为76mm×76mm,步距角为0·02°。滑道采用了高精度滚珠导轨结构,不锈钢调节丝杆,螺杆导程为0·5mm。步进电机粗定位平台的最小分辨率达到0·04μm,系统对于粗定位平台的定位精度要求为3μm。压电陶瓷微驱动器作为精定位驱动器,采用低压驱动,工作电压为100V,工作行程为5μm,最小分辨率为2nm,整个行程范围内要求的定位精度为30nm。为了精确测量压电陶瓷微驱动器的位移,选用德国SIOS公司的的MI5000小型氦氖双频激光干涉仪作为压电陶瓷微驱动器位移检测模块[3]。采用三角法非接触式激光测头,测量量程为0·2mm,测量距离为10mm,其特点是允许较高的测量速度,它与工件不接触,测量力为零,不破坏被测物体表面,可测量软质物体和易于划伤的光滑精细表面。系统同时利用误差补偿技术,由工业控制计算机进行总体闭环控制。

　　系统的控制流程图如图1所示,微型三坐标测量机的照片如图2所示。

　　2　步进电机控制系统

　　步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。

　　2·1　步进电机启动与停止控制