纳米三坐标测量机不确定度分析与精度设计

　　纳米技术所涵盖的尺寸范围从0. 1~100 nm,在10 nm以下(或称深纳米)大多为科学领域的前沿研究,如原子排列、分子结构等.而在10 ~100 nm之间(或称微纳米),有广大的纳米工程技术可探索的空间,如纳米碳管、MEMS组件、光通讯组件等.一般而言,科学家们所称的纳米测量技术仍局限于使用纳米级扫描探针显微镜实现的深纳米一维测量.而目前迅速发展的微器件的几何特征尺寸,多集中于介观范围(数毫米至数微米),精度参数多为微纳米数量级(数微米至10 nm),如微齿轮、微透镜、光开关等.对于这些微小的测量对象现有工业级的三坐标测量机存在以下几个主要缺点:体积过大、仅有微米级测量精度、测量范围过大难以实现纳米级的分辨率、探头直径过大和测量力过大,因此近年来精度达纳米级且体积微型化的三维测量设备的研制受到世界各国的重视,如美国NIST的分子测量机(MMM)[1]、日本东京大学的Nano2CMM[2]和台湾大学精密测量实验室的纳米三坐标测量机[3]等.笔者介绍的纳米三坐标测量机(简称Nano2CMM)是国家自然科学基金重大国际合作项目,它是在考虑共平面设计、机械结构设计的力平衡以及热平衡等精度设计理论的基础上对纳米三维测量机的机台、纳米级二维定位平台和Z轴的结构进行设计,通过研究现代精度保障理论与技术实现测量机的低成本和纳米级高精度,其测量范围为25 mm×25 mm×10 mm,单轴不确定度为10 nm.

　　1　Nano2CMM的工作原理和结构

　　Nano2CMM的工作原理与一般三坐标测量机相似,以正交坐标系作为基础,可以实现微纳米级三维内外尺寸及表面形貌测量.其结构如图1和图2所示,由机台、工作平台、精密滑动导轨、压电陶瓷线性马达和二维平面光栅尺、Z轴和测头组成.测量时Z轴带动测头在Z向上下移动进行瞄准,X、Y方向的定位是由纳米二维定位平台进行X、Y方向移动实现瞄准定位.机台采用了新型四面对称式结构,具有结构简单、力平衡及热平衡的特点,可以使机台变形引起的测量误差达到最小.机台外部用轻质材料装饰成能映射中国古代宫殿的造型,使其具有独特的中国风格.工作平台、压电陶瓷马达、精密导轨和纳米级测量精度二维平面光栅组成了纳米级二维定位平台,为了解决传统利用2个一维定位平台堆栈起来的两维纳米定位平台中由于单边驱动另一边感测而存在的阿贝误差问题,XY定位平台采用了共平面运动、力平衡和热平衡设计理念.当运动导向面(导轨面)不垂直时,放置在工作平台台面上的工件的实际位移与安置在导轨侧边的位置传感器所感测的位移有所偏差,此偏差会随运动轴与测量轴的偏移距离增大而增大.因此利用共平面运动设计理念将定位平台两维运动的导向面设计成同一高度平面,2个测量轴也尽可能接近此平面,使导轨垂直面内直线度误差引起的阿贝误差接近于零.精密导轨采用表面复合一层低摩擦系数的薄膜(Teflon)并经高精度研磨的圆棒作为滑动导轨.定位平台几何机构完全对称,X及Y轴均为双对称驱动方式,实现了力平衡和热平衡的设计理念.二维平面光栅安装在工作平台下面,解决了在X、Y2个方向存在的阿贝误差问题.被测物体安放在定位平台上,压电陶瓷线性马达驱动工作平台带动被测物体进行水平面内X、Y方向移动,Z轴的结构是在考虑力平衡、热平衡和轻量化设计理念基础上进行设计的,其带动测头沿Z方向移动进行瞄准被测点;水平面内X、Y方向移动的距离由二维平面光栅测得,Z向移动的距离由Z轴内部的一维光栅测得,从而获得被测点的三维坐标值.整台测量机放置在控温精度为0.05℃的恒温箱内进行测量,机台桥架、工作平台、精密滑动导轨和Z轴由低热膨胀系数材料钢(InvarSteel)制作,机台台面为花岗岩制作.