纳米测量机工作台导轨高精度误差分离原理

　　在纳米科技领域里,不论是纳米测量、控制还是加工,都需要高精度的纳米定位平台为载具.但是,单由机械零件的加工和安装精度来实现纳米级的定位精度是不可能的,必须对纳米工作台进行详细的全误差源分析,用精度更高的仪器对纳米工作台的误差进行分离,按检定的结果进行实时修正是提高其定位精度的有效手段之一[123].纳米工作台的误差来源很多,有标准量误差、阿贝误差和温度误差等.纳米工作平台的标准量误差可以通过激光干涉法进行修正;温度误差分布比较复杂,难于分离与修正,只能利用控制纳米工作台工作环境温度偏差大小来控制温度误差[4,5].阿贝误差是由导轨系统不完善性产生的直线度运动误差和角运动误差引起的,因此,对导轨直线度运动误差和角运动误差进行分离成为能否对纳米平台误差进行修正的关键.传统分析阿贝误差的方法认为,工作台旋转中心是工作台中心点,但工作台实际旋转中心是时变的,在不同运动位置时的瞬时旋转中心也不同.如果按照传统方法进行误差修正,计算阿贝误差使用的不同测量点的阿贝臂长度不准确,从而使得误差修正结果不准确.本文介绍一种基于速度瞬时中心的阿贝误差高精度分离方法.

　　1　微细纳米工作台运动特点

　　本文介绍的微细纳米工作台应用于基于正交坐标系、单轴测量不确定度为10 nm的纳米三坐标测量机上,其结构如图1所示,由基座、工作平台、x和y向磁浮导轨、二维平面光栅、PZT压电陶瓷线性电动机等部分组成.该微细纳米工作台利用压电陶瓷线性电动机通过柔性铰链进行直接纳米定位,采用了共平面运动、力平衡和热平衡设计理念[6,7],行程为20 mm×20 mm,位移分辨率为1 nm.传统二维纳米级和精密级定位平台是利用2个一维定位平台堆栈起来的,这样存在由于单边驱动另一边感测产生的阿贝误差问题.为了解决这个问题,本文设计的xy定位平台采用了二维平面光栅进行x、y2个方向读数,二维平面光栅安装在工作平台下方.精密导轨采用磁浮滑动导轨.定位平台几何机构完全对称,工作平台、磁浮滑动导轨、基座由低热膨胀系数材料殷钢(Invar Steel)制作.纳米二维定位平台是纳米三坐标测量机的一部分,工作时放置在控温精度为0.05°C的隔震恒温箱内.从纳米工作台的结构分析可知,工作平台的读数光栅引起的定位误差、导轨系统不完善引起的直线度运动误差和角运动误差以及温度误差成为纳米工作台的主要误差来源.由于磁浮导轨系统的不完善,工作平台在进行x或y向直线运动时,其移动轨迹可能偏离直线,在y、z或x、z方向会产生附加的直线偏移,同时绕x、y、z3轴回转,产生角运动误差.因此,工作平台在做直线运动时存在直线度误差的平移与回转复合运动.