新型纳米三坐标测量机Z轴的研制

　　1　引　言

　　三坐标测量机是近几十年来发展起来的一种高效率的精密测量仪器。它的通用性强,测量范围大、精度高、效率高、性能好,具有十分广阔的发展前景[1]。三坐标测量机自1959年问世以来,经过近30年的发展,已广泛地应用于三维复杂零件的尺寸、形状和相互位置的高准确度测量,以及实物模型数字化和在线质量控制等领域[2]。目前许多厂家都对三坐标测量机的研制非常重视,使得三坐标测量机技术不断完善和发展。近年来,由于微纳米的发展,使得产品的尺寸趋于微小化,传统的三坐标测量机已经不能满足多种需求,因此,近几年国内外一些研究单位已在研制纳米级的三坐标测量机[3]。

　　在高精度三坐标测量机中,因为测头是安装在Z轴上的,Z方向测量精度和分辨率对整个三坐标机的影响较大,因此Z轴的设计非常重要。传统的三坐标测量机结构以悬臂式和龙门式为主,Z向精度要求不高,通常采用电机进行驱动,Z轴的结构一般采用悬臂式,导轨采用滑动导轨,现在则有逐步被气浮式导轨所取代的趋势[4]。纳米三坐标测量机的Z轴要求行程10 mm,分辨率达到1 nm,传统的一级驱动在行程和分辨率上很难兼顾,为了解决这个问题,本文介绍了一种两级驱动式的Z轴结构,分别由一级在外部驱动和二级在内部驱动,也就是先粗动后微动最终达到要测量的位置。在合理地对结构进行了布置之后,进行了设计、校核等,最终通过有限元分析表明,该结构符合设计要求。

　　2　两级驱动式结构的工作原理

　　两级结构的工作原理为:先进行粗驱动,当到达所需位置时,由传感器信号控制粗动电机停止运行,再控制粗动电机使Z轴向回走2~3μm,这时再进行微动,由于PZT驱动微动机构,使得Z向工作台精确运动到所需位置。Z向工作台的外部驱动(粗动)采用以色列生产的纳米电机,也叫拨爪式驱动器。纳米电机精密压电陶瓷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.同一台电机可直接驱动直线运动或旋转运动.电机内部无磁场,无运动元件,结构小巧,能提供无限的行程。因为所设计的Z向工作台结构比较小,所以选择LS4系列,其参数如下:速度范围宽:-1μm/s~20 mm/s ,步分辨率高于20 nm,可用于真空环境。内部驱动(微动)采用国产的PZT,型号PTB150,具体参数:标称位移18μm,最大位移23μm,刚度40 N/μm,最大推力800 N,外形尺寸5×5×18。压电陶瓷驱动电源选用C系列压电陶瓷驱动电源,电压稳定性≥5 mV/8 h,输出电压分辨率:30 PPmF.S±10%,电压测量分辨率1%。

　　考虑到单侧驱动会加剧单侧的摩擦力,从而导致整个Z轴机构运动的不稳定,因此在机构中采用2个纳米电机从两侧同时进行驱动,工作原理如图1所示。这样可以使两侧的推力平衡,不会加剧摩擦力,不引进低速爬行,但不足之处为2个纳米电机不一定同步,可能会对机构的运行造成一定的影响,在以后的实验当中将对这个问题进行详细研究。粗动部分很容易满足大的行程,为提高微动部分的分辨率,设计了位移缩小机构,即类似杠杆的柔性铰链机构,把PZT驱动所产生的位移进行缩小,使得输出位移缩小若干倍,从而提高了机构的分辨率。如图2所示,法兰下面用来联接测头,位移的测量通过固定在纳米电机上的读数头和法兰上的长光栅测量系统来完成。选择的光栅系统为RENISHAW RG2光栅尺,重复性精度0.1μm,分辨率达10 nm,可以满足测量需要。