纳米三坐标测量机误差分离方法

　　引言

　　现有工业级的三坐标测量机难以实现纳米级的测量,因此近年来精度达纳米级且体积微型化的三维测量设备研究受到重视,只通过机械零件的加工和安装精度无法实现纳米级测量精度,必须利用实时误差感测及补偿系统。纳米测量机的测量精度取决于许多因素的交互影响[1~3],各个误差之间存在着相关性。纳米三坐标测量机工作时,主要利用双频激光干涉仪、激光自准直仪和测微仪组合进行常见误差的分离[1~2]。激光干涉仪和激光自准直仪工作时存在发热和震动,但又必须和测量机放在同一工作环境下,这会使测量机产生附加的误差,因此必须选择合适的标定设备对误差进行分离。本文根据纳米三坐标测量机的结构和精度要求,利用SIOS 微型三光束平面激光干涉仪设计相应的误差分离方案,以实现测量机多误差一次性高精度分离。

　　1　纳米三坐标测量机结构和误差分析

　　纳米三坐标测量机结构如图1所示[3~5],由机台、工作平台、精密磁悬浮导轨、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,由纳米二维定位平台移动实现X、Y方向瞄准定位。测量范围25 mm×25 mm×10 mm,单轴不确定度为10 nm。整台测量机放置在控温精度为0·02℃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殷钢制作,机台台面由花岗岩制作。XY工作平台采用了共平面运动、力平衡和热平衡设计理念。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设计的。由于二维平面光栅安装在定位平台下方,光栅与平台表面存在平行度误差,因此测量机存在由直线度角运动误差引起的阿贝误差。同时测量机还存在标准量示值误差、导轨线值误差、热变形误差、测头瞄准误差、动态误差、软件误差等[3~6]。

　　2　SP2000-TR型三光束平面镜干涉仪原理

　　为了建立测量机的精确误差模型,必须精确、时地分离测量机的各个单项误差。从上述分析可以看出,测量机能够分离导轨系统的直线度角运动误差、直线度线值误差和二维平面光栅的示值误差,这些量受外界环境温度的影响较大,因此分离这些误差的标准设备必须与测量机同时放置在恒温箱内部,而且设备不能产生附加的热量使恒温箱的环境温度发生变化,不同种类的误差必须同时分离并加以补偿,才能保证测量机的实时测量精度。选择两台德国SIOS公司的SP2000型微型三光束平面镜干涉仪设计误差分离方案,同时测量X、Y、Z方向的标准量示值误差、导轨线值误差和导轨直线度运动误差。

　　SP2000-TR型三光束平面镜干涉仪一个光束的工作原理和光束分布图[7]如图2所示,其结构图如图3所示。干涉仪测量头由对准仪、参考镜、光分配器和光电二极管组成。干涉仪和激光源通过光导纤维连接,连接的距离可达3~25 m。激光源、处理电箱和显示器可以安装在恒温箱外面,将激光源与纳米测量机分开,消除了由于光源发热和震动引起的附加误差。干涉仪的测量方式是通过光导纤维将耦合激光引入干涉仪,对准仪将激光对准。对准的激光在光分配器处分成两路,一路向上在参考镜上反射回来,另一路从光阑射出,照在测量镜上,并反射回来。两路反射光再通过光分配器进入光电二极管干涉环节,通过光电二极管对光波实现倍频,成倍提高光波的干涉分辨率。激光器输出波长为0·632 8μm激光,要达到1·24 nm的分辨率,必须进行9倍频细分(λ/29=1·24 nm)。经过细分后的两路光源存在光程的差别,而且在相位上有所区别,通过相位识别环节和计数环节,测出被测物的位置及运动方向。干涉仪测量范围为0~2 000 mm,SP2000-TR型干涉仪可以同时实现同一方向3个长度的测量,3束激光来源于同一光源,具有相同的波长。在测量过程中,由于测量镜是固定在测量机移动部件上,测量镜面与激光难免有一定的倾斜,激光干涉仪中的偏光仪特殊设计对一定的倾斜角度(2″)是允许的,可以通过Δl=l(1-cosα)(其中Δl为长度测量误差,l为激光通过的距离,α为水平或垂直方向倾斜角度)进行补偿。角度可以通过干涉仪3个光束的测量结果由α=arctanl3-l2A2(垂直方向)或α=arctanl2-l1A1(水平方向)计算得到。其中l1、l2、l3分别为三束激光测量的距离,A1、A2为两光束之间距离,为11·973 mm和11·974 mm。分辨力为0·01″。