纳米级大尺度超精密线位移测量方法的研究

　　1　引言

　　随着超精密加工技术不断往纳米级加工精度的发展,运动范围为400~1 000 mm超精密机床加工面形精度已达λ/4~λ/10,其中λ-0·633μm,表面粗糙度Ra已达纳米量级,测量反馈系统分辨率为100~0·1 nm。这就要求超精密测量系统具有测量误差≤100 nm、测量分辨率≤2 nm、测量范围≥400mm的能力,并解决了相应的量值溯源、检测方法和误差分析理论等相应问题。这些问题如不解决,纳米级超精密加工就无从谈起,超精密加工技术的发展要求超精密测量相应发展,以创造必要的支撑条件。

　　目前纳米级线位移常用测量仪器如以下几种[1]:(1)光栅线位移传感器,分辨率为1 nm,测量范围为500 mm;(2)激光干涉仪,分辨率为0·1~10nm,测量范围大于1 m;(3)原子力显微镜(AFM)和扫描探针显微镜(SPM),分辨率为亚纳米级,测量范围为几十微米;(4)扫描电子显微镜(SEM),分辨率为1 nm,测量范围为水平方向为几毫米。从上述几种测量仪器测量范围和分辨率可知,除光栅线位移传感器和激光干涉仪外,其它仪器即使分辨率可满足要求,但测量范围却不能满足测量大长度的需求,这类仪器一般用来测量微位移。而采用光栅线位移传感器和激光干涉仪检测机床定位精度,则由于存在量值传递的溯源问题而无法给出可信任的检测精度。宏微线位移测量方法是针对超精密加工机床和加工件精度要求、结合现有仪器水平提出的大尺度纳米级线位移误差检测方法,可以解决纳米级超精密机床的检测问题。

　　2　宏微线位移检测方法

　　任何量值的检测仪器都可能有检测范围小于实际检测要求的情况,特别是纳米级线位移检测更是如此。在纳米级超精密机床的检测中,本文提出的宏微线位移检测方法能够体现运动误差的细观规律,是对其运动定位系统的整体性能的综合检测。在整个检测过程中对环境温度要进行监测和控制[2]。

　　2·1　宏线位移检测方法

　　如图1所示,采用符合检测要求并经过检定的仪器对行程全长进行检测,要求仪器的分辨率R、检测环境条件和标准状态下的有关检定精度Δj应符合检测要求,这样可以检测出全长误差规律。此时的检测误差源为检测环境条件误差Δt、测试误差Δc和仪器检定精度Δj。依据文献[2],标准偏差s应根据贝塞耳公式计算,即,

　　2·2　微线位移和总体精度

　　如图1所示,微线位移的检测方法对任意检测段A、B、C、D等进行检测,任意两相邻检测段必须互相覆盖,这样可以检测出任意区间的纳米级误差但在检测过程中有相应规定:一是检测仪器分辨率要高于系统精度3倍;二是检测步距应等于被检测运动系统的最小移动步距;三是检测范围应尽可能大。则微线位移误差Δw为: