宏微进给系统位置精度的误差补偿

　　随着国内外对宏微驱动系统研究的深入，在超精密加工中运用越来越广泛，因此研究大行程宏微驱动系统尤为必要。20 世纪80 年代的中后期，国内外学者相继提出了宏/微双重驱动微操作系统的初步想法[1，2 ]。经过近20 年的探索，不论是从理论论证还是从实际应用的情况，都证明了宏微双重驱动微操作系统在很多方面的性能优于传统的采用单一驱动方式的微操作系统。目前它是实现高精度定位的一种有效手段[3 ～ 5]。一般由柔性铰链构建的微动台，其驱动依靠微驱动器[6]。笔者设计了基于压电型微驱动器的宏微双驱动精密定位系统，结构如图1 所示。在系统设计出来以后精度检测和误差补偿将是非常重要的。

　　宏微进给系统的进给精度需要测量，而要提高精度就要误差补偿。提高进给精度有两种基本方法[7]: 误差预防法和误差补偿法。误差预防是通过合理的结构设计、零件加工、设备装配、环境控制来消除或减少可能的误差源，是保障数控设备精度最根本、最有效的手段; 误差补偿是通过检测机构各种误差或分析误差成因，依据检定结果及误差模型对进给轴的运动进行适当的修正来提高机床精度。进给系统误差补偿的基本思想就是人为地造出一种附加的补偿量去抵消或大大减少当前成为问题的原始误差。通过测量、分析、统计及归纳等措施掌握原始误差的特点和规律，建立误差数学模型，尽量使人为造出的补偿量与原始误差二者的大小相等、方向相反，从而减少加工误差，提高零件的加工精度。误差补偿一般有两种方法: 一是实时检测反馈补偿，根据在线检测的信息进行实时补偿; 二是预测前馈补偿，通过进给精度标定，补差机构预知误差。笔者利用RENISHAW 激光干涉仪对设计的宏微进给系统的进给位置精度进行了检测，分析了误差的特点和规律，利用可编程多轴运动控制卡PMAC 的丝杠补偿表和间隙补偿表功能对其进行了补偿，明显提高宏微进给系统进给方向的位置精度。

　　1 宏微进给机构

　　宏微机构系统模型( 如图1) 的宏动部分采用高精度伺服电机和丝杠机构组成，这种形式的传动结构紧凑，刚度较大。宏动台由宏动台导轨导向。微动台安装在宏动台上，由弹性铰链和压电型驱动器构成。压电驱动器输出位移，微动台导轨进行导向。

　　2 位置精度的检测

　　宏微进给系统的精度测量由激光干涉仪完成。激光干涉仪的组成部件主要有激光器、环境补偿装置、线性测量镜组、角度测量镜组、直线度测量镜组、三脚架等，能够测量包括定位精度和重复定位精度、直线度、角度测量等多种运动误差。激光干涉仪的线性测量原理见图2 所示。线性反射镜和分光镜组合到一起，为线性干涉镜。激光器的光束射入线性干涉镜后，分为两道光束。一道光束( 称为参考光束) 射向连接分光镜的反射镜，而第二道光束( 测量光束) 则通过分光镜射入第二个反射镜。这两道光束经过反射回到分光镜，重新汇聚之后返回激光头，探测器监控两道光束间的干涉。在线性测量时，其中一个光学元件保持不变，而另一个则沿着线性轴移动。通过计算两道光束光程差的变化实现线性轴的位移测量。按实验目的安装RENISHAW XL80 双频激光干涉仪的线性测长镜组; 安装环境补偿装置( 执行激光波长补偿及材料热膨胀补偿) 、材料传感器和环境温度传感器; 使线性干涉镜和反射镜之间的距离约为8 cm( 为了减少死程误差和材料死程误材，将干涉镜尽可能近地靠近线性反射镜) ; 准直光束( 反射光在测量软件上显示满格，使余弦误差最小) 。