基于共平面二维工作平台的精密测量系统

　　随着科学技术的飞速发展,在微型机械、精密测量、超精密加工和纳米技术等领域,需要十分精确的定位.高性能的超精密定位工作台作为定位技术的载体具有重要的研究开发意义.精密定位系统一般由四部分组成:提供运动的驱动器、机械平台、感测位移的光学探测系统以及保证定位在理想位置的控制电路部分[1].实现亚微米级甚者纳米级的定位,常规的驱动和传动方式不再适合.传统的工作平台设计,采用伺服电机驱动和精密丝杠传动的方案,存在机械间隙、摩擦力以及爬行现象,其定位精度一般只能达到微米级[2,3];采用气浮导轨可以消除摩擦影响,但是成本高、体积大,使用场合受到限制[3];采用压电元件驱动,以柔性铰链为弹性导轨克服了机械摩擦等因素,可获得纳米级的定位精度,但压电元件的变形有限,一般运动范围在几十微米[2,3,4],为实现毫米级行程采用两级驱动使得系统复杂,增加误差源.而作为光学探测系统,传统技术中较大行程精密测量仪器,是基于对光栅副产生的莫尔条纹进行感测而实现微位移的量测.当计量光栅的刻线宽度接近纳米量级后,传统的莫尔条纹读取技术已经很难再被采用:光栅的工作间隔太小,容易擦伤光栅;取出的光电信号太弱,信噪比太差,很难读取.

　　本项目研究开发的共平面二维精密工作平台,引入了共平面理论,采用精密滑动导轨,一级驱动,实现25 mm×25 mm行程,结构对称,采用低膨胀系数材料以及现代润滑理论,具有力变形小、热变形小、摩擦力小的优点;作为平台的光学探测系统的LDGI系统,采用全息光栅作为分光元件,栅距小于1μm,使其衍射光束产生干涉,测量的基准为光栅栅距,显著地改善了测量的稳定性和测量精度,在25 mm行程的测量范围内,测量分辨率为1 nm,测量精度低于20 nm,具有分辨率高、精度高、成本低的特点.

　　1　共平面二维工作平台机械结构

　　刚体每一轴的运动都可能产生六个自由度的误差,即一个定位误差、两个直线度误差、三个角位移误差.当运动导向面不平直时,台面上工件的实际位移会和安置于导轨侧边的位置传感器所感测的位移有所偏差,此偏差会随运动轴与测量轴的偏离距离增大而增大,此即所谓的阿贝误差.若双轴定位平台是叠加型结构,则下层的阿贝误差将更严重.所谓共平面运动就是将工作台面与两运动轴的导向面设计成同一高度平面,如图1中为共平面X2Y工作平台的设计结构.在平台外框与Y平台上相对的地方安装压电陶瓷驱动器和LDGI系统,这种结构提高了平台的刚性.并且,由于所有的机械部分都没类似滚珠轴承或者线性滑块等会发生翻转的元件,故在运动中不会产生转动误差从而影响精度.设计中的另外一个创新点,是结构上的对称性,这就使得平台在温度变化以及驱动力影响下产生的变形减小.