一种微型三坐标测量机桥架结构的新型设计

　　三坐标测量机(CMM)自1959年问世以来,经过40多年的发展,已广泛应用于三维复杂零件的尺寸、形状和相互位置的高精度测量,以及实物模型数字化和在线质量控制等领域。三坐标测量机具有很大的通用性与柔性,从原理上说,可以测量任何工件的任何几何元素的任何参数[1]。近年来,由于微纳米技术的兴起,使得产品趋于微细化,当器件尺寸小到几厘米且公差要求在亚微米以下时,传统的三坐标测量机已不敷使用,需要有超精密型三坐标测量机的研制,以适应超精加工与科学技术发展的需要。

　　微型三坐标测量机的研制在国内外许多研究单位成为重点研究对象,但大多数都是在传统三座标测量机结构基础上开发测量系统以及探头系统,如日本东京大学Takamasu主持开发的NanoCMM,在传统结构基础上进行100倍缩小设计[2];德国联邦物理技术研究院(PTB)在商用高精度三坐标测量机基础上的开发探头系统[3];荷兰Eindhoven大学的高精度3D-CMM[4],采用三点对称式机台设计,符合阿贝原理的位置感测,却需昂贵的定位与激光干涉仪测量设备。直到最近才有一些研究单位提出了新型的三坐标测量机结构,如三角形横梁的使用[1]等。而一直被忽略的三坐标测量机机架结构的设计在微纳米测量中却凸现为影响其精度的重要因素。

　　本研究提出了一种新型的适用于微三维测量的拱形桥架结构设计,此结构具有高度的对称性,对比于传统的矩形桥架结构,承载Z轴测量系统的桥架中间位置具有更好的稳定性,力变形、热变形非常小;动态谐响应下,位移幅值变化小,在测量过程中具有高可靠性。

　　1　拱形桥架结构的设计观念

　　精密三坐标测量机通常采用矩形桥架结构固定Z轴的测头,如图1所示,由于主轴的集中负载,使得桥架的中心产生非常显著的变形;而本研究中开发的固定拱形桥架结构,如图2所示,在对称的中心负载Z轴,由于其结构的高度对称以及拱形本身的应力特性使得中心部分的力学变形对比于传统结构会有显著减小。拱形桥架结构的设计尺寸为外径220mm,内径150mm,桥面宽为60mm,垫块高度为40mm。

　　2　静态分析

　　2·1　静态力学分析

　　根据结构力学概念,无铰矩形桥架结构与拱形桥架结构均为三次超静定系统,其中心变形量可采用“单位载荷法”求得[5]。

　　式中:F为Z轴施加的力, N;R为等效拱形半径,m;E为弹性模量, N/m2;I为截面二次轴距(惯性矩), m4。

　　对比矩形桥架结构与拱形桥架结构,矩形截面设计为相应的尺寸60mm×70mm,当Z轴施加力F为29·4N时,可得到两种结构中心变形的具体尺寸。式(1)为矩形桥架结构中心变形位移量,式(2)为拱形桥架中心变形位移量。