新型Nano-CMM二维定位平台“共平面”结构研究

　　三坐标测量机自1959年问世以来,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领域[1]。近年来,由于微纳米技术的发展,尺寸微小化产品的生产迫切需要研究真正测量层面上的纳米精度三维测量,纳米三坐标测量机是检测这类产品的优良工具[2]。

　　在纳米三坐标测量机中,精密二维定位平台是影响整台仪器精度和效率的重要部件[3]。如何做到具有毫米级行程、纳米级定位精度的二维定位平台一直是国内外研究的难题。目前,市面上有售的二维微动定位平台存在一些缺陷[4],双轴定位平台大多以堆栈方式组成,也就是采用两个一维定位平台堆栈起来构成二维微动定位平台,这样多层结构往往使各导轨面之间以及平台与导轨面之间间距较大,阿贝误差不容易控制。通过引入“共平面”导向模式,可以克服堆栈结构的缺点,实现近零阿贝误差。

　　1　“共平面”模型设计

　　1·1　传统二维定位平台

　　(1)传统二维定位平台工作原理

　　传统的二维定位平台大多采用堆栈结构[5]。堆栈结构分为上下两层和平台。上层结构受到驱动时在下层结构上滑动,形成Y维运动;而平台在受到驱动时在上层结构上滑动,形成X维运动。这种结构实际上是通过将两个一维运动堆栈起来,合成二维定位平台。如图1所示。

　　(2)传统二维定位平台阿贝误差分析

　　阿贝误差是在测量过程中违反阿贝原则所引起的测量误差。所谓阿贝原则就是要求被测长度与基准长度安置在同一直线上的原则。作为基准件的刻线尺与被测长度如果不在同一直线上,即不符合阿贝原则,如图2所示。因主尺导引面的直线度,会产生测量误差Δ。

　　Δ=L-L′=stanα≈sα　　(1)

　　式中:L为被测物长度实测值,L′为被测物的基准长度值,s为基准件的刻线尺与被测长度的间距,即阿贝臂。

　　由于加工不可能将主尺导引面的直线度降为零,所以当阿贝臂s越大,阿贝误差Δ就越大。对于堆栈结构的二维定位平台,结合图1看,上下两层结构导轨导向面的直线度是引起二维运动阿贝误差的直接原因。X维运动导轨s=L1,产生的阿贝测量误差Δ=stanα≈sα=L1α。Y维运动导轨s=L2,产生的阿贝测量误差Δ=stanα≈sα=L2α。可以看出阿贝臂L1、L2越大,引起的阿贝误差越大。并且X、Y二维的阿贝误差是不相等的,显然这种堆栈结构两维的运动状态是不相同的。在实际加工中误差不可避免,只要基准件的刻线尺与被测长度不在同一直线上,由主尺导引面的直线度误差引起的α必然存在。因此,减小阿贝臂s值是减小阿贝误差的直接有效途径。