气导轨的气膜厚度大概只有 10μm 左右,在使用过程中防尘显得很重要,若不保证洁净的环境,导轨有可能因为灰尘而受损伤,这种损伤常常是难以修复的。
1.4.2 传动系统 传统的传动方法为滚珠丝杠传动,精密仪器一般用 C0 级滚珠丝杠,利用闭环控制目前最高可达到 0.01μm 的定位精度。
利用滚珠丝杠的微小弹性变形原理,也可实现纳米分辨率的进给,但在进行非球面等轮廓曲线跟踪时,滚珠丝杠的精度及其在运动中的微小振动都会对系统的静态特性与动态特性产生影响。
国防科技大学利用微进给系统补偿轮廓误差,在对半径为 50 mm 的圆进行跟踪试验时,跟踪定位精度可达 0.033μm。
静压丝杠的丝杠和螺母不直接接触,有一层高压膜相隔,所以没有摩擦引起的爬行和反向间隙,而且可以长期保持精度,进给分辨率也会更高。
由于介质膜(油、空气)有匀化作用,可以提高进给精度,在较长行程上,可以达到纳米的定位分辨率。
目前的空气静压丝杠分辨率可达到 0.01μm,进给精度比 C0 级丝杠高 2 个数量级。
但它的刚度比较小,直径 25mm,导程为 10mm 的空气静压丝杠,刚度可达到 50N/μm。
摩擦驱动可以实现无反向间隙的传动,由于结构上比较简单,因而弹性变形因素大为减少,所以一直被认为是一种非常适合精密的传动系统。
一般的摩擦驱动机构的结构和齿轮齿条相似,可以把电机的回转运动直接转换为直线 6运动。
英国 Rank Tailor Hobson 公司开发的 Nanoform 600 精密镜面仪器的进给机构采用了这种装置,300mm 的行程上可获得 1.25nm 分辨率,±0.1μm 的定位精度。
最近,由国防科技大学设计的一种扭轮摩擦传动系统,模拟丝杠的传动原理,大大提高了系统的进给分辨率。
从原理上说,利用分辨率为六万分之一转的电机驱动,系统可达 0.1nm 级水平的进给分辨率。
1.4.3 尺寸测量技术 尺寸测量技术在精密领域尺寸测量主要有 2 种技术:一是激光干涉技术,二是光栅技术。
激光干涉仪分辨率高,最高可达 0.3nm,一般为 1.25nm;测量范围大,可达几十米;测量精度高,日本和美国的使用精度都可到 0.2×10-6,但使用困难,特别是高精度测量,激光波长受温度、湿度、压力的影响比较大,因此使用过程中对环境要求很苛刻。
近年来精密领域越来越多地选用光栅作为测量工具。
从分辨率上看,HEIDENHAIN 的 LIP382 型开启式直线编码器可达 1nm,俄罗斯的全息光栅系统达 10nm,北京光电量仪研究中心的光栅系统分辨率可达 0.1nm;从测量长度看,LIP382 型光栅尺测量范围 70mm,分辨率为 5nm 的 LIP401 型测量长度可达 220mm; ,精度上,HEIDENHAIN 的 LIP401 的准确度为±0.2μm(ML≤220 mm)± 0.1μm(ML≤100mm),俄罗斯的全息光栅精度是±0.1μm,LG100 光栅系统分辨率可达 0.1nm, 8测量范围 100 mm,精度±0.01μm 。
单从分辨率和精度上看,光栅技术可以和激光干涉技术相媲美,对环境的要求相对较低,可以满足纳米精度的使用要求,特别是相位光栅,是一种非常有前途的精测量工具。
7 2 超精密三坐标测量仪整机机构介绍2.1 总体布局 三坐标测量仪是近三十年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。
它以精密机械为基础,综合电子技术、数控技术、计算机技术以及精密位移技术为一体的高技术、高精度、高效率的精密仪器,并广泛用于机械制造的检测、电子、汽车和航空航天等工业中。
可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测,例如箱体、导轨、蜗轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮、形体等空间型面的测量。
此外,还可用于画线、定中心孔、光刻集成电路等,并可对连续曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等。
由于它的通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、能与柔性制造系统相连接,已成为一类大型精密仪器,有“测量中心”之称。
我这次设计的超精密三坐标测量仪总体布局如图 2-1 所示。
结构整体为移动桥式结构,这种结构简单、紧凑、刚度好,具有较开阔的空间。
工件安装在固定的工作台上,承载能力较强,工件质量对测量仪的动态性能没有影响;工作台采用人造花岗岩材料,其主要优点是变形小、稳定性好、不生锈,易于作平面加工,易于达到比铸铁更高的平面度,