一种基于基本设计原则的新型超精密的坐标测量机.doc

一种基于基本设计原则的新型超精密的坐标测量机1. 引言在当今社会，产品的使用功能经常要求零件的几何精度达到亚微米的范围。这样零件的生产过程不仅需要可靠和灵活的生产方法，而且还需要高精度的测量仪器。为了在有大的灵活性的前提下满足测量任务，皇家飞利浦电子工业技术中心成功研制出了一种新型超精密坐标测量机的原型机。这台仪器的测量范围在100*100*40 mm，以达到体积测量50nm内的不确定度。2. 这种新型超精密坐标测量机的目标这种新型超精密坐标测量机是根据以下目标而设计的：l 体积测量不确定度低于50nm;l 测量范围在100*100*40mm,其中100*100的平面对应于水平面；l 在以1mm/s的速度时，探头触发后机械轴的过移量不超过10um;l 单个机械轴的最大移动速度为10mm/s;l 能够满足测量机配合不同类型探头的能力（例如：3D测量探头，表面扫描探头）正如测量机的实际实现最为重要的是获取和发展关于高精度机器的设计，几何校准和热性能的知识。因此，该项目还涉及到以下内容：l 开发一种标定的方法和补偿的模型来减少机械结构的几何误差；l 开发出补偿模型减少因环境变化引起的误差，特别是由于温度导致的计量结构的误差。这个模型已经实现了，而且初步的评估显示误差已经得到显著的减少。更多关于校准方法，热设计考虑以及补偿模型将在下文中给出。3. 主要设计考虑精密仪器设计的机械设计方面是参照Teague和Evans的例子。他们所谓的“模式”给出了一个关于主要机械方面达到一个高的定位和测量精度的全面的描述。总之，一系列为了达到一个小的定位和测量不确定度的模型和考虑可以被分类和归结为三个主要目标，即：1. 高重复性（“设计的可重复性”）2. 小的几何校准不确定度（“设计校准”）3. 对主要误差源具有高的机械响应预测性（“设计的可预测性”）为了满足这三个主要目标，下面的设计应该考虑以下几点：l 测量系统的校准应该满足阿贝原则和布莱恩原则。相关的错误动作误差应该被测量。合适恰当的校准可以减少测量系统的数量，几何校正数据的数量，校准数量以及误差补偿模型的复杂性。l 结构和计量功能模块应该有各自单独的模块执行。这样有利于最优化设计。计量系统的设计应该以高的稳定性，可重复性以及可预测性为目标。区分那些模块必须在整个校准过程中保持稳定性（长期稳定性）以及那些模块只需要在单个机械任务保持稳定（短期的稳定性）是非常重要的。l 热效应是机械位置和测量精度非重复性的一个明显而且重要的来源。测量系统应该具有高的热稳定性，以及对热变形具有高的可预测响应性。材料的选择，合适的几何结构设计以及热绝缘是需要考虑的重要方面。l 动态要求不仅需要考虑机械的力学分析，而且还要考虑整个计量和结构循环。关于坐标测量机的计量回路，主要包括：计量构架，探头和工件之间的交互作用以及测量系统的带宽。（例如：数据采集系统）。l 计量系统几何校准的能力和不确定。使用这台仪器本身完成校准测量意味着这台仪器具有高的稳定性和可重复性来达到一个小的校准不确定度。同时应该考虑使用误差分离技术消除设备和工件的系统误差。不确定度分析是设计阶段一个重要的部分，因此必须像考虑校准系统一样考虑机械。4. 机械概念许多关于上文所提到的三种主要目标所提出的概念已经被评估出来（重复性设计、校准和可预测性）。图一所示的是机械示意图，超精度坐标测量机的原型机的照片如图二所示。在机械周围使用外壳的目的是获得一个更加均匀和稳定的温度场。这台机械的主要子系统是测量系统和控制系统。4.1 测量系统镜台和支撑工件的运动是通过控制系统实现的（如图1）。镜台相对于探针针尖的位置坐标（x,y,z)是通过测量三个远程镜面干涉系统实现的。Z轴的激光干涉光束从控制系统的下方指向镜面平台。控制系统围绕激光干仪Z轴的光束构造的。为了满足阿贝原则，激光干涉仪轴的功能线与探针尖端的中心一条线。随着激光干涉仪和探针都是固定在计量框架上保持对齐，独立的测量位置。因此，阿贝原则在三个坐标轴上在整个测量体积过程中得到充分满足。计量框架利用弹性元件动态地连接到基本框架上。图1所示为超精密坐标测量机示意图，在右侧的图中，控制系统的某些部分被除去以显示测量结构以及Z轴干涉仪的位置图2带外壳的超精密坐标测量机原型机 图3具有防护层的测量结构测量结构由两个工作面构成，一个包含X轴的干涉仪，另一个包含Y和Z轴的干涉仪。两个工作面通过探针系统附连。由于完全符合阿贝原则，测量系统只需输出三个轴干涉仪相对的平移位置信息即可。这意味着这种由两个工作面面和一个柱构成的简单直接的结构是可行的。研究过程中很重要的一点就是温度补偿模型研究。这样测量结构可以不由由超级不胀钢或微晶玻璃等材料做成。为了提高热补偿模型以达到较小不确定度的能力，测量结构性能应该是可以预测的。因此使用具有高导电性的材料如铝，并使用固体横截面几何形状可以达到非常高的导热系数。此外，在结构上覆盖防护层。采用这种热防护层后平时非常复杂的热边界条件变得不那么复杂。图3所示为覆盖有热防护层的测量结构的一部分。热防护层与测量结构不直接接触。热防护层与测量结构的间隙大约为5mm。补偿由温度引起的测量结构的变形的补偿模型已经开发出来。测量结构上的温度分布通过18个热敏电阻进行测量。通过这些温度值，线性补偿模型可以计算出X、Y和Z轴方向的补偿值。然而通过测量不确定度的分析表明，温度导致的测量结构的变形是不确定度的主要来源。使用超级不胀钢或微晶玻璃等材料代替，会使热膨胀降低至几纳米，因此不需要进行温度补偿。4.2控制系统总体结构的主要部分是控制系统，（如图4所示）。控制系统控制镜台的平移，支撑工件。如图1所示，控制系统被固定在花岗岩底座的顶部，被测量系统环绕。开发出了一种具有高刚度的紧凑型滑轨。滑轨通过预加载荷的空气轴承支撑。外楔只能在X轴方向的沿导梁平移。当两个外楔同向移动时，内楔将在X轴方向上平移。当两个外楔反向移动时，内楔将在Z轴方向上平移。为了使内楔沿Y轴方向移动，两个外楔构成的V型槽引导内楔沿Y轴在Y轴方向平移。这种滑块的最低固有频率是250Hz。图四控制系统控制镜台沿X、Y、Z轴的平移滑块是由基于直接驱动原理的洛伦兹驱动器驱动。因为它结合了较低的驱动力（Y轴驱动器：2N；X、Z轴驱动器：5N）和较小的行程（Y轴驱动器：100mm；X、Z轴驱动器：140mm），所以可以使用较简单没有换相的驱动器。驱动器的简单设计使其可以很大程度上的集成在滑块上以保持滑块的紧凑。应用空气重力补偿系统使驱动器的发热降到最小。空气系统可以对沿重力轴方向（Z轴）的工件的所有重量进行补偿。驱动器只为滑块提供动力（大概5N）而不包括加上工件重量可能重达130-200N的内楔重量。因此使用较小的驱动器可以显著减小热的产生。为了获得取决于工件的重量的自动调节的补偿力，空气补偿系统被集成在伺服系统中。Z轴驱动力的静态分量可以量化实际重量力和补偿力之间的不匹配。因此，Z轴驱动力被用作重力补偿环的反馈信号。5.几何校正机器的几何校准涉及到除了激光干涉仪系统的波长外，还包括镜台三个反射镜的垂直度误差和平面度误差。由于镜台需要在校准周期内保证几何稳定性（长期稳定），所以镜台由微晶玻璃制造。由于测量反射镜的位移造成的远程平面镜干涉仪的路径长度变化向量R表示为：（如图5所示）Lpath=4nRni （1）测量反射镜的外法线单位向量由n表示，入射光束的方向由单位向量i表示。图5：当倾斜测量镜平移时，光束通过激光干涉仪 图6：超精密坐标测量机的系统和固定在仅测量束被绘出。 镜台上的主坐标结构从等式（1）得出远程平面激光干涉仪的功能方向是镜面法向量n。激光束未与镜面法向量对其引入尺度误差，等于1-ni。需要注意的是考虑到给定的测量范围100 rad的角度误会导致亚纳米级误差。因此，不考虑这样的小尺度误差，我们假设ni=-1。联立三个测量轴的公式（1）和ni=-1，我们可以得到探头中心位移和激光干涉仪三个测量位置间的线性变换。假设及其的主坐标系mx,y,z固定在镜台上（如图6所示），探头中心由位置0运动到位置1的平移向量Rp由列矩阵mxp,yp,zp0.1T表示，则线性变换由下式给出其中列矩阵mnx，mny，mnz表示在主坐标系下相应反射镜的外单位法向量。hxcalyL,zL, hycalyL,zL和hzcalyL,zL分别表示x，y，z镜面的平面度校准值，xL, yL和zL表示干涉仪的测量位置。为了达到排除人为不确定度对校准不确定度的影响，校准方法基于误差分离技术。反射镜平面度的校准使用人为设定的一个平面和一条直线。垂直度的校准方法同样基于误差分离技术。人为设定四个被侧面的四个方向。并对几何校准方法中各个测量不确定度的扩展进行了研究。可以看出，Z轴的单向几何校准不确定度小于6nm。沿X轴和Y轴的单向几何校准不确定度小于8nm。测量体积内几何校准的不确定度小于14nm。6.总结我们可以得出这样的结论，基于非常重要的原则的精密机械设计，我们开发出了一种新型的坐标测量机的概念。这种设计的目的是实