異端類型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)原理及誤差修正技術(shù)研究.pdf

1、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種高效率的三維測(cè)量?jī)x器，它集成了機(jī)械、光學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，MEMS器件的出現(xiàn)對(duì)測(cè)量機(jī)提出更高的精度要求。本文對(duì)一臺(tái)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的大量程低精度要求的懸臂式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，和一臺(tái)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的新型小行程納米級(jí)精度的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行了研究，圍繞這兩種不同類型的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)布局、誤差分析及誤差修正問題而展開。
　　懸臂式測(cè)量機(jī)為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，用于工字鋼結(jié)晶器內(nèi)腔現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量范圍為600×600×8

2、00mm。本文詳細(xì)分析了該測(cè)量機(jī)的各主要誤差源，對(duì)常用的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)21項(xiàng)幾何誤差修正模型加以改進(jìn)，增加光柵零位修正量和長(zhǎng)懸臂非剛性修正量，使用齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論建立了測(cè)量機(jī)的機(jī)構(gòu)誤差修正模型。使用雙頻激光干涉儀、激光跟蹤儀對(duì)測(cè)量機(jī)誤差進(jìn)行了分離，修正后的測(cè)量結(jié)果表明，測(cè)量機(jī)的最大位移誤差由原來最大600μm降低到50μm。
　　對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的納米級(jí)精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行研究后，總結(jié)獲得影響測(cè)量精度的一些關(guān)鍵因素，在此基礎(chǔ)上提出了三軸

3、測(cè)量線垂直共點(diǎn)、x-y導(dǎo)軌導(dǎo)向面與測(cè)量面三面共面、測(cè)點(diǎn)與三面重合的納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)“331”結(jié)構(gòu)構(gòu)建原則。這種結(jié)構(gòu)可以有效消除三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中阿貝誤差的影響，降低導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)直線度誤差對(duì)三維運(yùn)動(dòng)臺(tái)定位精度的影響。
　　文章詳細(xì)介紹了一臺(tái)基于“331”原則的納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，測(cè)量范圍為50×50×50mm，各軸激光干涉儀測(cè)長(zhǎng)的分辨率為1nm，納米三維測(cè)頭分辨率為1nm，適用于微器件和小尺寸量的測(cè)量。測(cè)量機(jī)三維工作臺(tái)使用低熱膨脹系數(shù)的銦鋼作

4、為主體材料，x、y軸采用了共平面、對(duì)稱式設(shè)計(jì)。文中創(chuàng)新性的提出了一種力支撐點(diǎn)可跟隨工作臺(tái)沿x-y二維游動(dòng)的力平衡系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)能有效克服因工作臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致自身作用力無法平衡的問題，可保證測(cè)量機(jī)各關(guān)鍵部件力變形較小，降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)阻力。在裝調(diào)完成后，測(cè)量機(jī)各軸導(dǎo)軌的直線度誤差在±1u以內(nèi)，角運(yùn)動(dòng)誤差均在30角秒以內(nèi)。
　　誤差建模和誤差修正是納米坐標(biāo)測(cè)量機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)。本文首先使用現(xiàn)代精度理論分析了納米測(cè)量機(jī)的誤差影響因素，推導(dǎo)獲

5、得誤差修正模型。誤差模型的分析結(jié)果表明，x、y導(dǎo)軌的不完善性并不會(huì)對(duì)測(cè)量帶來影響，測(cè)量機(jī)的主要誤差項(xiàng)為激光器測(cè)長(zhǎng)誤差和反射鏡的垂直度與平面度誤差。然后使用激光干涉儀和幾何量標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)測(cè)量機(jī)的各項(xiàng)誤差進(jìn)行了分離，使用插值算法計(jì)算獲得誤差修正函數(shù)，并建立了納米測(cè)量機(jī)z軸基于三次樣條插值方法的三維誤差模型。在完成插值修正后，使用激光干涉儀和標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)修正結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果表明：測(cè)量機(jī)沿對(duì)角線的最大位移誤差由修正前的3500nm降低到150n