超精密三坐标测量仪整机机构设计.docx
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超精密三坐标测量仪整机机构设计
摘要
本文中，对三坐标测量仪的研究现状和精密测量的关键技术做了总结，对所设计的测量仪的总体布局、床身的选材、导轨的设计、进给方式的选择做了介绍，选用燕尾型气体静压导轨，同步齿形带和钢带传动，摩擦杆进行驱动。
对移动桥和溜板进行了简单的ANSYS分析，计算了移动桥受力时最大的变形量和直线度；选用伺服电机作为动力源，并对其进行了简单的功率计算，分析了测量仪的工作环境对其精度的影响和它的应用环境；定位采用开式光栅尺，对光栅尺的选型做了比较。
最后针对测量仪整机进行精度分析，查找误差源和精度的综合分析。
关键词：
超精密、气静压、高精度、精密测量
ThreeCoordinatesMeasuringInstrumentUltra-precisionMachine
ABSTRACT
Inthispaper,threecoordinatesmeasuringinstrumentforprecisionmeasurement,theresearchpresentsituationandthekeytechnologyofsummingup,thedesignofmeasuringinstrumentlathebedofthegenerallayout,thedesignoftheselectionofmaterials,guiderail,intotothechoiceofthewaysofdoingintroduced,choosecoattails"typeaerostaticguiderail,synchronouscogbeltandsteelbelttransmission,frictionleverdriven.SlipboardofmobilebridgeandthesimpleANSYSanalysismethod,thelargestmobilebridgewhenstressdeformationandstraightness;Chooseservomotorasapowersource,andanalysesthesimplepowercalculation,analyzestheworkingenvironmentofmeasuringapparatustotheprecisionoftheinfluenceanditsapplicationenvironment;Thepositioningofgratingopengratingfeet,comparisonoftheselectionofthefeet.Finally,accordingtothemeasuringapparatusforprecisionanalysis,findtheerrorsourcesandprecisionofthecomprehensiveanalysis.
Keywords:
Theultraprecision,Gasstaticpressure,Highaccuracy,Precisionmeasurement
1绪论
1.1课题的来源
为了响应教育部的号召，实施大学本科教改计划，北京微纳精密机械有限公司与中原工学院联合实施“卓越工程师”的培养计划。
由该公司接收中原工学院大四学生来公司实习并完成毕业设计，为学生走上工作岗位提供一个锻炼自己的平台。
本课题来自北京微纳精密机械有限公司，在学校和公司的商讨后，确定了我的课题：
超精密三坐标测量仪整机机构设计。
1.2课题的意义
本课题研制的超精密三坐标测量仪具有重要意义：
一方面将促进超精密光学、机械制造技术快速发展，填补我国相应领域的技术空白；另一方面将提高我国产品质量和市场竞争力以及我国测量仪器的性价比水平。
1.3精密测量的研究现状
精密测量技术和装置是先进制造主要支撑技术之一，体现国家工业与科技水平。
国民经济和先进制造的不断发展对精密测量提出了新的要求，因此，提高精密测量水平，对提升我国先进制造能力，促进国民经济发展具有重要意义。
随着近20年科学技术的迅速发展,对仪器精度要求出现了数量级的变化。
从精密测量（0.5μm～0.05μm），发展到超精密测量（0.05μm～0.005μm）,近年来又提出纳米精度测量（5nm～0.05nm）的要求。
据专家们的推测，随着精密工程技术、尖端科技和空间技术的迅猛发展，轮廓形状允差为50nm～5nm，尺度允差为100nm～10nm的超精密零件将被广泛使用，所以超精密测量技术和仪器工程的研究与应用已成为科学技术发展的关键因素之一。
当今世界上超精密三坐标测量仪在质量和性能方面首推德国ZEISS公司（即原西德OPTON公司）和LEITZ公司。
到目前为止ZEISS已有多项专利技术，从而使ZEISS公司在坐标测量技术上远远领先于其它公司。
其生产的三坐标测量仪既有桥式测量仪，也有龙门式、悬臂式测量仪，既有生产型测量仪，也有计量型测量仪。
在国内ZEISS三坐标测量仪在航空、航天、汽车、电子、机械等多个行业中得到广泛地使用。
图1-1是ZEISS最新的DuraMax三坐标测量仪系列，代表着当今测量仪行业的尖端技术。
图1-1DuraMax三坐标测量仪
德国LEITZ公司凭借其在高精度测量领域积累的世界级测量技术以及丰富的应用理论知识，通过高性能，高精确度的PMM-C三坐标测量仪与功能强大的工业级计量软件QUIND-OS的结合，不断解决来自工业各个领域的高精度和复杂几何形状的计量需求。
LEITZ主要从事研制、开发、制造超高精度坐标测量仪，包括在世界高精度三坐标测量仪的发展历史上具有里程碑意义的PMM机型。
其动态指标分别为最大测量加速度3000mm/s或最大测量速度400mm/s，平均触测频率40点/秒。
图1-2为LEITZ最新的三坐标系列——reference测量仪系列，和ZEISS的DuraMax三坐标测量仪系列一样，在全球三坐标行业中，隶属最尖端技术。
表1-1为reference测量仪系列的部分参数。
图1-2reference测量仪
表1-1reference测量仪系列参数
机型（x.y.z）
（100mm）
E
（µm）
P
（µm）
THP
（µm）
Vmax
（mm/s）
amax
（mm/s2）
Reference10-7-6
0.9+L/350
1.0
1.9/45s
520
3300
Reference15-9-7
0.9+L/350
1.0
1.9/45s
520
3300
Reference20-10-7
0.9+L/350
1.0
1.9/45s
520
3300
Reference22-12-9
1.5+L/350
1.5
2.1/45s
520
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Reference30-12-9
1.7+L/350
1.5
2.1/45s
520
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Reference45-12-9
1.7+L/350
1.5
2.1/45s
520
3300
意大利DEA公司也是世界著名的三坐标测量仪的生产商之一。
该公司生产的三坐标测量仪，主要使用对象大多数是与汽车产品相关的生产厂家。
国内许多大型企业都订购了该公司的三坐标测量仪，目前，世界上为汽车行业车身检测提供专业检测方案的最知名厂家当属意大利DEA公司，并在推动汽车车身研究和“白车身”的尺寸检测方面作出了突出贡献。
三丰公司也是著名的测量仪生产厂家，目前，己累计向世界提供了33000台三坐标测量仪，占世界测量仪市场份额的35%，雄踞三坐标测量仪世界第一供应商的位置。
经过不断改进和发展，已开发出现在的高速高精度三坐标测量仪，如Crysta-Apex系列和MACH、LEGEX等新型机种。
其他世界上较有名的坐标测量仪制造厂商有Brown-sharp公司，英国的ZX公司、LK公司等。
我国坐标测量仪发展过程可分为三个阶段:
第一阶段自上世纪70年代开始至80年代初。
由于该技术密集度高，特别受我国计算机技术落后的严重影响，致使研究和生产总是处于样机试制阶段，第二阶段自上世纪80年代开始至80年代末，随着改革开放的政策实施，我国三坐标测量仪的研制工作一改过去封闭状况，走上了引进国外先进技术，结合自身特点进行开发生产，加快我国三坐标测量仪生产的步伐，初步形成了国产测量仪的生产能力。
第三阶段为进入上世纪90年代至今。
目前我国已具备了从生产精密型测量仪到生产型测量仪各种型号的三坐标测量仪的能力，开始占领国内市场。
1982年北京机床研究所研制出第一台CLW63型万能测量仪。
同年国内率先研制出带气浮导轨的CLZ864型手动三坐标测量仪。
北京航空精密机械研究所（原航空部第三O三研究所）从1972年开始研制三坐标测量仪，1978年三坐标测量仪商品化是国内第一家生产测量仪的企业，至今己有十种不同系列品种的测量仪。
如CIOTA桥移动式测量仪、SZC一J866桥固定式高精度测量仪、XB654手动悬臂式测量仪、TS654手动式数控测量仪、LZ立柱式测量仪、LM龙门式测量仪、CENTURY世纪型测量仪、ORIENT东方型测量仪、PEARL甩珍珠型测量仪、FUTURE未来型测量仪等。
近几年来，随着数据检测技术研究的深入，国内测量仪得到了进一步的发展。
目前，在国内测量仪厂家中，海克斯康测量技术（青岛）有限公司拥有产品系列最多，测量精度较高。
海克斯康测量技术（青岛）有限公司是世界级数控三坐标测量仪专业制造厂商，是瑞典高科技制造业集团HEXAGON与中国航空工业第二集团公司下属青岛前哨精密机械公司共同投资在中国组建的国际化合资公司。
海克斯康公司的前身是青岛前哨精密测量技术有限公司（Brown-shorpe前哨）。
其与享誉全球的坐标测量仪制造公司Brown-shorpe前哨公司、意大利DEA公司、德国LEITZ公司、瑞典CEJOHNASSAN公司并列，同属HEXAGON集团计量产业的核心成员和五大测量仪制造基地之一。
海克斯康所提供的测量仪产品在汽车工业、航空航天，机床工具、国防军工、电子和模具等领域得以广泛应用，产品系列包括:
活动桥式测量仪、固定桥式测量仪、龙门测量仪、水平臂式测量仪、悬劈式测量仪其中以1997年推出的Z003系列活动桥式测量仪为典范。
该种测量仪系中小型测量仪系列，属于高速度、高精度生产型测量仪，测量速度是固定桥式测量仪的两倍。
这种测量仪在生产在线测量应用最为广泛。
该种测量仪的技术水平达到国际同类中小型测量仪的水平。
与国外测量仪厂家的发展相比，国内的发展就显得很慢，远远不能适应国家重点行业技术改造和市场发展的需要，无论从技术实力还是市场开拓方面均大大落后于国外测量仪厂家。
1.4精密测量的关键技术
1.4.1直线导轨
总的来说，从精度角度看，空气导轨是现在最好的导轨。
虽然它没有液体静压导轨的刚性大，但气浮导轨优点也很明显，如无需进行油温控制，对环境没有污染。
此外，纳米级精度仪器的负荷和行程没有那么大，所以应优先考虑空气导轨。
目前空气导轨的直线度可达（0.1～0.2）μm/250mm的水平，国内303所也可做到0.1μm/200mm[5]。
纳米水平的仪器导轨行程比上述要短，通过补偿技术还可进一步提高导轨的直线度，国防科技大学利用二维微进给装置补偿导轨直线度，取得了较好的效果，可补偿到0.1μm/300mm的精度水平。
在导轨的结构设计上还有潜力可挖，如采用多根导轨并联来加强气膜的误差匀化作用，加大气垫式导轨跨度来缩小直线度误差等。
由于空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50mm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运动。
英国RankTailorHobson公司开发的Nanoform600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≤220mm），±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，测量范围100mm，精度±0.01μm[,8]。
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。
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，适合制作超精密的平台；横梁和Z轴采用陶瓷材料，在保证所需要的刚度的同时，减少了本身的重量，保证测量仪的测量精度；X向、Y向、Z向均采用气体静压导轨，使测量仪在运动时有足够的精度；X向、Z向采用摩擦杆驱动，Y向采用刚带传动。
图2-1三坐标测量仪总体布局图
其主要技术指标要求如下：
1）X轴，最大行程：
800mm，直线度：
0.2µm/100mm，光栅反馈分辨率：
0.1µm；
2）Y轴，最大行程：
600mm，直线度：
0.2µm/100mm，光栅反馈分辨率：
0.1µm；
3）Z轴，最大行程：
400mm，直线度：
0.2µm/100mm，光栅反馈分辨率：
0.1µm；
4）驱动：
伺服电机驱动摩擦轮传动；
5）导轨形式：
超精密气体静压导轨；
6）承重2000kg。
2.床身材料选用
床身要支撑整机的重量，它应具有良好的刚度和强度，可以采用不同材料，比如优质耐磨铸铁、花岗岩、人造花岗岩等。
1）优质耐磨铸铁
铸铁是制造床身的传统材料，它的优点是工艺性好。
选用耐磨性好，热膨胀系数低，对振动衰减能力强，并经时效处理的优质合金铸铁作精密仪器的床身，可以得到满意的结果。
近年来，虽然多数精密坐标测量仪和精密机床改用花岗岩，但美国Moore公司和瑞士SIP公司仍使用铸铁床身，他们认为花岗岩有吸湿性，会导致微量变形，降低测量的精度，反不如铸铁好。
2）花岗岩
花岗岩现在已是制造精密测量仪和精密机床的床身的热门材料，这是因为花岗岩比铸铁长期尺寸稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高、耐磨并且不会生锈等。
用花岗岩作机架时，一般都用整体方块，钻孔埋入螺母以便和其它件连接。
但花岗岩加工比较困难，而且吸湿后会产生微量变形，影响精度。
3）人造花岗岩
花岗岩不能铸造成形且有吸湿性。
为解决这问题国外提出了人造花岗岩。
人造花岗岩是由花岗岩碎粒用树脂粘结而成。
用不同粒度的花岗岩组合可提高人造花岗石的体积比，使人造花岗岩有优良的性能，不仅可铸造成形，吸湿性低，并对振动的衰减能力加强。
在温度特性、动态特性以及工艺特性的方面的相关参数的基础上，考虑到测量仪当今制造业中的使用特点、使用环境、精度以及效率要求，考虑到测量仪对精度的要求是第一位的，而对速度要求一般；由于价值高，一般配备专用的工作环境，环境较好。
其移动部件的选材，需要兼顾密度和刚性；而对于固定部件，则对密度/刚性比的要求比较宽松，一般通过加大截面尺寸提高刚性，故固定部件的材料可选择陶瓷或花岗石，所以本次设计的测量仪采用花岗岩为床身材料。
国内的泰山青是比较优秀的花岗岩。
2.3导轨的设计
在精密加工与测量领域，进行直线运动的机械元部件的导轨主要有滑动导轨、滚动导轨、液体静压导轨和空气静压导轨。
滑动导轨具有结构简单、紧凑、刚性高、停止时的稳定性高和热稳定性高及价格低等优点，缺点是由于其导轨与支承结构直接接触，摩擦力较大而且动摩擦系数和静摩擦系数的差值较大，有爬行，定位精度有限，低速时运行的平滑度较其他导轨差一些。
滚动导轨结构简单，已实现标准化，是目前使用较多的一种导轨，但精度比滑动导轨和静压导轨要低。
液体静压相对于气体静压导轨具有载荷量大、刚度高，阻尼高，对振动的衰减好，应用激光干涉仪的情况下，得到定位精度可以达到0.02μm/200mm，直线运动精度为0.05μm/200mm。
缺点是目前静压导轨的大部分设计只是依赖于简单的工程计算或者实际经验，缺乏一套成熟的理论支持。
采用液体静压导轨时，还存在设备复杂和油污染的问题，成本也非常高。
液体静压导轨由于油的粘性剪切阻力，发热问题不可忽视，因此对液压油必须采取彻底的冷却对策。
液体静压油膜厚度要保持恒定不变比较困难，调试调整费时费力。
而且在运行过程中，需要一个压力（或流量）稳定、过滤严格的静压供油系统，才能保证导轨运动的高精度。
空气静压导轨主要有如下特点:
1）由于空气的粘性系数为油的1/50以下，而且粘度对温度和压力的变化不敏感，空气静压导轨的摩擦力非常小且近似为常数。
2）采用空气静压润滑支承，在运动过程中导轨不与支承体直接接触，基准面摩损小，因此精度高而且使用寿命长。
3）分布于导轨及支承面之间的5一15μm的空气膜对部件缺陷具有平均效应，容易得到高精度。
4）爬行少，机械摩损小，噪声低。
5）发热量少，工作温度范围宽，热变形非常小。
6）无环境污染。
因此现在国内外大部分的精密测量设备都用空气静压导轨作为精密运动部件;在适应参数控制模式（MRAC）下采用气体静压花岗岩导轨得到好于土15nm的位置控制精度。
在精密测量仪中，要求摩擦发热小，载荷不需要太高，因此主要应用空气静压导轨来构成高精度的直线运动机构。
所以根据以上的分析，测量仪的导轨采用空气静压导轨。
凡能同时承受轴向、径向或其它方向作用力的气体支撑装置均称为气体静压组合装置。
空气静压导轨是典型的气体静压组合装置。
根据工作台的移动量、载荷量和精度要求等的不同，一般有如下几种形式，图2-2是气浮导轨的结构示意图。
（a）平面封闭性（b）圆柱封闭性
·
（c）重量平衡式（d）真空负压平衡式
图2-2气浮导轨结构形式
1）平面封闭型导轨
这种形式的导轨，因工作台导轨面产生的挠度较小，可取得高精度、高刚性、大负载量，最适用于作为精密加工机床和测量仪等的长导轨。
2）圆柱封闭型导轨
这种结构的导轨结构简单，导杆的圆度、圆柱度和导向孔的间距等精度完全由机械加工决定，全部负载由导柱承受，容易产生挠度，故除了用于立式外，常用于轻载、短导轨。
3）重量平衡式导轨
这种导轨结构简单，加工方便。
但是轴承刚度低，适用于负载变化小的场合。
4）真空负压平衡式导轨
这种导轨与重量平衡式导轨是同一型式，适用于工作台重量轻或不能加重的场合，使真空负压和静压保持的同时，由维持固定的导轨间隙。
根据本次测量仪的设计要求气静压导轨型式采用平面封闭式，图2-3为横梁的气浮分布。
圆形气浮垫的机构见图2-4，部分尺寸和参数见表2-1.
图2-3横梁的气浮分布
图2-4圆形气浮垫结构图
序
号
直径Φ
mm
厚度D
mm
球径SΦ
mm
承载
Kgf
刚度
Kgf/μm
接头
螺纹
1
Φ30
15
10
16
1
M5
2
Φ40
15
10
27
2
M5
3
Φ50
15
10
44
3
M5
4
Φ60
15
16
63
5
M5
5
Φ70
20
16
87
9
M5
6
Φ80
20
16
113
13
M5
7
Φ90
25
16
156
19
M5
8
Φ100
25
16
196
25
M5
9
Φ120
25
25
282
40
M5
10
Φ150
30
25
440
70
M5
11
Φ200
50
25
780
120
M5
12
Φ250
60
50
1220
180
M5
13
Φ300
60
50
1766
270
M5
表2-1圆形气浮块部分尺寸和参数
2.4进给传动方式的选择
2.4.1进给丝杠
这是目前较多采用的一种进给传动方式。
常用的进给丝杠形式有梯形丝杠、滚珠丝杠、空气静压丝杠或液体静压丝杠和滚柱丝杠等。
空气静压丝杠或液体静压丝杠的制造误差、弯曲变形等对工作台直线方向上的运动精度影响小，因此在较长的行程上可以达到纳米级的分辨率，另外由于不存在摩擦引起的爬行和回程间隙，可以长期保持
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