（精密仪器及机械专业论文）纳米三坐标测量机主体机台研制及Z轴驱动系统研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

纳米三坐标测量机主体机台研制及z 轴驱动系统研究 摘要 三维测量系统广泛应用于现代工业，特别是在精密制造技术中，三坐标测 量机占有主导作用。随着测量精度的不断提高，特别是纳米级精度的出现，传 统三坐标测量机已经不能满足测量要求，因此纳米三坐标测量机应运而生。为 了提高纳米三坐标测量机的测量精度，可以通过很多措施，如提高结构精度、 驱动技术、测头技术等。 本文主要介绍了一种新型的纳米三坐标测量机主体结构设计与分析。在分 析现有纳米三坐标测量机结构的基础上，提出了一种新型的四面对称式桥架结 构。文章对新型主体结构进行了静、动态分析，其目的是为分析和评定纳米三 坐标测量机的静、动态精度做准备。通过建立结构变形的数学模型以及振动模 型，利用a n s y s 对桥架结构进行了分析，并与龙门式和拱形式结构加以对比， 从而证明了该结构在保证静、动态精度上的优越性，并完成了该结构的优化设 计。 同时本文对z 轴驱动系统进行了初步的研究。通过分析选择具体的驱动方 案，包括驱动方式的选择、驱动电机的选择、数据采集卡的选择等。主要利用 v b 编程，有效的控制了数据采集卡的d a 和开关量，从而控制了a b 2 伺服放 大器的工作电压和工作模式，实现了对z 轴驱动的实时可编程控制。 关链词：三坐标测量机，对称式桥架结构，静态分析，动态分析。优化设计， 驱动系统 d e v e l o p m e n to fn a n oc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n em a i nb o d y a n dr e s e a r c ho i ld r y i n gs y s t e mo fz - a x i s a b s t r a c t m a n yt y p e so ft h r e ed i m e n s i o n a lm e c h a n i s m ( 3 d - m e c h a n i s m ) a r eu s e di n m o d e r ni n d u s t r y s p e c i a l l y ，i np r e c i s i o nm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y ，c o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e s ( c m m s ) p l a yt h ek e yr o l e w i t ht h ei m p r o v e m e n to f m e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，e s p e c i a l l ya p p e a r a n c eo ft h en a n o m e t e r l e v e l a c c u r a c y ， c o n v e n t i o n a lc o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e c a n tm e e tt h ed e m a n do f3 d m e a s u r e m e m s ，s on a n o c m ma p p e a r si nt h ew o r l d i no r d e rt oi m p r o v et h e m e a s u r e m e n tp r e c i s i o no fn a n n - c m m ，m u c ht e c h n o l o g ys h o u l db eu s e d ，f o r e x a m p l e ，p r e c i s i o no fs t r u c t u r e ，d r i v i n gt e c h n o l o g y , p r o b et e c h n o l o g ya n ds oo n t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e ls t r u c t u r ed e s i g no fn a n o c m mm a i nb o d y t h e n e ws t r u c t u r en a m e ds y m m e t r i c a l - b r i d g ei sd e v e l o p e db a s e do nt h ea n a l y s i so f c o n v e n t i o n a ln a n o c m m s t h es t a t i ca n a l y s i sa n dd y n a m i ca n a l y s i so ft h en e w s t r u c t u r ew i l lb ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ，a n dt h ea i mi st oa s s e s sa n d a n a l y z es t a t i c d y n a m i ca c c u r a c y o f s t r u c t u r e c o m p a r e dw i t hr e c t a n g u l a r - b r i d g ea n d a r c h - b r i d g e ，t h i sn e ws t r u c t u r ep r o v i d e sg r e a ts t a t i cr i g i d i t ya n dd y n a m i cr i g i d i t y b a s e do nt h e o r ya n a l y s i sa n da n s y ss o f t w a r ea n a l y s i s t h e r e f o r e ，t h es u p e r i o r i t y o ft h i sn e ws t r u c t u r ei sv e r i f i e da n dt h eo p t i m u md e s i g ni sf i n i s h e d t h er e s e a r c ho i ld r i v i n gs y s t e mo fz a x i sw i l lb ei n t r o d u c e di nt h i s p a p e r t h o u g ha n a l y s i st h ed r i v i n gs y s t e mw i l lb ed e v e l o p e d ，i n c l u d e ds e l e c t i n go fd r i v i n g m o d e ，d r i v i n gm o t o r ，d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n ds oo n t h ed aa n di oo fd a t a a c q u i s i t i o nc a r dw i l lb ec o n t r o l l e dt h r o u g hv bs o f t w a r e ，s op r o g r a m m e dr e a l - t i m e c o n t r o lo fz - a x i ss h o u l db ea c h i e v e de f f i c i e n t l y k e y w o r d s ：c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ( c m m ) ，s y m m e t r i c a l - b r i d g e ， s t a t i ca n a l y s i s ，d y n a m i ca n a l y s i s ，o p t i m u md e s i g n ，d r i v i n g s y s t e m 插图清单 图1 。1 分子测量机( m m m ) 结构图 图1 2 小型测量机( s c m m ) 图1 3 东京大学n a n o c m m 结构图 图1 4 荷兰e i n d h o v e a 大学的高精度3 d c m m 图1 5 超高精度c m m ( u p c m m ) 结构图 图1 6 三维定位及测量机台结构图 图2 1 三坐标测量机结构形式 图2 2 悬臂式结构受力简图， 图2 3 龙门式三坐标测量机 图2 4 拱形式三坐标测量机 图2 5 龙门式结构受力简图 图2 - 6 拱形式结构受力简图 图2 7 四面对称式测量机结构图 图2 - 8a n s y s 分析流程图 图2 - 9 四面对称式结构的有限元分析 图2 1 0 四面对称式桥架结构 图2 11 顶盖结构图一 图3 。l 四面对称式桥架结构 图3 2 桥架结构受力简图 图3 3 三种测量机结构位移云图- - 图3 4 桥架结构简图 圈3 5 测量机结构参数的曲线拟合图” 图3 - 6 桥架结构有限元分析结果图“ 图4 1n a n o c m m 结构示意图- - 图4 2 结构主振型 图4 3 节点分布图 图4 4 节点位移曲线图“ 图4 5 桥架式动态分析结果图” 图4 - 6 龙门式测量机结构示意图一 图4 7 拱形式测量机结构示意图一 图4 8 龙门式动态分析结果图 图4 - 9 拱形式动态分析结果图 图4 1 0 纳米三坐标测量机主体机台实物图 图5 1z 轴结构示意图 图5 2h r 2 纳米电机 吧吧。弓q q吨唱母峥加n挖”撕m坶加控m弱”匏勉”弭弛 图5 3 纳米电机工作原理图3 8 图5 - 4 电压与速度关系曲线图3 8 图5 5 纳米电机安装图3 9 图5 - 6h r 2 纳米电机驱动原理图3 9 图5 7a b 2 放大器原理图4 0 图5 8a b 2 放大器前面板4 0 图5 - 9z 轴驱动程序界面4 2 图5 1 0o 9 ( v ) 电压与位移的关系曲线图4 3 图5 1 l 一9 0 ( v ) 电压与位移的关系曲线图- 4 4 图5 1 20 8 ( v ) 电压与位移的关系曲线圈4 4 图5 1 3 8 o ( v ) 电压与位移的关系曲线图- 4 4 表格清单 表2 1 四种结构的分析结果 表3 1 三种测量机结构的静态分析结果 表4 1 桥架式动态分析结果” 表4 2 有限元分析结果t 1 5 2 1 3 3 3 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 盒目i 王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 互磊 签字日期：矿年j 冀p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目b 兰些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保田并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒目b 王些盔堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：7 垂 签字日期：矿石年r 月，汨 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 拚销务哆 签字日期；。，年罗月，口日 电话： 邮编t 致谢 本论文是在导师胡鹏浩教授的指导并提供科研实验条件下完成的，论文自 始至终都倾注着导师的大量心血。几年来胡老师不仅在学业上给予我精心的指 导，还在生活上给予我悉心的关怀。我不仅在学习和科研上有了很大的提高， 同时也学会了很多做人的道理。在此，谨向胡老师表示我最衷心的感谢。 本课题研究是在纳米中心完成的，感谢纳米中心的费业泰教授和范光照教 授对我的学习和科研给予了许多有效的指导和支持。 感谢实验室的王会生老师、王宏涛高工等其他老师在课题研究上给予的支 持。 感谢李晓惠、王继臣、宋昆鹏、范伟、石洪贵、朱贵锋等同学给予我许多 帮助和支持。 感谢父母、姐姐对我的支持和理解，感谢一切曾经鼓励、支持和帮助过我 的入，衷心地谢谢大家! 作者：卫兵 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 随着科技与生产的发展，特别是精密制造技术和精密测试技术的发展，纳 米测试技术随之而产生。所谓纳米技术，是指在0 1 - 1 0 0 纳米的尺度里，研究 电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质 构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子， 显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术， 就称为纳米技术【l i 。纳米技术所含盖的尺寸范围从1 0 0 纳米到0 1 纳米，在1 0 纳米以下( 或称深纳米) 大多为科学领域的前沿研究，如原子排列、分子结构 探索、细胞组织研究等等；而在1 0 0 纳米至1 0 纳米之间( 或称微纳米) ，有广 大的纳米工程技术可探索的空间，如i c 步进机、纳米碳管、高密度资料记忆、 光通讯组件、m e m s 组件、激光光刻、电子束加工等等。一般而言，科学家们 所称的纳米测量技术仍局限于使用纳米级扫描探针聂微镜( s p m ) 实现的深纳 米一维测量，而目前迅速发展的微器件的几何特征尺寸，多集中于介观范围 ( m e s o s c a l e ，数毫米至数微米) ，精度参数多为微纳米数量级 ( m i c r o i n a n o s c a l e ，数微米至1 0 纳米) ，如微齿轮，微透镜，光开关，光纤等 等。 三坐标测量机( 以下简称测量机) 是近3 0 年来发展起来的一种高效率的 新型精密测量仪器，它广泛地用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。 科技与生产的发展对三坐标测量机不断提出新的、更高的要求。现代的超精加 工、科学研究往往提出纳米级的精度要求。特别是纳米测试技术的飞速发展， 因此纳米三坐标测量机应运而生。纳米三坐标测量机是集微机、光、电于一体 的高精度测试系统，是完成纳米级测试的主要手段和仪器。 1 2 纳米三坐标测量机的研究现状及发展趋势 随着科学技术的发展，航天技术、微电子工程、计量科学与技术、光学与 光电子工程、精密工程、生物工程、纳米科学与技术等领域迫切需要纳米测量 技术。纳米三坐标测量机( n a n o c m m ) 是一种近年来迅速发展的、以精密机 械为基础、综合应用电子技术、计算机技术、光栅与激光干涉等先进技术的高 效率、高性能检测仪器，作为一种通用性强、自动化程度高、高精度测量系统 在先进制造技术与科学研究中有着广泛的应用【2 】。 1 2 1 纳米三坐标测量机的研究现状 在1 9 5 6 年，英国f e r r a n t il t d 公司数控部的h a r r yo g d e n 发明了世界上第 一台三坐标测量机。随着精密技术的不断发展，三坐标测量机的精度也在不断 的提高。近年来，精度达纳米级且体积微型化的三维测量系统的研制受到世界 各国的重视，大多列入国家级或世界级的研究项目。国内外研究方兴未艾，成 果甚多。例如：美国国家标准技术院( n i s t ) 在t e a g u e 博士的领导下进行分 子测量机( m o l e c u l a rm e a s u r i n gm a c h i n e ，m m m ) 的研制，如图1 1 所示。该 分子测量机二维平台可实现5 0 m m 5 0 m m 的测量范围，位置测量由激光干涉仪 实现，采用s p m 探头，在重重环境控制罩的保护下( 隔震、隔音、真空、恒温、 恒湿) ，计划达到小于l n m 分辨率及1 0 r i m 总体精度的指标口1 。 图i 1 分子测量机( m m m ) 结构图 图1 2 是英国国家实验室( n a t i o n a lp h y s i c a ll a b ，n p l ) 研制的小型三维测 量机，主要是针对微型器件的三维尺寸测量。在传统的高精度三坐标测量机台 面上加装高精度微型工作台及在原探头上加装直径为o 5 或l m m 的微型探头， 其采用具有特殊结构的三点电容感应的触发测量原理。该测量机保持了原有的 功能，即测量时工作台静止，三轴位移由探头座运动实现，但在微型工作台均 布的三个位置上( 1 2 0 。分隔) 各安装两个微型激光干涉仪，六道光束分别经探 头座上的三个平面镜反射回去，实现探头移动六个自由度的同步测量。该小型 三维测量机的测量范围为5 0 5 0 5 0 m m ，各轴线性分辨率为o 3 l n m ，总体测量 不确定为5 0 至1 0 0 n m ，可用于工业界的实际测量”j 。 图1 - 2 小型测量机( s c m m ) 2 1 9 9 5 年东京大学t a k a m a t s u 教授研制的纳米三坐标测量机( n a n o c m m ) ， 如图l 一3 所示。机台机构采用了传统c m m 的缩小化设计，移动桥式机台由摩 擦轮做横向驱动，利用m i t u t o y o 公司的光栅尺测量位移，工件由一位平台做纵 向移动。该n a n o c m m 的测量范围为1 0 x f o x i o m m ，位移重复性为2 0 n m 总 体精度为5 0 n m ，至今仍在改善中【5 】。 图l - 3 东京大学n a n o - - c m m 结构图 荷兰e i n d h o v e n 大学研制的高精度3 d c m m ，采用三点对称式机台设计， 符合阿贝原则的位置测量系统，如图i - 4 所示电子接触式触发探头的原理与英 国n p l 的相似，探头直径为o 3 r a m ，不确定度2 5 n m ，探头座用m e m s 加工方 法制作，测量范围为1 0 0 x 1 0 0 x 1 0 0 m m ，各轴不确定度为1 0 0 n m ，总体不确定度 也为l o o n m t 。i 。 圈1 - 4 荷兰e i n d h o v e n 大学的高精度3 d - c m m 韩国b u p e ( b i l l i o n t hu n c e r t a i n t yp r e c i s i o ne n g m e e d n g ) 研制的超高精度三坐标 测量机( u l t r a p r e c i s i o n c m m ) ，如图1 5 所示。机台采用三点平衡设计，利用三 套双源的激光干涉仪做定位测量，提出了接触式光学触发探头的构想。工作台 内的由6 个p z t 驱动器组成的微伺服系统控制被测件的6 个自由度，用于补偿 因装备误差等引起的不规则运动，并减小各轴之间干扰的影响。各轴运动由气 浮轴承导向，并由线性电磁马达驱动。预期目标：分辨率为i n t o ，测量范围为 3 0 0 x 3 0 0 x 3 0 0 m m ，不确定度为3 0 n m 7 1 。 图1 - 5 超高精度c m m ( u p c i v i m ) 结构图 德国s l o s 公司的三维定位及测量机台( n a n om e a s u r i n ga n dp o s i t i o n i n g m a c h i n e ) ，由东德i l m e n a u 大学的j a g e r 教授研制，如图1 - 6 所示。x y 平台采 用线性电机驱动，丝杆副传动的两个单轴运动台堆栈组合，放置特殊的传感器 以消除三维坐标测量的阿贝误差。虽采用带光纤引导的激光干涉仪测位，但因 存在固有的运动误差，仍须加装p z t 微动台来补偿。三轴位移由各自的微型 s p 5 0 0 激光干涉仪感测，并同时使用两个角度传感器感测平台移动的偏差，自 动进行校正。测量的范围为2 5 x 2 5 x 5 m m ，各轴分辨率为1 2 4 n m j 。 图1 - 6 三维定位及测量机台结构图 近些年，国内的三维测试技术也在不断的发展，有不少科研机构的技术水 平也已经达到了国际先进水平。台湾大学精密测量实验室研制的n a n o c m m t 引， 采用基座与桥式横梁的固定式结构，加上a n o r a d 公司制作的铝合金x y z 平 台，由压电陶瓷线性马达驱动，实现大位移驱动，在平台上再设置个四自由 4 度的微定位平台，实现纳米级定位。z 轴安装c c d 用于工件二维尺寸测量的瞄 准，由衍射光栅测长仪进行位移的精密测量，激光自动聚焦探头则可用于测量 物体表面的轮廓与表面粗糙度。n a n o c m m 的测量范围为2 0 x 2 0 x 1 0 r a m ，经过 d s p 的电子细分，衍射光栅测长仪可达o 0 2 5 的分辨率，精度目标为1 0 n m ，至 今己达到1 0 0 n m 9 1 。 合 p , z e 业大学纳米测量实验室研制的m i c r o c m m ，采用了拱形式主体结构 和共平面二维工作台，加上高精度d v d 探头以及精密衍射干涉式光学尺定位 测量系统【l ”。该n a n o - c m m 的测量范围为2 5 x 2 5 x 1 0 m m ，测量精度为3 0 n m 。 清华大学研制的纳米级分辨率超精密定位平台，天津大学研制了以柔性铰 链为弹性导轨、压电陶瓷为驱动器的三维一体化超微定位机构。 1 2 2 纳米三坐标测量机的发展趋势 随着科学技术的不断发展，先进制造技术、各种工程项目和科学实验的需 要对纳米三坐标测量机的不断提出新的要求。纳米三坐标测量机作为一种超精 密量仪，其发展趋势可以概括几个方面。 ( 1 ) 提高测量精度，向纳米级精度发展。随着纳米技术的发展，精度要求 也在不断的提高，为了提高测量机的测量精度，需要采取一系列综合性措施。 首先是提高标尺精度，激光干涉技术标尺系统将在测量机中得到较多的应用。 其次，为了提高测量精度，必须提高它的结构精度。其中包括测量机主机、分 度台、测头与各种测头附件的精度。这里尤为重要的是提高它的重复精度。第 三，要努力减小力变形、热变形带来的影响。例如提高结构刚度，采用平衡设 计，采用导热好、线膨胀系数相近的材料等。第四，采用适当的采样策略。采 样策略对被测参数的测量不确定度有很大的影响。测量机应具有智能功能，能 针对被测参数及精度要求采用最佳的采样策略。 ( 2 ) 提高测量效率。质量和效率是衡量机器性能、生产过程优劣的主要指 标。现代的生产节奏不断加快，要求测量机在保证必要测量精度的同时，还要 有较高的效率。为了提高测量机的测量效率，可以从以下各个方面采取措施。 第一，改进测量机的结构设计，减轻运动部件韵质量。第二，提高控制系统性 能，使测量机运动平稳，定位准确，不产生振荡、过冲等现象。第三，采用飞 测与扫描测量方式，这样可以大大提高效率。第四。增强测量机的可靠性和安 全保护。 ( 3 ) 发展探测技术，完善测量机配置。探测技术在纳米三坐标测量机中占 有重要地位，它的重要趋势就是非接触测头得到越来越广泛的应用。非接触测 头具有许多优点，例如允许高的探测速度，与工件不接触，没有测量力。具有 较大的量程。在非接触测头发展的同时，具有高精度、较大量程、能用于扫描 测量的模拟测头，以及能伸入小孔、用于测量微型零件的专门测头也在发展。 ( 4 ) 控制系统的不断开放。纳米三坐标测量机越来越多的成为现代精密测 试系统的个有机组成部分，能与其它机器联网、通信，完成计算机辅助设计、 制造，使测量机在整个系统成为一个集成系统，而不仅仅是接口。这必然要求 测量机的控制系统向日益开放的方向发展，具有更大的柔性。 ( 5 ) 发展软件技术，发展智能测量机。测量机每一项新技术的发展都必须 有相应的配套软件技术跟上，智能测量机也在不断地发展。主要包括：自动进 行编程，按测量任务对测量机进行优化，在测量前对测量不确定度做出评定， 并按此确定采样策略与测量速度，自动故障诊断等。 ( 6 ) 加强环境问题的研究。纳米三坐标测量机的测量精度不仅取决于机器 本身的精度，而且在很大程度上依赖于环境条件。特别在超高精度的测量中， 环境条件的影响往往成为制约因素，主要表现在温度、湿度、振动等影响。近 年来，环境控制技术得到了很好的发展，例如，恒温箱的研制，隔振技术的研 究，新材料的采用，补偿技术的发展。 ( 7 ) 加强误差检定与补偿的研究。一个优秀的误差检定方法应满足：精度 高：检测情况与测量机使用条件相符；装置简单、价格便宜、检测时间短；能 确定误差源；能测出澳4 量机的整个测量空间的误差等。测量机不及能给出测量 结果，同时还应给出测量的不确定度。误差补偿技术是一项能以较低的成本、 大幅度地提高测量机测量精度的先进技术手段。误差补偿在精度、误差数据测 试简易性、使用的方便性、动态响应的快捷性等方面要有新的提高【l l 】。 1 3 课题研究的意义 在纳米科技领域里，无论是纳米测量、控制或加工，都需要高精度的纳米 定位平台为载具。在深纳米研究领域一般采用压电驱动器驱动探针做x y 扫 描或驱动平台来移动试件，而对微纳米范围的研究，移动试件的平台则要求有 较大的行程，并要求具有1 0 纳米左右的精度【1 2 】。欲使现有的精密机械加工技 术( 微米级精度) 向高精密机械加工技术( 亚微米精度) ，甚至超高精密机械加 工技术( 纳米级精度) 发展，必须如同半导体制程摩尔定律由t o p d o w n 的方 式逐步提高精度来实现。而且随着被加工产品的尺寸愈来愈小，精密机械走向 微型化的趋势下，许多传统的机械设计理念将会发生变化，对驱动、传动、测 量等部件的要求将会更加严格。 随着纳米测试技术的飞速发展，对纳米三坐标测量机的测量精度也在不断 的提高。为了提高纳米三坐标测量机的测量精度，当今世界很多顶尖技术都被 组合在一起，总体上包含：环境控制、误差修正、测头技术、驱动技术、结构 精度等。 但是，目前研究人员在提高测量机的测量精度方面往往忽视了结构精度的 重要性。例如，德国p t b 的s p e c i a lc m m 采用传统的高精度c m m 机台【1 31 4 】， 英国n p l 的s c m m 设计了在传统的高精度c m m 台面上加装高精度位移感测 微型机台，荷兰e i n d h o v e n 大学的高精度3 d - c m m 研制了三点对称式机台【l5 1 ， 6 日本东京大学t a k a m a t s u 研制的n a n o c m m t l 6 】采用了移动桥式机台，由摩擦轮 做横向推动。他们未对主体结构进行优化设计，没有深入考虑结构变形对整个 测量机测量精度的影响，且未考虑选用低热膨胀系数的材料，故易受负载及温 度变化的影响。因此，在结构设计中减小力热变形、提高结构精度已成为纳米 三坐标测量机研究的个重要方面。 1 4 课题的主要来源和内容 本课题的主要来源是国家自然科学基金重大国际合作研究项目：纳米三维 测量关键技术与系统研究，该项目由合肥工业大学与澳大利亚南澳大学合作。 本项目拟通过共平面的二维定位平台、结构力热平衡优化设计、高分辨率的二 维平面光栅、高精度驱动控制、超微型接触探头以及适用于微加工和微纳米测 量的精度保障理论等创新研究，研制一台低成本的纳米三坐标测量机。该测量 机技术指标为：l 、纳米级共平面双轴定位平台：x y 轴行程为2 5 m m ，位移分 辨率为l n m ；2 、中国风格的c m m 机台及z 轴：z 轴行程为1 0 m m ，位移分辨 率为l n m ；3 、微型触发式探头：x y z 三方向分辨率为l n m 。其可满足微型器 件测量的要求，实现微纳米器件三维内夕 尺寸及表面形貌的测量。 该项目包括：测量机主体机台及z 轴研制，二维定位平台设计研制、二维 平面光栅研制、探头设计、纳米级多轴测量系统的精度标定与误差修正方法研 究。每个子项目由不同的团队负责，本课题是项目研究内容之一。 本课题研究的目标是研究能实现变形引起测量误差为最小的主机台力、热 优化设计方法，以及使z 轴系统的结构与特性满足纳米级测量精度的要求。研 究的主要内容包括： ( 1 ) 测量机主体杌台研制，通过分析传统三坐标测量机主体机台的变形机 理，建立力变形的数学模型。在分析传统三坐标测量机主体机台的基础上，找 出不足的地方，提出新的方案。 ( 2 ) 对新型主体机台进行优化设计，在满足优化设计的基础上，设计有中 国风格的结构造型。 ( 3 ) 对新型主体机台进行静动态特性分析，包括力学分析、模态分折、振 动特性分析、振动响应分析，并与传统结构进行对比，从而证明新型结构的优 越性。 ( 4 ) z 轴驱动系统的初步研究。研究z 轴的驱动方案，包括；驱动方式的 选择、驱动电机的选择、数据采集卡的选择等。利用v b 编程使得z 轴驱动可 以实时可编程控制，同时对电机性能进行实验研究。 第二章 纳米三坐标测量机主体机台的设计 2 1 三坐标测量机主体机台分析与设计 2 1 1 传统三坐标测量机主体结构的变形机理分析 传统三坐标测量机的结构形式呈多样化，归纳起来大致有以下8 种，如图 2 - 1 所示，其中以悬臂式和龙门式为主体”。 移动龙门式 固定龙门式高架桥式l 型桥式 图2 - 1 三坐标测量机结构形式 纳米三坐标测量机作为一种超精密量仪，其主体机台的结构精度和变形是 一个不可忽视的问题，必须引起足够的重视和得到妥善解决。最初的研究方案 多是将传统的c m m 按比例缩小和微型化，因此首先需要充分了解传统三坐标 测量机结构变形机理。 悬臂式结构是最传统的三坐标测量机结构，以其小巧灵活、结构紧凑、测 量面开阔、耗材少而得到广泛的应用。但立柱和横梁的变形大大影响了测量机 的测量精度。 悬臂式测量机结构，主要是受z 轴载荷， 引起横梁和立柱都发生变形。其受力简图如图 2 2 所示，p 为施加在梁上的载荷。该结构需采 用结构力学位移计算方法中的单位载荷法，所 谓单位载荷法指的就是力状态中所设的外力与 实际状态中的待求位移对应的单位载荷【”l 。 因此，在施力点附加一个与p 方向一致的 单位载荷p 。= l ，实际载荷和附加载荷分别引起 的弯矩( 以内侧受拉为正) 为： 一? 厂一一一、一 图2 - 2 悬臂式结构受力简圈 p 书黻黪匙一铘遵一$妨彰 立柱：m = 一l ，m p = - p l 横梁：m = 一x ，m p p x 则受力点的变形量a y 为： 驴弩一e 甓芦x + 学x 位。， 4 p l 一。 其中e 为材料的弹性模量，i 为惯性矩。 由于悬臂式立柱和横梁变形对测量机的结构精度影响较大，特别是在高精 度的测量机很难实现高精度。随着精度要求的不断提高，结构精度已经慢慢得 到了重视目前纳米三坐标测量机结构大多采用龙门式结构或在此基础上的改 进结构。图2 3 为台湾大学精密测量实验室研制的n a n o c m m ，采用了固定龙 门式结构，而合肥工业大学纳米测量实验室研制的n a n o c m m ，设计了拱形式 结构叭，如图2 - 4 所示。这两种结构的缺陷在于结构变形大，力平衡热平衡较 差，大大影响了测量机的结构精度。下面将分析这两种结构的变形机理。 图2 3 龙门式三坐标测量机图2 4 拱形式三坐标测量机 由于龙门式和拱形式结构都属于超静定结构，对于这种超静定结构需要采 用结构力学中的力法原理。力法的基本特点是：以去掉多余约束后的静定结构 为基本结构。以多余约束力为基本未知量，根据基本结构在去掉多余约束处的 位移与原结构在该处的位移( 或变形) 一致的条件将多余( 约束) 力首先求出， 其余的计算即与静定结构无异1 2 0 1 。 龙门式和拱形式两种结构都属于二次超静定结构。对于二次超静定问题， 用而和x ：代替实际系统中的约束，定义6 ，6 。6 。6 ：2 ，l p ，2 ，分别为一单独作用 下在而方向上产生的位移，x l 单独作用下在屯方向上产生的位移，屯单独作用 下在而方向上产生的位移，x ：单独作用下在x ：方向上产生的位移，p 单独作用 下在x 。方向上产生的位移，p 单独作用下在而方向上产生的位移。 9 8 1 1 6 ：i ，5 1 2 ，6 2 2 ，a l p , 2 。都表示位移，可用单位载荷法求得。用以代替实际约束的力 而和x 2 及外载荷p 须满足这样的条件：它们作用下系统上各点的位移与实际系 统相同，u i l8 u x l + 5 1 2 x 2 + 坤= 0 和6 2 t x l + 6 2 ：x 2 + 2 p = 0 ，这组等式称为力法典 型方程，可由此解出毛和x ：，进而求得杆件中的实际内力，从而通过单位载荷 法可求得杆件上某点的实际位移量。 单位载荷法的一般计算方法：设m ；为某杆件第i 段在单位载荷的作用f 产 生的弯矩，m 为杆件中的实际弯矩，m = 丽；x 。+ 丽：x ：+ m 。，则杆件上某点弯曲 位移a y = 丽1f m 砷s 瓯的作用点为须求解位移的点 梁变形主要是在z 轴悬挂的位置上，固定龙门式结构的受力分析简图如图 2 - 5 所示，根据力学原理可得： 当x ，= 时，丽。= ，当x ：= 时，丽z = ；雯鋈， 2 l 6 1 15 百， 横梁 一r 一。 立柱m 2 i 一： 横梁 立柱 。p 6 2 22 3 e i 旷叠e i 神，虻一面3 p l 2 ， 图2 - 5 龙门式结构受力倚图 2 p = 墙跏p d s = 一等 将上式代入力法方程可得x i = o 3 p l ，x 2 = 0 3 p m = 丽。x 。+ 丽：x ：+ m = 。，p o l 3 + p l 。- ，毒p x p l 霎霾 因此可得z 轴悬挂位置的变形量y 如下： 1 0 段一2儿o 一 一 ，、【 = p m y = 击俩i d s = 斯卯l 一抖啦+ 1 ( 0 3 p l + 0 3 p y - p l ) ( - l ) 删脚普心之 拱形式测量机结构受力分析简图如图2 - 6 所示，由于没有立柱，只有拱形 架受力。则力弦方程为： | 6 l l x l + i p = 0 1 6 2 2 x2 + 2 p = 0 根据力学原理可得： m 。：一_ p l s i n 0 m l ：l ，瓯：r ( 1 - c o s o ) s 。，= 击瓜2 a s - 告 a ：= 吉_ 2 a s 一司1 ( 3 。7 t z l 3 图2 - 6 拱形式结构受力简图 l p = 击丽_ m p d s = 一击等，：，= 击f 丽舢- 面1 t p l 3 代入力法方程可得：x 2 茜，x ：。虿三z 丌j 7 【一5 m = m l ”厩x ：+ m ，= f 筹一百( 4 - n ) c o s 0 一丁s i n 0p r ，丽= 地i n 0 ， 从而可得z 轴悬挂位置的变形量y 如下： y _ 吉腑j d s ( 2 - 3 ) ：上i ( 上s i n 0 + s i n 0 - c o s o s i n 0 一塑翌) p l 2 l d o ：0 2 4 堕 e i4 、2 n3 n 一82 。e i 通过对这三种结构变形机理的分析，我们可以看出三种结构的优劣。拱形 式结构的变形量最小，而悬臂式结构的变形量最大。 2 1 2 新型主体结构的提出 目前纳米三坐标测量机的结构设计大多没有很好的考虑力平衡及热平衡原 则，故易受负载和温度变化的影响。通过以上的计算分析可以看出，悬臂式结 构由于一边受力梁变形很大，严重影响了整个测量机的结构精度。而龙门式结 构，梁中心受力过大，其变形引起了z 轴的误差变大，从而影响了整个测量机 的精度。拱形结构与龙门式结构相比有了一定的改进，但仍有不足之处。这两 种结构只有两个方向的平衡，且变形较大。为了进一步的减小变形、提高结构 精度，在这两种结构设计的基础上，充分考虑力平衡及热平衡，从而提出了四 面对称式结构的设想，如图2 7 所示。这四种结构都为四面对称式结构，相对 前三种结构具有较好的刚度。 2 2 主体机台的有限元分析 图2 - 7 四面对称式测量机结构图 2 2 1 有限元法概述 有限元方法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方 法，是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物。它首先在固体力学领域的 结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快就广泛应 用于求解热传导、电磁场、流体力学等方面的问题1 2 “。 有限元法把求解区域看作由许多小的节点处互相连接的子域( 单元) 所构 成，其模型给出的基本方程的分片( 子域) 近似解。由于单元( 子域) 可以被 分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复 杂的材料特性和复杂的边界条件。目前，世界上有很多大型的软件系统支持， 使得有限元法已经成为一种非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。 有限元法的一个基本思想是离散的概念，它是指假想把弹性连续体分割戍 数目有限的单元，并认为相邻单元之间仅在节点处相连。根据物体的几何形状 特征、载荷特征、边界约束特征等定义单元类型，各节点一般都在单元边界上。 节点的位移分量是作为结构的基本未知量，这样就组成了个有限单元集合体， 同时引进等效节点力及节点约束条件，由于节点数目有限，就成为具有有限自 由度的有限元计算模型，它替代了原来具有无限多自由度的连续体。 由上述可以看到，有限元法的实质是把具有无限多个自由度的弹性连续体 理想化为只有有限个自由度的单元集合体。使问题简化为适合于数值解法的结 构型问题。因此只要研究并确定有限大小的单元力学特性，就可根据结构分析 的方法求解，使问题得到简化。 有限元法的基本思路为： l 、将某个连续结构拆分为若干个形状简单的单元，这些单元一般要小到可以用 简单的数学模型来描述特性参数在其中的分布，这一步骤称为离散。 2 、通过对单元的研究来建立各特性参数之间的关系方程，这一过程称为单元分 析。在弹性力学中，单元分析的任务是：建立联系应变与节点位移分量的方程， 联系应力与节点位移分量的方程，同时研究单元的节点力与节点位移之间的关 系，以及把作用在单元中间的外载荷转化成节点载荷。 3 、在单元分析基础上，利用结构力的平衡条件和连续条件，将各个单元按原来 的结构重新联结成整体结构。对整体在确定边界条件下进行分析，从而得到整 体的参数关系方程组，即矩阵方程。这一过程称为整体分析。 4 、解矩阵方程，即可得到各种参数在整体结构中的分布。 2 2 2a n s y $ 有限元分析软件简介 随着电子计算机技术的发展和软、硬件环境的不断完善以及高档微机和计 算机工作站的逐步普及，现在已有许多著名的有限元程序( 如a n s y s ，a n d i a ， n a s t r a n ，s a p 等) 可用，为有限元法在机械结构动态设计中的推广应用创造 了更为良好的条件，并展示出更为广阔的工程应用前景。而由美国a n s y s 公 司开发的a n s y s 大型通用有限元软件最为突出。a n s y s 软件经过三十余年的 发展，已经成长为业界最为流行的有限元分析软件之一，其功能强大，广泛应 用于各个学科【2 2 1 。 a n s y s 是设计工程师用于结构分析、热分析、流体分析、电分析和静电分 析的大规模、通用有限元计算程序，从早期的初级版本发展到今天的9 0 版本， 不断吸收计算方法和计算机技术的最新进展，将有限元分析、计算机图形学和 优化技术完美结合，成为解决现代工程学问题所必不可少的有力工具。从2 0 世纪7 0 年代以来，a n s y s 己广泛用于核工业、铁道、航空航天、机械制造、 石油化工、汽车交通、能源、国防军工、电子、土木工程等许多工业部门及科 学研究。 目前a n s y s 程序的主要技术特点有：能实现多场及多场耦合分析；实现 前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化；具有多物理场优化功能；强 大的非线性分析功能；多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置； 在异种、异构平台上用户界面统一、数据文家全部兼容；强大的并行计算功能 支持分布式并行及共享内存式并行：多种自动网格划分技术；良好的用户开发 环境。 a n s y s 包括1 0 0 多个单元，提供了对各种物理场量的分析功能，可以将其 应用到如下学科：结构分析( 结构的静态、动力学分析) 、热分析、高度非线性 瞬态动力分析( a n s y s l s - d y n a ) 、流体静力学分析核动力学分析 ( f l o t r a n ) 、电磁场分析、声学分析、压电分析、多场藕合分析、设计灵敏 度及优化分析。 a n s y s 有限元分析软件的具体求解过程如图2 8 所示。 、一， 圈2 - 8a n s y s 分析流程图 2 2 3 有限元分析及对比 本章