高精度設(shè)備的設(shè)計(jì)原則 完整版

高精度設(shè)備的設(shè)計(jì)原則R?Theska,T?Frank,T?Hackel,G?HohneandM?Lotz德國伊爾曼諾技術(shù)大學(xué)一J介紹超精密多軸定位和測(cè)量機(jī)己被認(rèn)為是當(dāng)前納米技術(shù)發(fā)展的一種重要設(shè)備。提高了機(jī)器設(shè)備在納米級(jí)的精度范圍內(nèi)移動(dòng)的精確性，使得許多計(jì)量?jī)x器、微觀設(shè)備和納米技術(shù)得到了更高的靈敏度?，F(xiàn)有的高精密儀器顯示，在只釆用閉環(huán)控制的情況下，不能達(dá)到精度要求。因此，在機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，最好考慮到環(huán)境和機(jī)械自身的影響。二、 發(fā)展現(xiàn)狀在各種精密測(cè)量任務(wù)中都需要高精度的機(jī)械設(shè)備。這些設(shè)備在坐標(biāo)測(cè)量?jī)x上被廣泛使用，用來控制探頭、原子力顯微鏡的探針、光學(xué)傳感器等器件對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行檢測(cè)。如圖1所示，根據(jù)工作范圍可以將坐標(biāo)測(cè)量?jī)x分為三類。為了得到最佳精度，需要考慮設(shè)備運(yùn)行中所有的誤差源并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。例如LeitzMesstechnik公司的CMMSirio安裝了28個(gè)溫度傳感器來消除誤差。三、 設(shè)計(jì)方法為了成功的設(shè)計(jì)出高精度的儀器設(shè)備，一個(gè)系統(tǒng)的流程框架是必不可少的。一個(gè)可行的流程包括四個(gè)部分，如圖2所示。包括任務(wù)說明、技術(shù)流程的分析與確定、整體解決方案原理的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。開發(fā)移動(dòng)范圍為200*200*15mn/3的納米級(jí)定位裝置就是通過這四個(gè)步驟完成的。大尺寸小尺寸型號(hào)LeitzPMM-CZeissUMPC850Veritekt-BSPMVeecoExplorerSPM結(jié)構(gòu)1身3工作范圍1.2*1.0*0.7m*31.15*0.8*0.6m.370*15*15P3100*100*10Pm"3開發(fā)商LeitzMesstechnikGermany[Leitz2001]CarlZeissIMTGermany[Zeiss2004]TUIlmenau/PTBGermany[Jager1999]VeecoInstrumentsUSA[Veeco2004]中尺寸型號(hào)NMM1MolecularMeasuringMachineUltraPrecisionCMMUltraPrecisionCMM

結(jié)構(gòu)浮、「工作范圍25*25*5mm350*50mm2100*100*40mm^3300*300*300mm'3開發(fā)商TUIlmenauGermanyEHausotte2002]NISTUSA.Kramar2001]TUEindhovenNetherlandsERuijl2002]BUPEKorea[KAIST2003]圖1儀器分類沒計(jì)任務(wù)?任務(wù)說明?整序繪的沒計(jì)和遊循約原邏?4 燕件送擇??浜塊姐件?汁發(fā)衣選捽巴啟紐ft充墜樂統(tǒng)K沒計(jì).圖2設(shè)計(jì)的四個(gè)步驟首先第一步需要做的是任務(wù)說明。接下來是分析所需的技術(shù)過程和需要滿足的條件，記錄下所有需要進(jìn)行的操作，這樣能形成一個(gè)通用的模型，可以將這個(gè)模型包含的所有功能與需要達(dá)到的效果進(jìn)行比較，看是否滿足要求。接下來需要建立一個(gè)包含所有必要功能的總體功能框架作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。圖3展示了一個(gè)定位測(cè)量系統(tǒng)的功能框架，這個(gè)框架包含了這個(gè)系統(tǒng)所有的功能結(jié)構(gòu)，在具體的設(shè)計(jì)過程中可以根據(jù)具體需要進(jìn)行刪減，例如可以減少元件的移動(dòng)來減少誤差。根據(jù)功能框架來制定解決方案所需的原則。這些原則是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因此在設(shè)計(jì)過程中必須遵守這些原則。為了達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果，需要在設(shè)計(jì)的開始階段就講這些原則考慮進(jìn)去，可以使用虛擬模型的方法來驗(yàn)證是否符合設(shè)計(jì)原則。有些工具和組件需要根據(jù)具體的技術(shù)需求來進(jìn)行選擇，這些工具和組件被稱為非平臺(tái)元件，專門為各種不同需求的機(jī)器設(shè)計(jì)。這些特定功能的裝置在生產(chǎn)中只進(jìn)行少量的生產(chǎn)。

Z/敘y/斂Wei、拴制曰Wciz-DO5/\、:Z/敘y/斂Wei、拴制曰Wciz-DO5/\、:Z軸定位一測(cè)壘測(cè)量片記錄Z軸定位物體位B的控制探頭位蚤的控制圖3功能框架接下來需要根據(jù)功能需求來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。特定的功能結(jié)構(gòu)和導(dǎo)軌是實(shí)現(xiàn)機(jī)器特定功能的基礎(chǔ)，可以使用構(gòu)造模型來尋求可行的方案，也可對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行拓展來解決新的問題。最后階段是對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)，并將所有必須的文檔詳細(xì)記錄下來。四、設(shè)計(jì)原則高精度機(jī)器需要具有良好的高精度動(dòng)態(tài)性能，為了達(dá)到這樣的要求，需要在設(shè)計(jì)過程中滿足所有的設(shè)計(jì)原則。但是在高速計(jì)算機(jī)和閉環(huán)控制中設(shè)計(jì)原則的重要性被低估了，這些原則可以用于：避免隨機(jī)錯(cuò)誤和減少系統(tǒng)錯(cuò)誤；減少環(huán)境因素的影響（例如溫度和振動(dòng)）；對(duì)系統(tǒng)行為進(jìn)行預(yù)測(cè)；簡(jiǎn)化機(jī)械控制。技術(shù)原理的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)機(jī)器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在早期階段需要找到影響最大的誤差源和最重要的部件，計(jì)算誤差并進(jìn)行補(bǔ)償。在設(shè)計(jì)的開始階段就應(yīng)遵守設(shè)計(jì)原則，為了達(dá)到能夠達(dá)到的最高精度，需要在設(shè)計(jì)的所有過程中遵循設(shè)計(jì)原則。下面是最重要的兒條原則。小誤差消除原則：盡可能避免系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。例如根據(jù)阿貝原則，將被測(cè)件和標(biāo)準(zhǔn)件放置在一條直線上可以避免一次誤差。這個(gè)原則也可用于三維系統(tǒng)（如圖4所示）。

圖4阿貝原則在三維坐標(biāo)中的應(yīng)用功能分割原則：根據(jù)功能的等級(jí)，可以將整個(gè)功能分解為多個(gè)子功能，這些功能可以通過系統(tǒng)組件將輸入轉(zhuǎn)化為所需的輸出。為了達(dá)到高精度和高可靠性，功能分割原則是必不可少的。為了減少控制回路中兒個(gè)組件相互影響產(chǎn)生誤差，必須保證每個(gè)組件或子元件能獨(dú)立完成一個(gè)功能。此外，需要將組件尺寸和公差盡可能做到最小，但是這個(gè)原則增加了體積和組件數(shù)量，導(dǎo)致整體體積變大。功能整合原則：相反，功能整合原則將多個(gè)功能整合到一個(gè)組件中。這個(gè)原則適用于設(shè)計(jì)緊湊、小型化、輕量化以及機(jī)械接口較少的組件。對(duì)于輔助功能，一般采用這個(gè)原則。需要根據(jù)實(shí)際情況選擇是遵守功能分割原則還是功能整合原則。力傳遞原理精密機(jī)械設(shè)計(jì)的一般原則是達(dá)到短而直接的力流。為了使變形最小化，并且以最好的方式使用零件和材料容量，力應(yīng)該優(yōu)選地引起拉伸或壓縮應(yīng)力，而不是彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。虛擬樣機(jī)技術(shù)可以用來模擬和優(yōu)化力流。如果沒有瞬時(shí)力矩的直接力流是不可能的，則應(yīng)采取附加措施。例如，力不應(yīng)導(dǎo)致一個(gè)小的相反運(yùn)動(dòng)，如在下面的圖片中所見（圖5）。centerofaravitydnvinaforceFigurecenterofaravitydnvinaforceFigure5-DynamicForceCompatibleArrangement圖五動(dòng)態(tài)力協(xié)調(diào)布置在左側(cè)的圖中，驅(qū)動(dòng)力導(dǎo)致與力相反的小運(yùn)動(dòng)，這可以混淆控制器。為了優(yōu)化動(dòng)態(tài)性能，應(yīng)該首選右邊的設(shè)置。對(duì)稱性原理為了求得均勻的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，精密機(jī)械不僅要對(duì)機(jī)械部件和力進(jìn)行對(duì)稱設(shè)計(jì)，而且要對(duì)熱氣流進(jìn)行對(duì)稱設(shè)計(jì)。所有的致動(dòng)器，都是熱源，為了使機(jī)器中的溫度梯度最小化，應(yīng)該被對(duì)稱放置。結(jié)合嚴(yán)格約束設(shè)計(jì)原理，對(duì)稱的3個(gè)點(diǎn)支撐設(shè)置在120°角度，形成三角形。精確約束設(shè)計(jì)原理整個(gè)機(jī)器可視為剛體和關(guān)節(jié)為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)鏈。部件的機(jī)械接口或彈性區(qū)域作為接頭。使用精確約束設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)鏈或子鏈必須滿足所要求的和預(yù)先規(guī)定的自由度。這可以很容易地使用切比雪夫方程來計(jì)算。過多約束的機(jī)構(gòu)裝置需要小的兒何公差，導(dǎo)致需要高精度的制造或調(diào)整裝置。然而，過度約束的機(jī)制是非常敏感的干擾影響。因此，精密部件應(yīng)該基于確定性設(shè)計(jì)。例子

高精度機(jī)器的一種可能的解決方案如圖6所示。給定的設(shè)計(jì)原理將在機(jī)器設(shè)計(jì)的這個(gè)例子中描述。用三個(gè)固定激光干涉儀測(cè)量承載物體的三面鏡的位置。通過干涉儀的布置消除了一階位置誤差。阿貝原則將在所有三個(gè)軸上是很重要的，因?yàn)槿齻€(gè)激光束的延長線在都在一個(gè)點(diǎn)（所謂的阿貝點(diǎn)），這與工具的工作點(diǎn)一致［2lo計(jì)量框架從機(jī)器框架分離出來（圖4）。這將計(jì)量框架與不必要的力和振動(dòng)隔離開來。另一個(gè)例子是靜態(tài)（重力）和動(dòng)態(tài)力的分離。在Z方向上移動(dòng)時(shí)，一個(gè)單獨(dú)的機(jī)構(gòu)必須承載所有部件的重量。Z致動(dòng)器只產(chǎn)生動(dòng)態(tài)力來移動(dòng)具有最高分辨率的平臺(tái)。為了達(dá)到單向力，重量不能完全補(bǔ)償。 I 激光束LawrBeamXY平面驅(qū)動(dòng)RotationCompemationX?YPianaDnve花崗巖基底GraniteBaseZAxisDrive?GuideFigure6—TechnicalPrincipleObjactObjectCarrierMirror激光束LawrBeamXY平面驅(qū)動(dòng)RotationCompemationX?YPianaDnve花崗巖基底GraniteBaseZAxisDrive?GuideFigure6—TechnicalPrincipleObjactObjectCarrierMirrorWeightCompensationX-YPlanarBearingZ軸驅(qū)動(dòng)器+導(dǎo)軌重量補(bǔ)償X-Y平面軸承\(zhòng)LaserBeamX?YPtanarDfiw對(duì)象對(duì)象載體鏡子游轉(zhuǎn)補(bǔ)償作為功能集成的一個(gè)例子，xy平面驅(qū)動(dòng)只在一個(gè)平面內(nèi)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，該平面靠近運(yùn)動(dòng)的重心。傾斜的時(shí)間將變得最小，導(dǎo)致二階測(cè)量誤差。設(shè)計(jì)對(duì)稱是為了避免熱點(diǎn)和不必要的熱影響。X-Y平面驅(qū)動(dòng)器被板屏蔽以減少對(duì)流。因此，可以減少對(duì)激光束的熱影響。所有功能元件的耦合都受到很好的約束。這對(duì)于避免由動(dòng)態(tài)力或不同膨脹系數(shù)改變引起的變形是非常重要的。五、虛擬樣機(jī)從設(shè)計(jì)的早期階段開始的虛擬樣機(jī)方法［7,&9］可用于檢查，技術(shù)原理與具體實(shí)施方案設(shè)計(jì)包含將工作的部件和組件。為此目的，有兒種不同的工具。MASP是一種用于約束求解的工具，在我們的案例中用來模擬原理的運(yùn)動(dòng)、力和公差的解決方案。接下來的工具是多體系統(tǒng)仿真（ALASKA）和有限元分析（CosmosWorks和ANSYS）?高精度機(jī)床的一個(gè)典型部件是用于干涉測(cè)量中的測(cè)量鏡系統(tǒng)。在三坐標(biāo)系中測(cè)量物體的位置是必要的。Figure7一FEAdeformationofmeasuringmirror' 圖7測(cè)量鏡的FEA變形對(duì)于測(cè)量鏡的給定例子（圖7）,優(yōu)化其支撐點(diǎn)的位置是很重要的。其目的是在重力作用下的鏡面變形最小化。因?yàn)殓R子的材料是陶瓷玻璃，所以只允許很小的應(yīng)力。為了解決這一問題，生成了一個(gè)參數(shù)化CAD模型，只需一個(gè)參數(shù)就可以很容易地改變支撐點(diǎn)的位置。支撐點(diǎn)本身被建模為接觸區(qū)域，以盡可能地符合真實(shí)系統(tǒng)。虛擬樣機(jī)技術(shù)非常有用，并且越來越有必要，特別是對(duì)于那些常用的非常復(fù)雜和具有可擴(kuò)展性的重要機(jī)器部件。在設(shè)計(jì)過程中可以不用物理原型進(jìn)行測(cè)試。因此，仿真結(jié)果和未來行為的知識(shí)可以被集成到整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。其目的是在設(shè)計(jì)的早期階段對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)做出重要的決定。因此，可以節(jié)省時(shí)間和金錢，并能達(dá)到更好的設(shè)計(jì)方案。六、結(jié)論高精度機(jī)床的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單可靠，極其精確。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，持續(xù)使用設(shè)計(jì)方法和原則是超精密儀器設(shè)計(jì)過程中的有力工具，這種方法具有極高的精度、重復(fù)性和穩(wěn)定性要求。他們以更具確定性和可理解的方式來闡述機(jī)器概念確實(shí)是一個(gè)很大的幫助。通過使用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以優(yōu)化機(jī)器部件的布置和形狀。因?yàn)楦呔葯C(jī)器是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，所以分開處理部件是有用的，但是必須考慮部件的相互作用。進(jìn)一步的研究必須通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試的設(shè)計(jì)原則和評(píng)估虛擬樣機(jī)的結(jié)果。ReferencesTakamasu.K.etal.,八Developmentofnano-CMMandparallel-CMM一CMMinthe21thcentury",ProceedmgsofInternationalDimensionalMetrologyWorkshop1999,Temiesse,1999Jager,G.etal.,^OperationandAnalysisofaNanopositioningandNanomeasiiringIvlachine",ASPEAnnualMeeting2002Hausotte,T.,44Nanopositiomer-undNanomessmaschine'\Dissertation.Isle、Ilmenau,2002Leitz2004丄eitzPMM-C"brochureLeitzMessteclmikGmbHTheska,R.etal.,'AdvancedDesignPrmciplestoDev已lopNanopositiomiigMachines'：Proceedmgsof4theuspen.Glasgow,2004,pp440-441Krause.W.,4tGeratekonstniktionmFemwerktechnikundElektromkk\CarlHanserVerlag.Munchen.2000Kunz、A.etal?^Innovationatthedigitalproduct-theuseofvirtualproductdevelopmentprocess'；ProceedmgsofICED01,Vol.1,Glasgow,2001.pp.693-700Brix.T.etal.,<€Multi-stagemodelimginearly