摘 要:为了分析纳米级两维微位移工作台引入的测量误差,介绍了其机械结构及工作原理,进行了定位准确度实验和运动方向的直线度(偏摆)实验,实验结果表明,工作台的定位准确度较高,运动方向的直线度在工作台工作范围内无需修正,即可满足高精度测量的需要。
两维微位移工作台是一种纳米级微机械,它的定位准确度、运动方向的直线度和重复性是直接影响其使用精度的关键因素,因此对两维微位移工作台的性能研究和误差补偿研究十分必要,是提高测量及定位精度的关键。
本文在介绍两维微位移工作台机械结构、工作原理的基础上,将详细介绍该工作台定位准确度、运动方向直线度测量的实验装置、测量结果及分析结论。
1 两维微位移工作台的机械结构及工作原理[1]
本项目所使用的两维微位移工作台是德国PI公司的P-73·20型柔性工作台。
P-73·20型柔性工作台是快速、高准确度的XY扫描和定位系统,其扫描范围为100μm×100μm,示值分辨力为10nm。其工作原理是:该复杂的柔性导向系统配备有低压压电驱动定位器,压电驱动力通过一个集成的行进放大器推动多挠曲平行四边形以实现位。其上配备的电容型位置反馈传感器在闭环状态下为定位提供了纳米级的分辨力、稳定性和重复性。
2 两维微位移工作台的位移比较实验
两维微位移工作台的定位准确度实验装置如图1所示,光路由惠普公司的双频激光干涉仪系统[2]HP5528A(10nm分辨力)及其附件组成。调整光路使其与基准工作台的被测轴平行后,控制工作台以10μm的间隔分别定位,且用HP5528A进行对应测量。一次测量结果如表1。
根据表1测试数据不难发现,X轴位移偏差值线性增长,分析原因可知,这主要是光路与工作台运动方向的平行性引起的,因为工作台工作距离太小,仅为100μm,所以光路与工作台运动方向的平行很难调整。利用平均法线性消除该项误差,得到修正值如表1所示。做出差值对应性曲线(Y轴采用原始值,X轴采用修正值)如图2(机械坐标为HP示值,纵坐标为差值,单位μm),位移对应性曲线(横坐标为PI示值,纵坐标为HP示值,单位μm)如图3所示。
可以看出,位移对应的结果不是线性的,但从测量的总体看(如图3所示),位移对应基本为线性,说明位移对应性较好,在现有的测试条件下,该二维微位移工作台的定位准确度较高。后经大量重复性实验,证明结果稳定、正确。
3 两维微位移工作台的运动直线度试验
两维微位移工作台的运动直线度是表征其运动性能的关键指标,本文使用不确定度为0·1″的光电自准直仪,测试两维微位移工作台的直线度(偏摆),单测回的测量结果见表2、3。
由表中数据可以看出,X轴的直线度为4·47″,Y轴的直线度为14·15″,虽然Y轴偏摆较大,但在100μm的量程上,此偏摆在X轴上产生的位移分量仅为100×sin(14.15″)=6·8nm,在Y轴上产生的位移分量仅为100×[1-cos(14.15″)]=0·0002nm,如此小的影响完全可以忽略不计,所以该偏摆值无需修正。
4 结 论
总之,通过测试结果可以看出,该两维微位移工作台有良好的定位准确度和重复性,其偏摆在工作台的运动范围内不必修正,即可满足高精度测量的要求。
参考文献:
[1] Physik Instrument. XY Piezo Flexure Nano Positioners and Scanners[R].Nano PositioNIng, 1998.
[2] Hewlett PACkard. 5528A Laser Measurement system user’s guide[R].05528-90010,1984
作者简介:崔岩梅(1972-),女,山东人,航空部304所高工,博士,从事几何量计量研究。
