精密測(cè)量?jī)x器中微位移調(diào)整方法淺談

韓永剛

中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì) 北京 100088

近年來(lái)，精密測(cè)量技術(shù)不斷發(fā)展，而精密加工和超精密加工技術(shù)也越來(lái)越多的應(yīng)用到機(jī)械、光學(xué)、電子、半導(dǎo)體和電子信息技術(shù)等領(lǐng)域。精密測(cè)量和精密加工都離不開(kāi)微位移調(diào)整和微位移定位技術(shù)，如何合理選擇調(diào)整、定位方法，提高性價(jià)比成為降低精密加工制造成本的關(guān)鍵一環(huán)。

1 微位移調(diào)整的分類

在我們的儀器研發(fā)工作中，往往需要對(duì)一些關(guān)鍵器件進(jìn)行空間姿態(tài)調(diào)整。空間姿態(tài)調(diào)整包括X、Y、Z、三個(gè)直線方向和α、β、γ三個(gè)角度方向的六個(gè)自由度的調(diào)節(jié)。對(duì)于器件的角度位移調(diào)節(jié)，也是通過(guò)垂直于半徑的直線位移調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換為角位移的調(diào)節(jié)，所以六自由度調(diào)節(jié)歸根到底還是直線位移的調(diào)節(jié)。微位移調(diào)節(jié)常用方法可分為螺紋副調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)變形調(diào)節(jié)和變形器件調(diào)節(jié)三大類，基本原理如下圖所示：

2 微位移調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）螺紋副調(diào)節(jié)方式是指通過(guò)高精度制造加工的螺紋副，直接獲得直線微位移調(diào)節(jié)的方式。螺紋副調(diào)節(jié)方式的靈敏度與螺紋副的螺距選擇以及螺紋結(jié)構(gòu)的加工制造精度直接相關(guān)，通常情況下螺距越小靈敏度越高，零件加工表面粗糙度越高靈敏度越高[1]。

螺紋副螺紋結(jié)構(gòu)的加工一般采用數(shù)控機(jī)床車制加工或磨制加工。螺紋磨床加工的螺紋牙型規(guī)則、表面粗糙度高，螺紋調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)順滑。車床加工的螺紋牙型粗糙，制造成本低。為了提高螺紋副的調(diào)節(jié)靈敏度，我們可以使用細(xì)目金剛砂對(duì)螺牙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研磨，經(jīng)過(guò)研磨后的螺紋副調(diào)節(jié)靈敏度可以得到很大提高。

螺紋副調(diào)節(jié)方式很容易獲得單一方向的自由度調(diào)節(jié)，并且具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)直觀、可靠性高、成本低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

螺紋副調(diào)節(jié)方式的缺點(diǎn)也有很多，第一，由于螺紋副的螺距不可能太小，如果想要達(dá)到微米等級(jí)的靈敏度比較困難。第二，螺紋的運(yùn)動(dòng)摩擦和間隙中的潤(rùn)滑脂膜層，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)的遲滯和爬行現(xiàn)象，帶來(lái)較大的回程誤差，必須配合彈簧等復(fù)位器件來(lái)提高調(diào)節(jié)的靈敏度，并采用單向進(jìn)給的方式來(lái)保證較高的重復(fù)定位精度。

螺紋副調(diào)節(jié)方式也可以通過(guò)結(jié)構(gòu)中的楔形設(shè)計(jì)，通過(guò)轉(zhuǎn)換獲得更小的位移調(diào)節(jié)量，但是增加了運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)，會(huì)降低調(diào)整結(jié)構(gòu)的整體可靠性。

（2）結(jié)構(gòu)變形調(diào)節(jié)方式是指通過(guò)施加外力作用引起結(jié)構(gòu)件發(fā)生彈性彎曲變形，從而間接獲得微位移調(diào)節(jié)的方式[2]。

結(jié)構(gòu)變形調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點(diǎn)是，第一，可以將調(diào)節(jié)靈敏度大大提高，輕松達(dá)到微米級(jí)甚至超微米級(jí)的調(diào)節(jié)靈敏度。第二，變形結(jié)構(gòu)可以在調(diào)節(jié)過(guò)程中直接獲得足夠的彈性回復(fù)力，從而得到很高的靈敏度，并且重復(fù)定位精度高。

結(jié)構(gòu)變形調(diào)節(jié)方式的缺點(diǎn)是，第一，由于變形量的限制，所以不可能獲得較大的調(diào)節(jié)范圍。第二，通過(guò)變形獲得的微位移都是直線位移和角位移組成的復(fù)合位移變化，而不是單一自由度的位移變化。第三，變形調(diào)節(jié)的微位移的一般是非線性的。

（3）變形器件調(diào)節(jié)方式是指通過(guò)壓電陶瓷等器件的自身形狀改變，達(dá)到微位移調(diào)節(jié)的方式。壓電陶瓷堆疊在可控的外界因素電壓的影響下，隨之發(fā)生形狀改變，可以輕松獲得納米級(jí)或超納米級(jí)的調(diào)節(jié)靈敏度。

壓電陶瓷調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點(diǎn)是，第一，調(diào)節(jié)響應(yīng)頻率高、驅(qū)動(dòng)力大、微位移調(diào)節(jié)靈敏度非常高，一般用多于納米級(jí)埃米級(jí)的微位移調(diào)整。第二，通過(guò)電壓信號(hào)控制調(diào)節(jié)量，是非接觸式調(diào)節(jié)方式，從而可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控。

壓電陶瓷調(diào)節(jié)方式的缺點(diǎn)是，第一，由于壓電陶瓷的變形具有遲滯和蠕變的特性，從而帶來(lái)位移調(diào)節(jié)的非線性特性。第二，在高精密定位工作臺(tái)中應(yīng)用，必須采用閉環(huán)控制并進(jìn)行非線性修正，配套的調(diào)控設(shè)備成本非常高。第三，高精密定位情況下，溫度變化和環(huán)境振動(dòng)的影響非常大，因此結(jié)構(gòu)件的材料必須使用低熱膨脹系數(shù)的金屬材料，如殷瓦合金(invar，俗稱殷鋼)材料，同時(shí)采取隔振和恒溫措施[3]。

3 合理選擇微位移調(diào)整方式

（1）大家經(jīng)常會(huì)問(wèn)的一句話，調(diào)節(jié)精度是多少？其實(shí)，調(diào)節(jié)只存在靈敏度的問(wèn)題，即輸出對(duì)輸入的響應(yīng)程度。例如螺紋副調(diào)節(jié)，就是我們做出位移調(diào)節(jié)（輸入）后必然產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)節(jié)結(jié)果（輸出），這個(gè)輸入量越小，則靈敏度越高。而精度是指調(diào)節(jié)后的定位準(zhǔn)確性（輸出結(jié)果），即定位精度。只有調(diào)節(jié)靈敏度高，定位精度才會(huì)高，但調(diào)節(jié)靈敏度高不一定保證定位精度高。

（2）如何合理的選擇微位移調(diào)節(jié)方式？看需求。很多情況下我們只是需要一個(gè)較高的靈敏度來(lái)看現(xiàn)象，不需要考慮定位精度，比如在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，因此只需要選擇簡(jiǎn)單的、性價(jià)比高的螺紋副調(diào)節(jié)方式就能滿足需要。

（3）對(duì)于精密測(cè)量?jī)x器而言，測(cè)量精度當(dāng)然是越高越好。為了達(dá)到超高的測(cè)量精度，我們可能會(huì)需要納米級(jí)定位精度，這時(shí)首先應(yīng)考慮的是外部環(huán)境因素。如果拋開(kāi)溫度漂移和環(huán)境振動(dòng)的影響來(lái)談高精度是不切實(shí)際的，往往會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)精密測(cè)量?jī)x器中關(guān)于微位移調(diào)節(jié)三種常用方式的特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，提出了一些個(gè)人看法和合理選型的建議，希望能對(duì)同行們的研發(fā)工作有所幫助。