立体式双位工作台设计与误差分析

戴 劲

(哈尔滨工程大学 机电工程学院，哈尔滨150001)

随着制造业技术的发展，要求零部件加工精度越来越高，在加工过程中存在在线检测的问题。现有的加工过程只有一个工位，即加工与检测是相互分离的，要实现对加工过程中工件的检测，则必须将工件取下，送到检测部门进行检测［1－4］。一般的粗加工要求，这一方法是可行的，但在精加工过程中，工件的二次安装将引起极大的安装偏差，从而无法根据检测数据对工件进行精修［5－7］。文中提出一种立体式双位工作台，可用于制造业的加工过程，其主要可解决加工过程的检测问题。其设计思想是:设计的双位工作台完全相同，每一工作台均可作为在线加工工位与在线检测工位。当被加工件处于在线加工工位时，位于另一工位上的工件处于在线检测工位，此时可以实现在线检测。检测完成后可根据检测结果对工件进行进一步加工，实现加工与检测过程同时进行，以达到精密加工的目的。

1 挠性陀螺接头的加工与检测

惯性导航器件中挠性陀螺接头件，如图1 所示。该零件加工要求定位筋厚度一致，其厚度的一致性小于1 μm，最终达到定位筋刚度一致的目的。挠性陀螺接头件定位筋的加工是通过加工两侧圆孔形成的，因此在加工过程中要求检测两个加工孔的半径及中心位置，用以保证定位筋的厚度。从目前的手段来看，挠性陀螺接头件要在加工过程中进行检测，必须将其取下，检测完毕后再进行重新安装，其二次定位偏差大于1 μm，从而使离线检测变得毫无意义。因此，目前的生产方法加工出的挠性陀螺接头件定位筋的加工精度是由机床自身决定，最终通过手工研磨达到刚度一致的目的。类似这样的挠性器件的加工过程完全是一个“开环环节”，无法保证加工的精度，成品率低。

图1 挠性陀螺接头Fig．1 Flexible gyro joints

2 双位工作台的设计

文中所设计的双位工作台，如图2 所示。主要由互相垂直的H 形导轨、工作台、检测机构、定位机构等四部分组成。

图2 双位工作台结构Fig．2 Double-table structure

2.1 H 形导轨

H 形导轨是利用气浮系统(或其他无摩擦系统)和线性驱动系统驱动x、y 轴运动以达到高速、高准确地直线传输与定位，其主要包含驱动部件与定位检测部件。

驱动部件由伺服电机控制，电机的运动量由定位检测部件的输出量给反馈信号，对双位工作台当前的位置进行驱动，达到所要求的位置。定位检测部件由光电开关和激光干涉仪组成，光电开关以平台驱动到特定位置，会遮断光而判断平台的相对归零位置和极限位置。激光干涉系统是以双频激光与平台上的反射镜镜组组成，其反射光因光程差产生干涉条纹来计算平台行进和偏转的实时位置。激光由分光器分成三束光，分别导至x 轴、y 轴和θ 角，每束光都会跟平台上之条状镜组反射光产生干涉，经由计算可准确得知激光头和平台的相对位置。分光镜将激光头的光分至三个干涉仪，干涉仪利用入射线与经由反射镜组的光，因为光程差的不同产生干涉，干涉而得的光可利用光纤导入PCB 版中进行量测与计算。整个平台移动坐标系统和范围如图3所示。

图3 工位台坐标及范围示意Fig．3 Station coordinates and range indicate

x 轴运动范围在±100 mm 之间，y 轴运动范围在－160～100 mm 之间，相对归零位置为(－85，－150)，预留一定的空间用于调整。该部分工作台范围及归零位置可根据实验进行设计，此处所给的数据仅仅是对某种情况而言的。

2.2 工作台

工作台为三层立体式结构，如图4 所示。工作台可进行二维微位移运动及旋转运动，同时可实现工件安装后的调平、调倾与同心的调节。其中，二维微位移运动实现工件在x 与y 方向的微量调节，与双H 形导轨组成宏微调节机构。旋转运动则为静压轴系、密珠轴系和气浮轴系等，实现高精度的回转运动。工作台位置的调整由执行机构自动完成。

图4 工作台基本结构Fig．4 Basic structure of table

2.3 检测机构

检测机构主要由线性检测器件与圆周检测器件组成。线性检测器件用于线位移检测，根据不同的精度要求可选择线性光栅尺和激光干涉仪等，可检测双H 形导轨的运动。同时也可检测工作台上的二维微位移运动。而圆周检测器件则用于回转位的定位检测，同时为工作台的调平调倾起反馈作用。

2.4 定位机构

定位机构为双位工作台换位工作后的定位，其对应线位移与角位移定位，在x 与y 方向的线定位精度在十微米量级，对回转的角定位精度在3'量级。自身定位完成后，则由检测机构读出实际的定位位置，把检测机构读出的数据作为反馈信息送给各自执行机构，使工作台换位后的线性定位精度达到亚微米量级，回转定位精度达1″量级。

3 误差分析

对x－y 平台而言，其主要误差来源为激光干涉仪与平台几何角度的微小误差，造成干涉计算结果的不准确，一般称之为ABBE 参数。此参数有多种，文中分析最重要的两种。

3.1 平台驱动倾斜引起的误差

当平台驱动倾斜时，入射的激光投射在条状镜组上，其反射光的位置与实际平台平面有一微小高度差h，从而造成在不同位置x1时其定位不准，平台倾斜引起的误差，如图5 所示。此误差项为

由于倾斜角α 很小，式(1)可简化为

其中，h 的最大值为160 mm，α 最大值为1″，代入式(2)得

此项误差是线性误差，是不进行补偿情况下的最大误差值，是造成工作台定位不准确的主要因素，因此必须控制其大小，或者对其进行补偿。实际中一般根据先验知识预判其大小或其规律，然后在干涉仪中进行实时补偿。补偿后的误差是激光干涉仪自身的误差，为十纳米量级。

图5 平台倾斜引起的误差示意Fig．5 Error caused by tiltiny platform

3.2 入射光与平台不平行引起的误差

对于“激光干涉仪的入射光与平台不平行时引起的误差”是高次误差项，相对较小，为纳米量级。在一般加工与检测中可忽略不计，但在超精密加工与检测时必须考虑。

在不同位置x2，偏差角为β 时引起的误差:

可见，此误差项与平台的倾斜角有关，为非线性误差。对于中心位置，由于位置量x2=0，因此其误差为零。随着位置的不同，其误差逐渐增大，入射光与平台不平行引起的误差仿真，如图6 所示。

图6 入射光与平台不平行引起的误差仿真Fig．6 Error simulation caused due to platform unparallel with incident

4 结束语

利用新的设计思想设计了立体式双位工作台，使在线加工与在线检测可同时进行，互不影响。立体式双位工作台在保证高精度定位的前提下，通过检测机构使工件在换位后能够位于原来的位置，保证了其换位后位置与换位前位置的一致性，为进一步精加工提供了保证。

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