精密测量技术是先进生产力的代表，它是集先进制造、自动控制、电子、光学、图形图像及计算机技术为一体的综合性交叉学科，于精密加工紧密联系在一起，近年来，精密测量产业得到迅猛发展。在我们的认知中，主要就是指二次元影像测量仪和三坐标测量机，这二者是精密测量仪器的主要内容。二次元影像测量仪适用于工件二维平面检测，三坐标测量机主要用于被测工件的三维立体的测量。由于空间测量时三坐标测量机应用受限，我司研发制造的多轴精密气浮运动平台用于精密测量系统中。
设备结构图
图1 结构图
图2 结构图
图3 结构图
结构阐述
X轴采用闭式气浮导轨导向，垂直采用真空预载，直线电机驱动和光栅尺闭环反馈，行程400mm，用于X方向连续扫描检测。
Y轴采用龙门气浮导轨导向，双直线电机驱动和双光栅尺闭环反馈，行程500mm，用于Y方向连续扫描检测或步进移动。
XY轴结构优势：工字形平面式气浮结构，使光栅反馈位置在同一水平面，避免因叠层引起的阿贝误差，另外X轴及负载直接承载在大理石气浮面上，避免横梁轴弯曲扰度变形。
A轴气浮转台行程±110°，C轴行程360°连续旋转。因摩擦式轴承转台，在不同速度及位置下的轴向及径向端跳误差不同，重复性较差，机械轴承转台轴向及径向误差在3um-5um，不利于提高整个系统的精度。
AC轴采用自制气浮转台，径向止推气浮轴承采用铝合金材质，紧凑的结构设计及特殊的装配工艺，保证百纳米级别的轴向误差和径向误差，独特的设计使气浮轴承间隙气流均匀分布，保证气浮转台稳定可靠。
AC轴安装方式：A轴轴心线平行于水平面（侧向安装），安装到X轴负载板上；C轴轴心线垂直于水平面（水平安装）。C轴负载5Kg（负载可定制）。
Z轴双工位测量，用于不同空间角度的测量。Z1轴采用气浮轴承导向，直线电机驱动和光栅尺闭环反馈，低摩擦重力平衡气缸做配重，行程150mm，垂向负载30Kg. Z2轴采用龙门气浮导轨导向，双直线电机驱动和双光栅尺闭环反馈，行程150mm，负载30Kg，负载重心与导轨受力面、质心驱动，低摩擦重力平衡气缸配重，见下图。
图4 Z2轴结构图
B轴用于Z方向角度位置调整，行程90°，采用直驱力矩电机驱动，交叉滚柱轴承导向，光栅尺反馈，增加硬限位防止360°连续旋转缠绕AC轴的线缆或损坏工件等，可承受100Kg负载，自重仅11Kg，转台整体高度55mm。
线缆管理
经过多年制造精密运动平台的经验，线缆管理对精度和性能有影响，我们选择进口无尘线缆，精心优化管线弯曲半径，防止动作过程中线缆的拉伸影响到气浮台的性能，以确保无故障操作，减少停机时间。无尘线缆相对于普通的坦克链，更适用于无尘洁净室。
图5 无尘拖链
密封罩设计
龙门轴独特的密封罩设计，带自清扫功能（特殊设计不影响精度性能），防止异物进入气浮导轨内部。防止误操作出现人为伤害。
图6 密封罩示图
大理石基座及横梁气浮导轨设计
采用济南青大理石做龙门基座及桥架，大理石基台的主体结构为1700×1800×350时，第七阶(前六阶为刚体模态，第七阶为柔性模态)模态为300Hz，想要在此基础上进行改进，提高模态，则模态变为407Hz.
图7 大理石模态分析
气浮隔振台
考虑到振动对性能的影响，建议加气浮隔振。产地：德国。
图8 气浮隔振块
支撑钢架设计
采用钢材质焊接钢架，带地脚调平装置，见下图：
图9 支撑钢架
控制方案
控制器，用EtherCAT通讯方式，多轴扩展性能好。在精密运动控制行业性能及精度最有保证。
控制器是基于频域的调试PIV方式，区别于传统PID凑参数方法，类似自整定模式调试方便，易上手。
支持C，.NET等语言二次开发编程，以调用动态链接库的形式，编辑上位机界面省时省力，可直接下载运行，支持G代码和M代码。
软件可安装在Windows ® XP/7/8/10等操作系统下，软件安装成功后，从电脑开始菜单中能够找到相关控制器使用及调试等相关手册，易快速掌握。
配置电控箱
按行业标准设计电控箱，含电路和气路开关，配置气压保护开关，防止断气情况下误操作，损坏气浮运动平台。
图11 电控箱
精度指标
|
轴号 |
X轴 |
Y轴 |
A轴 |
C轴 |
Z1轴 |
Z2轴 |
B轴 |
|
行程 |
400 mm |
500mm |
±110deg |
360deg |
150 mm |
150 mm |
90deg |
|
驱动方式 |
直线电机 |
直线电机 |
直驱 |
直驱 |
直线电机 |
直线电机 |
直驱 |
|
定位精度 （补偿后） |
±250nm |
±300 nm |
±1arc sec |
±1arc sec |
±300nm |
±300nm |
±3arc sec |
|
重复定位精度 |
±200nm |
±200 nm |
±0.3arc sec |
±0.3arc sec |
±200nm |
±200nm |
±1arc sec |
|
直线度 |
400nm/ 100mm |
400nm/ 100mm |
/ |
/ |
±500nm |
±500nm |
/ |
|
平面度 |
400nm/ 100mm |
400nm/ 100mm |
/ |
/ |
±500nm |
±500nm |
/ |
|
Pitch/Yaw |
±1arc sec |
±1arc sec |
/ |
/ |
±1arc sec |
±1arc sec |
/ |
|
同步轴向跳动 |
/ |
/ |
±0.1um |
±0.1um |
/ |
/ |
±5um |
|
同步径向跳动 |
/ |
/ |
±0.1um |
±0.1um |
/ |
/ |
±5um |
|
扫描速度 |
200mm/s |
200mm/s |
60rpm |
60rpm |
100mm/s |
100mm/s |
3rps |
|
速度 |
300mm/s |
300mm/s |
60rpm |
60rpm |
200mm/s |
200mm/s |
3rps |
|
加速度 |
0.5g |
0.5g |
90rad/s² |
200rad/s² |
0.2g |
0.2g |
200rad/s² |
|
负载 |
5kg |
30kg |
30kg |
100kg |
|||
|
正交性 |
XY轴≤±1.5 arc sec |
AC轴≤±2 arc sec |
Z1及Z2与XY轴≤±2 arc sec |
AB轴≤±2 arc sec |
|||
伺服带宽和结构模态分解
气浮精密运动台最关心的指标是最终的定位精度、定位纹波、重复定位精度。因此，详细分析精密运动台对精度的需求满足度。令运动台所需达到的伺服精度为x_error，所受扰动的加速度为a_track, 评估所需伺服带宽时忽略控制器中积分项的影响， x_error/a_track的传递函数低频段渐近线曲线为1/(fb*2π）^2，即：
从而可计算出所需伺服带宽fb。
根据积累的控制经验，第一阶结构固有频率需为伺服带宽3~5倍。结合运动台精度需求，运动台的控制带宽及固有频率分解结果为：
|
模块 |
主要扰动来源分析 |
伺服带宽需求 |
固有频率（第一阶）需求 |
|
龙门直线气浮轴 |
线缆扰动，横梁轴运动作用力 |
≥150Hz |
≥700Hz |
|
横梁气浮直线轴 |
线缆扰动，A轴与C轴固定连接刚度，龙门轴运动作用力 |
≥150Hz |
≥600Hz |
使用环境
|
温度范围 |
20℃±1℃ |
|
温度梯度影响 |
45-55%，50%最佳 |
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最大湿度梯度 |
1PSI+5Pa |
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局部气压变化 |
20Pa/min |
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室内 |
在客户现场根据实际环境进行精度测试，作为最终的验收标准。 |
