一种超精密三坐标测试平台的制作方法

本实用新型涉及检测设备技术领域，具体涉及一种超精密三坐标测试平台。

背景技术：

三坐标测量机以其精度高、柔性强等特点在现代化的生产制造和航空、航天等国防领域中起着越来越重要的作用。它不仅能够完成各种零件的几何元素、曲线和曲面的测量，而且还可以和其它加工设备，如加工中心、数控机床等设备，联机组成集成系统，实现设计、制造和检测的一体化。随着科学技术的进步和国家对国防科技工业的重视，对三坐标测量机的测量精度的要求也越来越高。提高测量精度不仅包括减小三坐标测量机的机械结构误差、测头的探测误差，还包括减小由环境条件和使用条件带来的测量不确定度等。它广泛引用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。它可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测，例如箱体、导轨、蜗论和叶片、缸体、凸轮、齿轮、形体等空间型面的测量。此外，还可用于画线、定中心孔、光刻集成电路等，并可对连续曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等。由于它的通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、能与柔性制造系统相连接，以成为一类大型精密仪器，有“测量中心”之称。

随着超精密加工技术的飞速发展，对相应的三维检测设备的测量精度的要求也越来越高。三坐标测量机(coordinate measuring machine，CMM)作为一种传统的通用型高精度三维检测设备，在工件形位误差的检测中具有至关重要的作用。三坐标测量机正朝着尺寸小型化以及纳米级精度的方向发展。对其准确进行形位误差测量与不确定度评定，进而保证其微纳米级的测量精度是对其研究的关键。

三维精密测量技术是一种基于精密运动平台的精确检测技术，是超精密机加工行业确保工件质量的重要一环，其具有测量精度高、稳定性好、通用性强(能测长度、角度、形位公差等)、可多维测量、测量效率高等特点。现代精密测量运动平台多采用静压气浮支承导轨形式作为工作平台，能够实现检测对象或超精密加工的精密运动。在结构设计方面，根据适用对象以及测量精度要求的不同，现有三维精密测量气浮平台主要结构形式有龙门式、桥式、悬臂式三种类型，且以移动龙门式结构应用较多，传统龙门式坐标测量机等测量机的垂直方向的移动基本采用的是将驱动装置置于龙门悬臂梁上，对于大型测量机，测量机悬臂梁行程的增加会导致龙门的跨度和高度变大，因此龙门的质量会增加很多，龙门也会因自重的变形量也相应变大，测量机动态性能变差，其在运动精度及存在阿贝误差(阿贝误差是指测量仪器的轴线与待测工件的轴线须在同一直线上，否则即产生误差，此误差称为阿贝误差，通常，假如测量仪器的轴线与待测工件的轴线无法在一起时，则须尽量缩短其距离，以减少其误差值)等方面的缺陷一直是一大难题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提出了一种超精密三坐标测试平台，采用真空预压气浮技术实现检测平台在X、Y、Z向上的无摩擦快速移动，Z向采用双向真空预压气浮组件并通过直线电机直接驱动，减少了Z向的阿贝误差，提高了系统的刚度及承载力，减少了因自重造成的变形量。

本实用新型采用以下方案实现本实用新型，一种超精密三坐标测试平台，包括：基座，所述基座设置成“L”形，“L”形基座的竖直端面上平行间隔设置有两限位块，两限位块之间形成滑道；支承件连接件，所述支承件连接件设置成“7”形，所述支承件连接件的左端边上和底部均安装有方形平板真空预压气浮支承件，所述安装在支承件连接件的左端边上的方形平板真空预压气浮支承件放置于基座上两限位块之间形成的滑道内，安装在支承件连接件底部上的方形平板真空预压气浮支承件放置在基座底板的平面上；安装在支承件连接件下方的X向直线电机，所述X向直线电机包括通过螺栓固定在基座底板上的直线定子和设置在直线定子上的动子，动子与支承件连接件的底部固定连接，直线定子驱动动子带动支承件连接件沿X向直线移动；安装在支承件连接件下方且与X向直线电机平行设置的光栅尺基座，X向光栅尺安装在光栅尺基座顶部；固定在支承件连接件顶部的第一Z向立柱，并行安装在第一Z向立柱一侧的第二Z向立柱，所述第二Z向立柱的底部安装有圆形平板真空预压气浮支承件，所述圆形平板真空预压气浮支承件放置在基座底板的平面上；所述第一Z向立柱和第二Z向立柱的侧壁上均开设有安装槽，所述安装槽内壁上安装有Z向光栅尺，Z向直线电机安装在所述安装槽内并与Z向光栅尺正对设置，第一真空预压气浮组件与Z向直线电机的动子固定连接，Z向直线电机驱动第一真空预压气浮组件沿Z向直线移动；龙门横梁，所述龙门横梁的左端固定在第一Z向立柱的第一真空预压气浮组件上，龙门横梁的右端固定在第二Z向立柱的第一真空预压气浮组件上，所述龙门横梁的顶部设置有安装槽，安装槽的内壁上安装有Y向光栅尺，Y向直线电机安装在所述安装槽内并与Y向光栅尺正对设置，Y向直线电机的动子与第二真空预压气浮组件连接，Y向直线电机驱动第二真空预压气浮组件沿Y向直线移动；固定在第二真空预压气浮组件底部的检测头，所述检测头与工业电脑连接。

优选的，所述第一真空预压气浮组件和第二真空预压气浮组件的结构相同，均包括侧边气浮支承件和连接部气浮支承件，所述侧边气浮支承件由三个独立的方形平板真空预压气浮支承件通过螺钉连接或者焊接成“U”形，连接部气浮支承件通过螺钉固定在“U”形侧边气浮支承件的顶部，所述连接部气浮支承件的内壁与直线电机的动子固定连接。

优选的，所述方形平板真空预压气浮支承件包括轴套壳和第一气浮微孔盖板，所述轴套壳内部设置有一个密闭的第一真空吸附腔，第一真空吸附腔的中心开设有第一抽气孔，轴套壳的侧壁上设置有第一泄气孔，所述第一抽气孔与第一泄气孔之间通过管道连接，第一真空吸附腔的周侧设置有多个呈“回”字形分布且向外渐扩的第一气膜腔，轴套壳的侧壁上设置有第一进气孔，所述第一进气孔与每个第一气膜腔连通，第一气浮微孔盖板盖覆在第一气膜腔上，第一气浮微孔盖板与第一真空吸附腔和轴套壳接触处均以密封胶密封连接。

优选的，所述连接部气浮支承件包括壳体，壳体内侧盖覆有盖板，壳体上设置有两个并行间隔分布的气浮腔体，气浮腔体内开设有第二气膜腔，第二气膜腔表面盖覆有第二气浮微孔盖板，壳体端边上还设置有与气浮腔体对应的第二进气孔，所述第二进气孔与第二气膜腔通过管道连通，每个气浮腔体的左右两端均设置有一个第二真空吸附腔，每个第二真空吸附腔的中心均设置有第二抽气孔，壳体端边上对应设置有第二泄气孔，第二抽气孔与第二泄气孔之间通过抽真空管连接。

优选的，所述基座上安装有两个对称设置的限位器，两个限位器正对支承件连接件设置，支承件连接件在两个限位器之间移动。

优选的，所述光栅尺基座的前后两端安装有X向光电限位开关。

优选的，所述第一Z向立柱和第二Z向立柱的安装槽内壁上均安装有Z向光电限位开关。

优选的，所述龙门横梁的安装槽内壁上安装有Y向光电限位开关。

本实用新型提供的一种超精密三坐标测试平台的有益效果在于：

(1)本超精密三坐标测试平台Z向通过双向真空预压气浮组件，并通过直线电机直接驱动，减少了Z向的阿贝误差，提高了系统的刚度及承载力，同时避免的传统将Z向运动装置置于龙门悬臂梁上的结构，减少了因其自重造成的变形量，悬臂龙门横梁采用真空预压气浮组件的机械结构，实现高刚度、高承载力，并可以通过真空预压气浮组件的负压调节，实现实时制动；

(2)本超精密三坐标测试平台X向采用单边导轨系统，避免传统的双闭式气浮导轨系统，安装简单，X向的方形平板真空预压气浮支承件通过正负压的调节，实现在侧边的无摩擦运动，并通过直线电机与光栅反馈系统实现全闭环控制，Z向的真空预压气浮组件通过双向的直线电机驱动，双光栅反馈系统实现垂直方向的精密控制，Y向的真空预压气浮组件通过电机与光栅系统实现Y向的精密控制，通过控制三个方向的运动实现精密联动控制，X向侧边的真空预压气浮支承件可以限制其Y向的自由度，防止出现窜动现象；

(3)本超精密三坐标测试平台采用真空预压技术，通过改进的悬臂龙门横梁真空预压结构实现快速无摩擦运动，并提高整体系统的刚度，实现超精密测量；

(4)本超精密三坐标测试平台为静压气浮导轨和直线电机驱动技术的超精密气浮定位工作平台，是以气体作为润滑剂，在工作平台和静止导轨面之间产生气膜，使两者在无接触的情况下实现相对运动的支撑元件，与电磁轴承相比，它具有结构简单、制造容易和便于推广的优点；与传统滚动轴承和油润滑轴承相比，更适用于摩擦小、速度高、精度高和无污染的场合。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构示意图Ⅰ。

图2为本实用新型的立体结构示意图Ⅱ。

图3为本实用新型中传动结构拆解示意图。

图4为本实用新型的部分结构放大示意图Ⅰ。

图5为本实用新型的部分结构放大示意图Ⅱ。

图6为本实用新型中第二真空预压气浮组件的立体结构示意图Ⅰ。

图7为本实用新型中第二真空预压气浮组件的立体结构示意图Ⅱ。

图8为本实用新型中方形平板真空预压气浮支承件的立体结构示意图。

图9为本实用新型中方形平板真空预压气浮支承件的内部结构示意图。

图10为本实用新型中连接部气浮支承件的立体结构示意图。

图11为本实用新型中连接部气浮支承件的内部结构示意图。

图中：1、基座；2、方形平板真空预压气浮支承件；3、支承件连接件；4、X向光电限位开关；5、限位器；6、X向光栅尺；7、光栅尺基座；8、X向直线电机；81、直线定子；82、动子；9、限位块；10、第一Z向立柱；11、第一真空预压气浮组件；12、龙门横梁；13、圆形平板真空预压气浮支承件；14、第二Z向立柱；15、Y向光电限位开关；16、Y向直线电机；17、检测头；18、Y向光栅尺；19、Z向光电限位开关；20、Z向直线电机；21、Z向光栅尺；22、第二真空预压气浮组件；210、轴套壳；220、第一气浮微孔盖板；230、第一真空吸附腔；240、第一进气孔；250、第一抽气孔；260、第一泄气孔；270、第一气膜腔；31、连接部气浮支承件；310、壳体；320、盖板；330、第二真空吸附腔；331、第二抽气孔；332、抽真空管；333、第二泄气孔；340、气浮腔体；341、第二进气孔；342、第二气膜腔；343、第二气浮微孔盖板。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本实用新型的保护范围。

实施例：一种超精密三坐标测试平台。

参照图1至图11所示，一种超精密三坐标测试平台，包括：

基座1，所述基座1由一块水平设置的表面光滑的大理石板和一块竖直设置的表面光滑的大理石板拼接成“L”形，“L”形基座1的竖直端面上平行间隔设置有两限位块9，两限位块9之间形成滑道，大理石基座1表面光滑平整，利于真空预压气浮组件在其表面形成均匀的气膜；

支承件连接件3，所述支承件连接件3设置成“7”形，利于支承件连接件3同时与基座1的水平面和竖直面对接，且方便底部驱动装置和测量装置的安装；所述支承件连接件3的左端边上和底部均安装有两个平行设置的方形平板真空预压气浮支承件2，方形平板真空预压气浮支承件2与支承件连接件3之间通过螺栓固定，所述安装在支承件连接件3的左端边上的方形平板真空预压气浮支承件2放置于基座1上两限位块9之间形成的滑道内，安装在支承件连接件3底部上的方形平板真空预压气浮支承件2放置在基座1底板的平面上(参照图1和图4所示)；所述方形平板真空预压气浮支承件2包括轴套壳210和第一气浮微孔盖板220，轴套壳210为一个密闭的空间，第一气浮微孔盖板220表面均匀开设有直径为5微米的通孔，所述轴套壳210内部设置有一个密闭的第一真空吸附腔230，第一真空吸附腔230的中心开设有第一抽气孔250，轴套壳210的侧壁上设置有第一泄气孔260，所述第一抽气孔250与第一泄气孔260之间通过管道连接，第一泄气孔260与外部的抽真空装置通过管道连接，第一真空吸附腔230的周侧设置有多个呈“回”字形分布且向外渐扩的第一气膜腔270，轴套壳210的侧壁上设置有第一进气孔240，所述第一进气孔240与每个第一气膜腔270连通，第一进气孔240与外部的进气设备通过管道连接，第一气浮微孔盖板220盖覆在第一气膜腔270上，第一气浮微孔盖板220与第一真空吸附腔230和轴套壳210接触处均以密封胶密封连接(参照图8和图9所示)；在实际的使用过程中，外部进气设备向第一进气孔240内通入高压气体，高压气体进入第一气膜腔270后经过均匀分散后通过第一气浮微孔盖板220上的微孔喷出并在大理石基座表面形成气膜(产生正压)，从而使得支承件连接件3在空中实现悬浮，当移动至准确位置后，停止通气，并且通过抽真空装置抽气(产生负压)，通过第一真空吸附腔230的中心开设的第一抽气孔250使得第一真空吸附腔230表面形成负压，达到定点即刻停止的目的；

安装在支承件连接件3下方的X向直线电机8，所述X向直线电机8包括通过螺栓固定在基座1底板上的直线定子81和设置在直线定子81上的动子82(参照图5所示)，动子82与支承件连接件3的底部通过螺丝固定连接，X向直线电机8的工作原理为：直线定子81与动子82上下面之间设置有一个活动间隙，在重力作用下动子82插入至直线定子81内，此时动子82无法在直线定子81上移动(锁死状态)，当动子82受到拉力(或者反推力)克服重力向上移动时会与直线定子81之间产生间隙(解锁状态)，此时，在直线定子81的驱动下，动子82可在直线定子81上直线移动，当外力撤除，动子82在重力作用下重新插入直线定子81，动子82再次锁死；当需要进行移动时，向方形平板真空预压气浮支承件2内通入高压气体，在气浮作用下使得支承件连接件3向上浮动，支承件连接件3上浮会带动动子82与直线定子81产生移动间隙，然后直线定子81驱动动子82带动支承件连接件3沿X向直线移动，实现支承件连接件3在底部和侧边的无摩擦运动，当抽真空装置抽气(产生负压)时，动子82在重力作用下落入直线定子81(直线电机停止工作)，达到定点即刻停止的目的，不会产生因为惯性或者拖动造成移动位置不精确的现象；

安装在支承件连接件3下方且与X向直线电机8平行设置的光栅尺基座7，X向光栅尺6安装在光栅尺基座7顶部，光栅尺基座7的前后两端安装有X向光电限位开关4，X向光电限位开关4、X向光栅尺6与X向直线电机8实现全闭环连接，X向光栅尺6用于精确测量支承件连接件3在X向上移动的坐标，并将信号反馈至X向直线电机8可用于精确控制支承件连接件3在X向上的移动，X向光电限位开关4用于控制支承件连接件3在X向上移动的最大距离，防止脱轨，基座1上安装有两个对称设置的限位器5，两个限位器5正对支承件连接件3设置，支承件连接件3在两个限位器5之间移动；

固定在支承件连接件3顶部的第一Z向立柱10，并行安装在第一Z向立柱10一侧的第二Z向立柱14，所述第二Z向立柱14的底部安装有圆形平板真空预压气浮支承件13，圆形平板真空预压气浮支承件13与方形平板真空预压气浮支承件2的内部结构相同(外观不同)，圆形平板真空预压气浮支承件13放置在基座1底板的平面上；

第一Z向立柱10和第二Z向立柱14的侧壁上均开设有安装槽，所述安装槽内壁上安装有Z向光栅尺21，Z向光栅尺21的上下端边上均安装有Z向光电限位开关19，Z向直线电机20安装在所述安装槽内并与Z向光栅尺21正对设置，Z向光栅尺21、Z向光电限位开关19和Z向直线电机20之间闭环连接，第一真空预压气浮组件11与Z向直线电机20的动子固定连接，Z向直线电机20驱动第一真空预压气浮组件11沿Z向直线移动；所述第一真空预压气浮组件11包括侧边气浮支承件和连接部气浮支承件31，所述侧边气浮支承件由三个独立的方形平板真空预压气浮支承件2通过螺钉连接成“U”形，连接部气浮支承件31通过螺钉固定在“U”形侧边气浮支承件的顶部，所述连接部气浮支承件31的内壁与Z向直线电机20的动子通过螺栓固定连接(如图6和图7所示)；所述连接部气浮支承件31包括壳体310，壳体310内侧盖覆有盖板320，壳体310上设置有两个并行间隔分布的气浮腔体340，气浮腔体340内开设有第二气膜腔342，第二气膜腔342表面盖覆有第二气浮微孔盖板343，第二气浮微孔盖板343表面均匀开设有直径为5微米的通孔，壳体310端边上还设置有与气浮腔体340对应的第二进气孔341，所述第二进气孔341与第二气膜腔342通过管道连通，第二进气孔341与外部进气设备通过管道连接，每个气浮腔体340的左右两端均设置有一个第二真空吸附腔330，每个第二真空吸附腔330的中心均设置有第二抽气孔331，壳体310端边上对应设置有第二泄气孔333，第二抽气孔331与第二泄气孔333之间通过抽真空管332连接，第二泄气孔333与外部的抽真空设备通过管道连接(参照图10和图11所示)；连接部气浮支承件31的工作原理与方形平板真空预压气浮支承件2相同，支承时，外部进气设备通过第二进气孔341进气，并通过在气浮腔体340表面形成气膜，在反推力的作用下使得直线电机的动子82与直线定子81之间产生移动间隙(此时动子82与直线定子81之间无摩擦力)，然后直线定子81驱动动子82直线移动，移动到位后，第二真空吸附腔330抽真空，使得动子82落入直线定子81中，直线电机即时停止动作(精准定位)，连接部气浮支承件31设计成两个气浮腔体340并行间隔分布，是为了方便连接部气浮支承件31的中间部位与动子82更好的连接；本实施例中，Z向上采取双向真空预压气浮组件，并通过直线电机直接驱动，减少了Z向的阿贝误差，提高了系统的刚度及承载力，同时避免的传统将Z向运动装置置于龙门悬臂梁上的结构，减少了因其自重造成的变形量；

龙门横梁12，所述龙门横梁12的左端固定在第一Z向立柱10的第一真空预压气浮组件11上，龙门横梁12的右端固定在第二Z向立柱14的第一真空预压气浮组件11上，所述龙门横梁12的顶部设置有安装槽，安装槽内壁上安装有Y向光栅尺18，Y向光栅尺18左右端边上安装有Y向光电限位开关15，Y向直线电机16安装在所述安装槽内并与Y向光栅尺18正对设置，Y向直线电机16的动子与第二真空预压气浮组件22连接，Y向直线电机16驱动第二真空预压气浮组件22沿Y向直线移动，其中第二真空预压气浮组件22与第一真空预压气浮组件11的结构相同，第二真空预压气浮组件22中的连接部气浮支承件31与Y向直线电机16的动子通过螺栓固定连接，移动时，通过连接部气浮支承件31向下喷气形成气膜，使得Y向直线电机16的动子与直线定子之间产生移动间隙，直线定子驱动动子带动第二真空预压气浮组件22在Y向上直线移动，Y向光栅尺18可以检测第二真空预压气浮组件22在Y向上的准确移动坐标，移动至检测位置后，通过控制第二真空预压气浮组件22中的第二真空吸附腔330产生负压，使得第二真空预压气浮组件22可以即刻定点停止在检测位置上；

固定在第二真空预压气浮组件22底部的检测头17，检测头17用于检测放置在基座1上的待检测物体，并将检测数据传输至工业电脑上。

本实施例中，检测头17可以通过Y向直线电机16驱动第二真空预压气浮组件22在Y向上移动，进而精确控制检测头17在Y向上的位移(Y向光栅尺18可以精确计量)，并且第二真空预压气浮组件22采用真空预压气浮技术套接在龙门横梁12，可以减少龙门横梁12的承重，防止龙门横梁12变形，第二真空预压气浮组件22采用直线电机直接驱动，可以减少移动检测时Y向的阿贝误差；Z向采用两个第一真空预压气浮组件11套接在Z向立柱的机械结构，并通过两个Z向直线电机20直接驱动，可以提高系统的刚度及承载力，减少因自重造成的变形量，提高Z向移动的准确度，同时避免了传统将Z向运动装置置于龙门悬臂梁上的结构，减少了因其自重造成的变形量，减少Z向的阿贝误差；X向采用单边导轨系统(安装在支承件连接件3的左端边上的方形平板真空预压气浮支承件2放置于基座1上两限位块9之间形成的滑道内)，支承件连接件3的底部及第二Z向立柱14底部的圆形平板真空预压气浮支承件13均只需放置在基板1上即可，安装简单，避免传统复杂的双闭式气浮导轨结构，X向侧边的方形平板真空预压气浮支承件2可以限制支承件连接件3在Y向上的自由度，防止出现窜动现象，并且X向的方形平板真空预压气浮支承件2通过正负压的调节，实现在侧边的无摩擦运动，利于X向上移动位置的精确控制。本超精密三坐标测试平台在X、Y、Z向上均采用真空预压气浮技术实现无摩擦快速移动，并且在X、Y、Z向上均采用直线电机与光栅反馈系统实现全闭环控制，通过控制三个方向的运动实现精密联动控制，实现超精密测量。

本超精密三坐标测试平台为静压气浮导轨和直线电机驱动技术的超精密气浮定位工作平台，是以气体作为润滑剂，在工作平台和静止导轨面之间产生气膜，使两者在无接触的情况下实现相对运动的支撑元件，与电磁轴承相比，它具有结构简单、制造容易和便于推广的优点；与传统滚动轴承和油润滑轴承相比，它更适用于摩擦小、速度高、精度高和无污染的场合。

本实用新型使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中常规的型号，气路、电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。

以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，但本实用新型不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。