Development of a Driving and Control System of Micro-nano CMM

微纳米三坐标测量机（Micro-nano CMM）是一种用于测量微机械部件尺寸的重要工具，例如微机电系统（MEMS）部件、微型齿轮等。由于其测量精度需要达到数百纳米级别，因此在设计和制造上需要十分精细。本文主要介绍了一种微纳米三坐标测量机驱动与控制系统的开发研究。 在机械结构方面，微纳米CMM包含复杂的机械结构，这些结构设计的目的是为了实现高精度测量。为了避开Abbe误差，工作台的机械结构被特别设计，Abbe误差是测量机测量误差的主要来源之一，表现为测量仪器的指示误差。为减少该误差，需确保测量轴和被测物体的运动轨迹严格平行，这需要特别设计的机械结构来实现。 在信号处理方面，微纳米CMM要求有精密的信号处理系统，以确保获取的测量数据具有高精度和可靠性。此外，探头系统和驱动系统也构成了微纳米CMM的重要组成部分，对测量结果的精确性起着至关重要的作用。 为了实现三维测量和定位，本文提出了一种基于DVD拾取头原理的新颖探头。由于DVD拾取头能够进行精确的激光定位，因此其原理被应用于微纳米CMM的探头设计中，用以提高测量的精确度。 驱动系统方面，微纳米CMM采用三个压电直线电机作为驱动器。压电直线电机因其独特的驱动原理和优异的性能，被广泛应用于精密定位设备中。压电材料能够将电能转换成机械能，即产生直线运动，其响应速度快，定位精度高，适合于微纳米级定位要求的应用场合。 在位置测量单元方面，文章介绍了一种基于反馈效应的激光反馈干涉仪，这种新型位移传感器用作位置测量单元。通过激光的反馈效应来实现对物体位移的精确测量。 针对上述系统的控制策略，提出了新型的驱动与控制策略，使得微纳米CMM能够在较大的行程范围内实现快速且精确的驱动，同时保持纳米级的分辨率。微纳米CMM的行程在X、Y、Z三个轴上分别是50mm×50mm×50mm。驱动系统能够在单向快速稳定地接近不确定距离，并有效防止过冲现象。在模拟状态下，不同距离的定位波动可以限制在±4nm以内。 通过对系统的测试结果表明，本文提出的驱动与控制系统适合于微纳米三坐标测量机。文章中也提到了微纳米CMM的研制已经受到了许多知名机构和大学的重视，例如德国的伊尔梅瑙技术大学、德国的PTB、英国的NPL、美国的NIST等都在开发不同类型的微纳米CMM。由于微纳米CMM需要达到百纳米级别的测量精度，因此每个部件的设计都需要精心考虑。 关键词包括精密仪器与机械、微纳米CMM、压电直线电机、反馈控制等。这些关键词涵盖了本文研究的核心技术和概念。通过这些技术的应用和研究，微纳米CMM的性能得到了极大的提升，满足了微纳米测量领域的严格要求。随着微纳米技术的不断发展，微纳米CMM作为测量微机械部件的关键设备，其精度和应用范围将继续扩展，对于精密工程领域的发展具有重要意义。