精密測量儀器中微位移調整方法淺談

韓永剛

中國儀器儀表學會 北京 100088

近年來，精密測量技術不斷發展，而精密加工和超精密加工技術也越來越多的應用到機械、光學、電子、半導體和電子信息技術等領域。精密測量和精密加工都離不開微位移調整和微位移定位技術，如何合理選擇調整、定位方法，提高性價比成為降低精密加工制造成本的關鍵一環。

1 微位移調整的分類

在我們的儀器研發工作中，往往需要對一些關鍵器件進行空間姿態調整。空間姿態調整包括X、Y、Z、三個直線方向和α、β、γ三個角度方向的六個自由度的調節。對于器件的角度位移調節，也是通過垂直于半徑的直線位移調節轉換為角位移的調節，所以六自由度調節歸根到底還是直線位移的調節。微位移調節常用方法可分為螺紋副調節、結構變形調節和變形器件調節三大類，基本原理如下圖所示：

2 微位移調節的結構特點

（1）螺紋副調節方式是指通過高精度制造加工的螺紋副，直接獲得直線微位移調節的方式。螺紋副調節方式的靈敏度與螺紋副的螺距選擇以及螺紋結構的加工制造精度直接相關，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]。

螺紋副螺紋結構的加工一般采用數控機床車制加工或磨制加工。螺紋磨床加工的螺紋牙型規則、表面粗糙度高，螺紋調節運動順滑。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節靈敏度，我們可以使用細目金剛砂對螺牙結構進行研磨，經過研磨后的螺紋副調節靈敏度可以得到很大提高。

螺紋副調節方式很容易獲得單一方向的自由度調節，并且具備結構簡單、運動直觀、可靠性高、成本低、性價比高等優點。

螺紋副調節方式的缺點也有很多，第一，由于螺紋副的螺距不可能太小，如果想要達到微米等級的靈敏度比較困難。第二，螺紋的運動摩擦和間隙中的潤滑脂膜層，會導致調節的遲滯和爬行現象，帶來較大的回程誤差，必須配合彈簧等復位器件來提高調節的靈敏度，并采用單向進給的方式來保證較高的重復定位精度。

螺紋副調節方式也可以通過結構中的楔形設計，通過轉換獲得更小的位移調節量，但是增加了運動環節，會降低調整結構的整體可靠性。

（2）結構變形調節方式是指通過施加外力作用引起結構件發生彈性彎曲變形，從而間接獲得微位移調節的方式[2]。

結構變形調節方式的優點是，第一，可以將調節靈敏度大大提高，輕松達到微米級甚至超微米級的調節靈敏度。第二，變形結構可以在調節過程中直接獲得足夠的彈性回復力，從而得到很高的靈敏度，并且重復定位精度高。

結構變形調節方式的缺點是，第一，由于變形量的限制，所以不可能獲得較大的調節范圍。第二，通過變形獲得的微位移都是直線位移和角位移組成的復合位移變化，而不是單一自由度的位移變化。第三，變形調節的微位移的一般是非線性的。

（3）變形器件調節方式是指通過壓電陶瓷等器件的自身形狀改變，達到微位移調節的方式。壓電陶瓷堆疊在可控的外界因素電壓的影響下，隨之發生形狀改變，可以輕松獲得納米級或超納米級的調節靈敏度。

壓電陶瓷調節方式的優點是，第一，調節響應頻率高、驅動力大、微位移調節靈敏度非常高，一般用多于納米級埃米級的微位移調整。第二，通過電壓信號控制調節量，是非接觸式調節方式，從而可以實現遠程調控。

壓電陶瓷調節方式的缺點是，第一，由于壓電陶瓷的變形具有遲滯和蠕變的特性，從而帶來位移調節的非線性特性。第二，在高精密定位工作臺中應用，必須采用閉環控制并進行非線性修正，配套的調控設備成本非常高。第三，高精密定位情況下，溫度變化和環境振動的影響非常大，因此結構件的材料必須使用低熱膨脹系數的金屬材料，如殷瓦合金(invar，俗稱殷鋼)材料，同時采取隔振和恒溫措施[3]。

3 合理選擇微位移調整方式

（1）大家經常會問的一句話，調節精度是多少？其實，調節只存在靈敏度的問題，即輸出對輸入的響應程度。例如螺紋副調節，就是我們做出位移調節（輸入）后必然產生相應的調節結果（輸出），這個輸入量越小，則靈敏度越高。而精度是指調節后的定位準確性（輸出結果），即定位精度。只有調節靈敏度高，定位精度才會高，但調節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節方式？看需求。很多情況下我們只是需要一個較高的靈敏度來看現象，不需要考慮定位精度，比如在教學實驗中，因此只需要選擇簡單的、性價比高的螺紋副調節方式就能滿足需要。

（3）對于精密測量儀器而言，測量精度當然是越高越好。為了達到超高的測量精度，我們可能會需要納米級定位精度，這時首先應考慮的是外部環境因素。如果拋開溫度漂移和環境振動的影響來談高精度是不切實際的，往往會造成不必要的浪費。

4 結語

本文對精密測量儀器中關于微位移調節三種常用方式的特點進行了簡要的分析，提出了一些個人看法和合理選型的建議，希望能對同行們的研發工作有所幫助。