精密测量仪器中微位移调整方法浅谈

韩永刚

中国仪器仪表学会 北京 100088

近年来，精密测量技术不断发展，而精密加工和超精密加工技术也越来越多的应用到机械、光学、电子、半导体和电子信息技术等领域。精密测量和精密加工都离不开微位移调整和微位移定位技术，如何合理选择调整、定位方法，提高性价比成为降低精密加工制造成本的关键一环。

1 微位移调整的分类

在我们的仪器研发工作中，往往需要对一些关键器件进行空间姿态调整。空间姿态调整包括X、Y、Z、三个直线方向和α、β、γ三个角度方向的六个自由度的调节。对于器件的角度位移调节，也是通过垂直于半径的直线位移调节转换为角位移的调节，所以六自由度调节归根到底还是直线位移的调节。微位移调节常用方法可分为螺纹副调节、结构变形调节和变形器件调节三大类，基本原理如下图所示：

2 微位移调节的结构特点

（1）螺纹副调节方式是指通过高精度制造加工的螺纹副，直接获得直线微位移调节的方式。螺纹副调节方式的灵敏度与螺纹副的螺距选择以及螺纹结构的加工制造精度直接相关，通常情况下螺距越小灵敏度越高，零件加工表面粗糙度越高灵敏度越高[1]。

螺纹副螺纹结构的加工一般采用数控机床车制加工或磨制加工。螺纹磨床加工的螺纹牙型规则、表面粗糙度高，螺纹调节运动顺滑。车床加工的螺纹牙型粗糙，制造成本低。为了提高螺纹副的调节灵敏度，我们可以使用细目金刚砂对螺牙结构进行研磨，经过研磨后的螺纹副调节灵敏度可以得到很大提高。

螺纹副调节方式很容易获得单一方向的自由度调节，并且具备结构简单、运动直观、可靠性高、成本低、性价比高等优点。

螺纹副调节方式的缺点也有很多，第一，由于螺纹副的螺距不可能太小，如果想要达到微米等级的灵敏度比较困难。第二，螺纹的运动摩擦和间隙中的润滑脂膜层，会导致调节的迟滞和爬行现象，带来较大的回程误差，必须配合弹簧等复位器件来提高调节的灵敏度，并采用单向进给的方式来保证较高的重复定位精度。

螺纹副调节方式也可以通过结构中的楔形设计，通过转换获得更小的位移调节量，但是增加了运动环节，会降低调整结构的整体可靠性。

（2）结构变形调节方式是指通过施加外力作用引起结构件发生弹性弯曲变形，从而间接获得微位移调节的方式[2]。

结构变形调节方式的优点是，第一，可以将调节灵敏度大大提高，轻松达到微米级甚至超微米级的调节灵敏度。第二，变形结构可以在调节过程中直接获得足够的弹性回复力，从而得到很高的灵敏度，并且重复定位精度高。

结构变形调节方式的缺点是，第一，由于变形量的限制，所以不可能获得较大的调节范围。第二，通过变形获得的微位移都是直线位移和角位移组成的复合位移变化，而不是单一自由度的位移变化。第三，变形调节的微位移的一般是非线性的。

（3）变形器件调节方式是指通过压电陶瓷等器件的自身形状改变，达到微位移调节的方式。压电陶瓷堆叠在可控的外界因素电压的影响下，随之发生形状改变，可以轻松获得纳米级或超纳米级的调节灵敏度。

压电陶瓷调节方式的优点是，第一，调节响应频率高、驱动力大、微位移调节灵敏度非常高，一般用多于纳米级埃米级的微位移调整。第二，通过电压信号控制调节量，是非接触式调节方式，从而可以实现远程调控。

压电陶瓷调节方式的缺点是，第一，由于压电陶瓷的变形具有迟滞和蠕变的特性，从而带来位移调节的非线性特性。第二，在高精密定位工作台中应用，必须采用闭环控制并进行非线性修正，配套的调控设备成本非常高。第三，高精密定位情况下，温度变化和环境振动的影响非常大，因此结构件的材料必须使用低热膨胀系数的金属材料，如殷瓦合金(invar，俗称殷钢)材料，同时采取隔振和恒温措施[3]。

3 合理选择微位移调整方式

（1）大家经常会问的一句话，调节精度是多少？其实，调节只存在灵敏度的问题，即输出对输入的响应程度。例如螺纹副调节，就是我们做出位移调节（输入）后必然产生相应的调节结果（输出），这个输入量越小，则灵敏度越高。而精度是指调节后的定位准确性（输出结果），即定位精度。只有调节灵敏度高，定位精度才会高，但调节灵敏度高不一定保证定位精度高。

（2）如何合理的选择微位移调节方式？看需求。很多情况下我们只是需要一个较高的灵敏度来看现象，不需要考虑定位精度，比如在教学实验中，因此只需要选择简单的、性价比高的螺纹副调节方式就能满足需要。

（3）对于精密测量仪器而言，测量精度当然是越高越好。为了达到超高的测量精度，我们可能会需要纳米级定位精度，这时首先应考虑的是外部环境因素。如果抛开温度漂移和环境振动的影响来谈高精度是不切实际的，往往会造成不必要的浪费。

4 结语

本文对精密测量仪器中关于微位移调节三种常用方式的特点进行了简要的分析，提出了一些个人看法和合理选型的建议，希望能对同行们的研发工作有所帮助。