光柵刻劃?rùn)C(jī)工作臺(tái)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式選擇及試驗(yàn)

馮樹(shù)龍

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所， 吉林 長(zhǎng)春 130033)

光柵刻劃?rùn)C(jī)工作臺(tái)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式選擇及試驗(yàn)

馮樹(shù)龍

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所， 吉林 長(zhǎng)春 130033)

選擇刻劃?rùn)C(jī)工作臺(tái)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)時(shí)主要考慮爬行以及超精密研磨。試驗(yàn)結(jié)果表明，滾柱導(dǎo)軌在不同刻劃方式下不存在爬行現(xiàn)象，又便于進(jìn)行超精密研磨加工以保證直線(xiàn)性精度，成為光柵刻劃?rùn)C(jī)工作臺(tái)導(dǎo)軌的首選結(jié)構(gòu)形式。

光柵刻劃?rùn)C(jī)； 滾柱導(dǎo)軌； 爬行

0 引 言

衍射光柵能將復(fù)色光分解成不同波長(zhǎng)的單色光，是重要的分光元件之一，是光譜儀器上的核心器件。機(jī)械刻劃方法是生產(chǎn)母版光柵的一種重要方法，尤其在目前技術(shù)條件下是制作低刻線(xiàn)密度的紅外光柵和中階梯光柵的最佳選擇[1-2]。

光柵刻劃?rùn)C(jī)是制造機(jī)刻光柵的專(zhuān)用設(shè)備，工作臺(tái)導(dǎo)軌在分度系統(tǒng)中起承載和導(dǎo)向作用，是光柵刻劃?rùn)C(jī)最重要的組成元件，其直線(xiàn)性精度直接決定了光柵刻線(xiàn)的刻劃精度，影響光柵的波前質(zhì)量[3-8]。根據(jù)誤差分配，要求工作臺(tái)的位置精度誤差不大于10 nm，導(dǎo)軌的水平方向直線(xiàn)性精度誤差不大于0.2″(在全長(zhǎng)1 560 mm范圍內(nèi))。為了滿(mǎn)足上述要求，工作臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)行時(shí)必須最大程度減小因?qū)к壐眲?dòng)、靜摩擦系數(shù)的差異帶來(lái)的“爬行”問(wèn)題，而且導(dǎo)軌必須能進(jìn)行后續(xù)超精密研磨加工，以保證直線(xiàn)性精度的實(shí)現(xiàn)。因此，采用哪種結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)軌是一個(gè)必須做選擇的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 可選導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式

從結(jié)構(gòu)形式上看可供選擇的導(dǎo)軌有很多種，如V型滾柱導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌、直線(xiàn)滾柱導(dǎo)軌等。每一種導(dǎo)軌都有各自的特點(diǎn)，從使用環(huán)境、是否便于后續(xù)超精密研磨加工、成本、養(yǎng)護(hù)條件等因素上綜合考慮，最終確定在V型滾柱導(dǎo)軌與氣浮導(dǎo)軌之間做出選擇。

滾柱導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)和氣浮導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。

圖1 滾柱導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

圖2 氣浮導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

滾柱導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是剛度大、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，也便于后續(xù)的超精研磨處理；缺點(diǎn)是雖然摩擦系數(shù)較小，但還是在一定程度上存在動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的差異，在極低速運(yùn)行的情況下(工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度范圍為5.56～8 333.33 nm/s)還會(huì)有一些不確定的非線(xiàn)性位移狀態(tài)的存在。

氣浮導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)軌副的摩擦力幾乎為零，系統(tǒng)的隨動(dòng)性能極好，可以從根本上解決“爬行”問(wèn)題；但缺點(diǎn)是剛度低、抗干擾能力差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不方便，而且由于有外來(lái)氣體向恒溫室內(nèi)的泄漏，會(huì)對(duì)恒溫精度和激光干涉儀的測(cè)量精度產(chǎn)生不利影響。

綜合分析后認(rèn)為，如果滾柱導(dǎo)軌的力學(xué)性能及爬行情況可以滿(mǎn)足使用要求，優(yōu)先選用滾柱導(dǎo)軌，否則選擇氣浮導(dǎo)軌。

2 滾柱導(dǎo)軌的力學(xué)性能分析

導(dǎo)軌在工作狀態(tài)下的最大負(fù)載為350 kg，需要對(duì)導(dǎo)軌在載荷作用下的變形進(jìn)行力學(xué)分析。為了盡量接近使用時(shí)的實(shí)際情況，進(jìn)行有限元分析時(shí)導(dǎo)軌與工作臺(tái)是組合在一起進(jìn)行的。分析時(shí)取工作臺(tái)位于起始位置、1/4行程處、1/2行程處3個(gè)位置進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算后可得導(dǎo)軌在3個(gè)位置處沿重力方向的最大彈性變形分別為0.834，0.809，0.75 μm。此變形是隨著工作臺(tái)的移動(dòng)而同步移動(dòng)的，這樣全行程范圍內(nèi)不同位置處由于導(dǎo)軌變形引起的直線(xiàn)性誤差相對(duì)于光柵刻線(xiàn)的槽深來(lái)說(shuō)是很小的，且刻刀本身具有彈性回彈的校正功能，可以進(jìn)行槽深補(bǔ)償。所以，導(dǎo)軌由于力學(xué)變形引起的直線(xiàn)性誤差可以接受。工作臺(tái)位于導(dǎo)軌中間位置時(shí)導(dǎo)軌的變形云圖如圖3所示。

圖3 工作臺(tái)位于導(dǎo)軌中間位置時(shí)導(dǎo)軌的變形

3 滾柱導(dǎo)軌爬行特性的試驗(yàn)分析

為了確定滾動(dòng)摩擦副的爬行程度，課題組在已有滾柱導(dǎo)軌上做了爬行試驗(yàn)。

試驗(yàn)1進(jìn)行的是工作臺(tái)連續(xù)式運(yùn)動(dòng)的爬行試驗(yàn)。測(cè)量干涉儀采樣率10 Hz，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)分度系統(tǒng)蝸桿，并保持14 nm/s速度勻速運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 連續(xù)式刻劃爬行試驗(yàn)

圖4(a)為絲杠連續(xù)運(yùn)行6.5 h后干涉儀測(cè)量得到的工作臺(tái)位移；圖4(b)為位移曲線(xiàn)的微分，微分間隔為0.1 s。由圖4(b)可知連續(xù)采樣間隔的最大位移變化為143.37 nm，測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布如圖5所示。

圖5 爬行監(jiān)測(cè)位移量概率譜密度

從圖5可以看出，概率譜密度對(duì)稱(chēng)分布，即位移微分出現(xiàn)正值與負(fù)值的概率基本相等，而爬行物理起因決定其位移微分具有單向性，僅有正值存在，振動(dòng)的位移微分可正可負(fù)。因此，該P(yáng)V值143.37 nm的變化量應(yīng)為振動(dòng)產(chǎn)生(正值71.68 nm，負(fù)值-71.69 nm)，測(cè)量過(guò)程中應(yīng)無(wú)爬行產(chǎn)生。

試驗(yàn)2是間歇式運(yùn)動(dòng)的爬行試驗(yàn)。干涉儀采樣率10 Hz，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)分度系統(tǒng)蝸桿，分度系統(tǒng)的名義步進(jìn)值1 660.60 nm，相當(dāng)于600 g/mm光柵柵距。試驗(yàn)分為有壓電陶瓷補(bǔ)償分度系統(tǒng)誤差和無(wú)壓電陶瓷補(bǔ)償兩種情況進(jìn)行，分別如圖6和圖7所示。

1)圖6測(cè)試條件：刻劃周期10 s(其中電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間3 s)，無(wú)壓電驅(qū)動(dòng)器控制。圖6(a)為位移曲線(xiàn)；圖6(b)為每周期對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位移值之差，即光柵柵距值的曲線(xiàn)；圖6(c)為每周期后半周期均值(相當(dāng)于金剛石刀刻劃段)之差所得的柵距值曲線(xiàn)。

2)圖7測(cè)試條件：刻劃周期10 s(其中電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間3 s)，有壓電驅(qū)動(dòng)器控制，響應(yīng)頻率為10 Hz。圖7(a)為每周期對(duì)應(yīng)點(diǎn)的柵距值曲線(xiàn)；圖7(b)為每周期后半周期均值的柵距值曲線(xiàn)。

從圖6和圖7中可以看出，測(cè)試時(shí)間內(nèi)(試刻光柵長(zhǎng)度約為1.6 mm)刻劃?rùn)C(jī)在無(wú)壓電驅(qū)動(dòng)器控制時(shí)柵距誤差PV值最高達(dá)到74.16 nm，均方根值9.399 nm；通過(guò)壓電驅(qū)動(dòng)器控制后柵距誤差PV值最高為29.67 nm，均方根值4.55 nm，柵距誤差得到了明顯改善。位移微分后的結(jié)果表明,測(cè)試中得到的PV值也是由試驗(yàn)中振動(dòng)產(chǎn)生的，在試驗(yàn)中無(wú)爬行現(xiàn)象發(fā)生。

圖6 間歇刻劃爬行試驗(yàn)1

圖7 間歇刻劃爬行試驗(yàn)2

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)的方法確定了分度系統(tǒng)中工作臺(tái)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式，為光柵刻劃?rùn)C(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。實(shí)際結(jié)果表明，滾柱導(dǎo)軌完全可以滿(mǎn)足低速、重載、高精度的設(shè)計(jì)需要。

[1] 李燕青，郝德阜.衍射光柵制造技術(shù)的發(fā)展[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，26(1)：66-68.

[2] 楊德才.中階梯光柵及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,1992(4):29-31.

[3] George R Harrison, George W Stroke. Interferometric control of grating ruling with continuous carriage advance [J]. Opt.Soc.Am.，1955,45(2)：112-121.

[4] 梁浩明，莊夔，張慶英，等.衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，1981，1(1)：51-58.

[5] 營(yíng)建新，馮樹(shù)龍.一種光柵刻劃?rùn)C(jī)刀架等速運(yùn)動(dòng)的新結(jié)構(gòu)[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2012,33(4):402-406.

[6] 唐玉國(guó)，陳少杰，巴音賀希格，等.中階梯光柵光譜儀的譜圖還原與波長(zhǎng)標(biāo)定[J].光學(xué)精密工程，2010,18(10):21-33.

[7] 時(shí)輪，郝德阜，齊向東.高精度衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)的最新技術(shù)進(jìn)展[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2001,22(4):438-439.

[8] George R Harison， Stephen W Thompson. 750 mm ruling engine producing large gratings and echelles [J]. Journal of the Optical Society of America,1972,62(6)：751-756.

Structural and experimental study for workbench guides of grating ruling machine

FENG Shu-long

(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033， China)

Two factors, such as creeping and super-precision, are mainly considered to be the indexes to choose the guides structure of the grating ruling machine. The experiment results show that there is no creeping with different ruling methods for the roller guides which is suitable for super-precision grinding process to ensure the linear accuracy. The roller guides is the first choice for the grating ruling machine.

grating ruling machine; roller guide; creeping.

2014-07-29

國(guó)家重大科研裝備研制資助項(xiàng)目(ZBYZ2008-1)

馮樹(shù)龍(1973-)，男，漢族，遼寧葫蘆島人，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所副研究員,博士，主要從事光學(xué)儀器設(shè)計(jì)及制造、精密機(jī)械設(shè)計(jì)、制造及測(cè)量方向研究,E-mail:topfsl@126.com.

TH 744.1

A

1674-1374(2014)05-0506-05