精密测量技术是先进生产力的代表，它是集先进制造、自动控制、电子、光学、图形图像及计算机技术为一体的综合性交叉学科，于精密加工紧密联系在一起，近年来，精密测量产业得到迅猛发展。在我们的认知中，主要就是指二次元影像测量仪和三坐标测量机，这二者是精密测量仪器的主要内容。二次元影像测量仪适用于工件二维平面检测，三坐标测量机主要用于被测工件的三维立体的测量。由于空间测量时三坐标测量机应用受限，我司研发制造的多轴精密气浮运动平台用于精密测量系统中。

设备结构图

图1 结构图

图2 结构图

图3 结构图

结构阐述

X轴采用闭式气浮导轨导向，垂直采用真空预载，直线电机驱动和光栅尺闭环反馈，行程400mm，用于X方向连续扫描检测。

Y轴采用龙门气浮导轨导向，双直线电机驱动和双光栅尺闭环反馈，行程500mm，用于Y方向连续扫描检测或步进移动。

XY轴结构优势：工字形平面式气浮结构，使光栅反馈位置在同一水平面，避免因叠层引起的阿贝误差，另外X轴及负载直接承载在大理石气浮面上，避免横梁轴弯曲扰度变形。

A轴气浮转台行程±110°，C轴行程360°连续旋转。因摩擦式轴承转台，在不同速度及位置下的轴向及径向端跳误差不同，重复性较差，机械轴承转台轴向及径向误差在3um-5um，不利于提高整个系统的精度。

AC轴采用自制气浮转台，径向止推气浮轴承采用铝合金材质，紧凑的结构设计及特殊的装配工艺，保证百纳米级别的轴向误差和径向误差，独特的设计使气浮轴承间隙气流均匀分布，保证气浮转台稳定可靠。

AC轴安装方式：A轴轴心线平行于水平面（侧向安装），安装到X轴负载板上；C轴轴心线垂直于水平面（水平安装）。C轴负载5Kg（负载可定制）。

Z轴双工位测量，用于不同空间角度的测量。Z1轴采用气浮轴承导向，直线电机驱动和光栅尺闭环反馈，低摩擦重力平衡气缸做配重，行程150mm，垂向负载30Kg. Z2轴采用龙门气浮导轨导向，双直线电机驱动和双光栅尺闭环反馈，行程150mm，负载30Kg，负载重心与导轨受力面、质心驱动，低摩擦重力平衡气缸配重，见下图。

图4 Z2轴结构图

B轴用于Z方向角度位置调整，行程90°，采用直驱力矩电机驱动，交叉滚柱轴承导向，光栅尺反馈，增加硬限位防止360°连续旋转缠绕AC轴的线缆或损坏工件等，可承受100Kg负载，自重仅11Kg，转台整体高度55mm。

线缆管理

经过多年制造精密运动平台的经验，线缆管理对精度和性能有影响，我们选择进口无尘线缆，精心优化管线弯曲半径，防止动作过程中线缆的拉伸影响到气浮台的性能，以确保无故障操作，减少停机时间。无尘线缆相对于普通的坦克链，更适用于无尘洁净室。

图5 无尘拖链

密封罩设计

龙门轴独特的密封罩设计，带自清扫功能（特殊设计不影响精度性能），防止异物进入气浮导轨内部。防止误操作出现人为伤害。

图6  密封罩示图

大理石基座及横梁气浮导轨设计

采用济南青大理石做龙门基座及桥架，大理石基台的主体结构为1700×1800×350时，第七阶(前六阶为刚体模态，第七阶为柔性模态)模态为300Hz，想要在此基础上进行改进，提高模态，则模态变为407Hz.

图7 大理石模态分析

气浮隔振台

考虑到振动对性能的影响，建议加气浮隔振。产地：德国。

图8 气浮隔振块

支撑钢架设计

采用钢材质焊接钢架，带地脚调平装置，见下图：

图9 支撑钢架

控制方案

控制器，用EtherCAT通讯方式，多轴扩展性能好。在精密运动控制行业性能及精度最有保证。

控制器是基于频域的调试PIV方式，区别于传统PID凑参数方法，类似自整定模式调试方便，易上手。

支持C，.NET等语言二次开发编程，以调用动态链接库的形式，编辑上位机界面省时省力，可直接下载运行，支持G代码和M代码。

软件可安装在Windows ® XP/7/8/10等操作系统下，软件安装成功后，从电脑开始菜单中能够找到相关控制器使用及调试等相关手册，易快速掌握。

配置电控箱

按行业标准设计电控箱，含电路和气路开关，配置气压保护开关，防止断气情况下误操作，损坏气浮运动平台。

图11  电控箱

精度指标

伺服带宽和结构模态分解

气浮精密运动台最关心的指标是最终的定位精度、定位纹波、重复定位精度。因此，详细分析精密运动台对精度的需求满足度。令运动台所需达到的伺服精度为x_error，所受扰动的加速度为a_track, 评估所需伺服带宽时忽略控制器中积分项的影响， x_error/a_track的传递函数低频段渐近线曲线为1/(fb*2π）^2，即：

从而可计算出所需伺服带宽fb。

根据积累的控制经验，第一阶结构固有频率需为伺服带宽3~5倍。结合运动台精度需求，运动台的控制带宽及固有频率分解结果为：