光栅刻划机工作台导轨结构形式选择及试验

冯树龙

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033)

光栅刻划机工作台导轨结构形式选择及试验

冯树龙

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033)

选择刻划机工作台导轨结构时主要考虑爬行以及超精密研磨。试验结果表明，滚柱导轨在不同刻划方式下不存在爬行现象，又便于进行超精密研磨加工以保证直线性精度，成为光栅刻划机工作台导轨的首选结构形式。

光栅刻划机； 滚柱导轨； 爬行

0 引 言

衍射光栅能将复色光分解成不同波长的单色光，是重要的分光元件之一，是光谱仪器上的核心器件。机械刻划方法是生产母版光栅的一种重要方法，尤其在目前技术条件下是制作低刻线密度的红外光栅和中阶梯光栅的最佳选择[1-2]。

光栅刻划机是制造机刻光栅的专用设备，工作台导轨在分度系统中起承载和导向作用，是光栅刻划机最重要的组成元件，其直线性精度直接决定了光栅刻线的刻划精度，影响光栅的波前质量[3-8]。根据误差分配，要求工作台的位置精度误差不大于10 nm，导轨的水平方向直线性精度误差不大于0.2″(在全长1 560 mm范围内)。为了满足上述要求，工作台在导轨上运行时必须最大程度减小因导轨副动、静摩擦系数的差异带来的“爬行”问题，而且导轨必须能进行后续超精密研磨加工，以保证直线性精度的实现。因此，采用哪种结构形式的导轨是一个必须做选择的关键问题。

1 可选导轨的结构形式

从结构形式上看可供选择的导轨有很多种，如V型滚柱导轨、气浮导轨、液体静压导轨、直线滚柱导轨等。每一种导轨都有各自的特点，从使用环境、是否便于后续超精密研磨加工、成本、养护条件等因素上综合考虑，最终确定在V型滚柱导轨与气浮导轨之间做出选择。

滚柱导轨结构和气浮导轨结构分别如图1和图2所示。

图1 滚柱导轨结构

图2 气浮导轨结构

滚柱导轨的优点是刚度大、抗干扰能力强、结构简单、维护方便，也便于后续的超精研磨处理；缺点是虽然摩擦系数较小，但还是在一定程度上存在动、静摩擦系数的差异，在极低速运行的情况下(工作台的运动速度范围为5.56～8 333.33 nm/s)还会有一些不确定的非线性位移状态的存在。

气浮导轨的优点是导轨副的摩擦力几乎为零，系统的随动性能极好，可以从根本上解决“爬行”问题；但缺点是刚度低、抗干扰能力差、结构复杂，维护不方便，而且由于有外来气体向恒温室内的泄漏，会对恒温精度和激光干涉仪的测量精度产生不利影响。

综合分析后认为，如果滚柱导轨的力学性能及爬行情况可以满足使用要求，优先选用滚柱导轨，否则选择气浮导轨。

2 滚柱导轨的力学性能分析

导轨在工作状态下的最大负载为350 kg，需要对导轨在载荷作用下的变形进行力学分析。为了尽量接近使用时的实际情况，进行有限元分析时导轨与工作台是组合在一起进行的。分析时取工作台位于起始位置、1/4行程处、1/2行程处3个位置进行计算。计算后可得导轨在3个位置处沿重力方向的最大弹性变形分别为0.834，0.809，0.75 μm。此变形是随着工作台的移动而同步移动的，这样全行程范围内不同位置处由于导轨变形引起的直线性误差相对于光栅刻线的槽深来说是很小的，且刻刀本身具有弹性回弹的校正功能，可以进行槽深补偿。所以，导轨由于力学变形引起的直线性误差可以接受。工作台位于导轨中间位置时导轨的变形云图如图3所示。

图3 工作台位于导轨中间位置时导轨的变形

3 滚柱导轨爬行特性的试验分析

为了确定滚动摩擦副的爬行程度，课题组在已有滚柱导轨上做了爬行试验。

试验1进行的是工作台连续式运动的爬行试验。测量干涉仪采样率10 Hz，步进电机驱动分度系统蜗杆，并保持14 nm/s速度匀速运行。实验结果如图4所示。

图4 连续式刻划爬行试验

图4(a)为丝杠连续运行6.5 h后干涉仪测量得到的工作台位移；图4(b)为位移曲线的微分，微分间隔为0.1 s。由图4(b)可知连续采样间隔的最大位移变化为143.37 nm，测试数据的统计分布如图5所示。

图5 爬行监测位移量概率谱密度

从图5可以看出，概率谱密度对称分布，即位移微分出现正值与负值的概率基本相等，而爬行物理起因决定其位移微分具有单向性，仅有正值存在，振动的位移微分可正可负。因此，该PV值143.37 nm的变化量应为振动产生(正值71.68 nm，负值-71.69 nm)，测量过程中应无爬行产生。

试验2是间歇式运动的爬行试验。干涉仪采样率10 Hz，步进电机驱动分度系统蜗杆，分度系统的名义步进值1 660.60 nm，相当于600 g/mm光栅栅距。试验分为有压电陶瓷补偿分度系统误差和无压电陶瓷补偿两种情况进行，分别如图6和图7所示。

1)图6测试条件：刻划周期10 s(其中电机运转时间3 s)，无压电驱动器控制。图6(a)为位移曲线；图6(b)为每周期对应点的位移值之差，即光栅栅距值的曲线；图6(c)为每周期后半周期均值(相当于金刚石刀刻划段)之差所得的栅距值曲线。

2)图7测试条件：刻划周期10 s(其中电机运转时间3 s)，有压电驱动器控制，响应频率为10 Hz。图7(a)为每周期对应点的栅距值曲线；图7(b)为每周期后半周期均值的栅距值曲线。

从图6和图7中可以看出，测试时间内(试刻光栅长度约为1.6 mm)刻划机在无压电驱动器控制时栅距误差PV值最高达到74.16 nm，均方根值9.399 nm；通过压电驱动器控制后栅距误差PV值最高为29.67 nm，均方根值4.55 nm，栅距误差得到了明显改善。位移微分后的结果表明,测试中得到的PV值也是由试验中振动产生的，在试验中无爬行现象发生。

图6 间歇刻划爬行试验1

图7 间歇刻划爬行试验2

4 结 语

通过试验的方法确定了分度系统中工作台导轨的结构形式，为光栅刻划机整机结构设计提供了坚实的技术基础。实际结果表明，滚柱导轨完全可以满足低速、重载、高精度的设计需要。

[1] 李燕青，郝德阜.衍射光栅制造技术的发展[J].长春理工大学学报，2003，26(1)：66-68.

[2] 杨德才.中阶梯光栅及其应用[J].现代科学仪器,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，庄夔，张庆英，等.衍射光栅刻划机[J].光学学报，1981，1(1)：51-58.

[5] 营建新，冯树龙.一种光栅刻划机刀架等速运动的新结构[J].长春工业大学学报：自然科学版,2012,33(4):402-406.

[6] 唐玉国，陈少杰，巴音贺希格，等.中阶梯光栅光谱仪的谱图还原与波长标定[J].光学精密工程，2010,18(10):21-33.

[7] 时轮，郝德阜，齐向东.高精度衍射光栅刻划机的最新技术进展[J].仪器仪表学报，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

国家重大科研装备研制资助项目(ZBYZ2008-1)

冯树龙(1973-)，男，汉族，辽宁葫芦岛人，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副研究员,博士，主要从事光学仪器设计及制造、精密机械设计、制造及测量方向研究,E-mail:topfsl@126.com.

TH 744.1

A

1674-1374(2014)05-0506-05