量子質(zhì)量基準(zhǔn)精密運(yùn)動(dòng)定位裝置研制.pdf

1、質(zhì)量量子基準(zhǔn)研究被 Nature雜志評(píng)選為2012年六大具有挑戰(zhàn)性科學(xué)難題之一。如何實(shí)現(xiàn)質(zhì)量基準(zhǔn)的量子化已成為目前國(guó)際計(jì)量學(xué)界亟待解決的科研難題和研究熱點(diǎn)。本文以能量天平精密定位機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)線圈系統(tǒng)精密定位指標(biāo)要求進(jìn)行分解，設(shè)計(jì)了激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈的精密定位裝置，建立了誤差傳遞模型，并對(duì)影響精密定位的誤差項(xiàng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，裝置滿足了能量天平互感測(cè)量對(duì)線圈系統(tǒng)精密定位要求。論文的主要研究?jī)?nèi)容包括：
　?。?）將能量天平合成不確

2、定度指標(biāo)分解，確定線圈系統(tǒng)定位精度指標(biāo)?；谀芰刻炱交ジ袦y(cè)量對(duì)激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求，對(duì)質(zhì)量測(cè)量合成不確定度小于10-7技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分解，確定激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈機(jī)械定位精度要求。以定位精度指標(biāo)為依據(jù)，設(shè)計(jì)了激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈的運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)，分析影響線圈系統(tǒng)精密定位的誤差源，并計(jì)算得到誤差量值。
　　（2）基于定位精度要求設(shè)計(jì)激勵(lì)線圈機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立誤差傳遞模型。該運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)包括精密升降臺(tái)、精密導(dǎo)向部件、環(huán)形配重部件等。由

3、于激勵(lì)線圈運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性對(duì)定位精度影響較大，仿真分析激勵(lì)線圈運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)頻響特性、靜態(tài)力形變和強(qiáng)度校核。為分析影響激勵(lì)線圈子系統(tǒng)定位精度的運(yùn)動(dòng)自由度，采用多剛體系統(tǒng)理論對(duì)激勵(lì)線圈子系統(tǒng)進(jìn)行拓?fù)浞治?，建立了誤差傳遞模型，并計(jì)算得到激勵(lì)線圈運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)的合成誤差。
　　（3）基于定位精度要求設(shè)計(jì)感應(yīng)線圈機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立誤差傳遞模型。該運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)包括精密調(diào)心臺(tái)、壓電陶瓷鎖定部件、砝碼交換部件等。為測(cè)量感應(yīng)線圈的五自由度姿態(tài)，在垂直方向采用三

4、路激光干涉儀測(cè)量z、Rx、Ry，水平方向采用三個(gè)電容傳感器測(cè)量x、y。采用多剛體系統(tǒng)理論對(duì)感應(yīng)線圈子系統(tǒng)進(jìn)行拓?fù)浞治觯⒘苏`差傳遞模型，并計(jì)算得到感應(yīng)線圈運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)的合成誤差。
　?。?）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈定位機(jī)構(gòu)的性能。激勵(lì)線圈定位機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)包括：z向穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)直線性、與鉛垂方向的平行性，將測(cè)量結(jié)果與理論誤差結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證激勵(lì)線圈定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性；感應(yīng)線圈定位機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)包括：z向穩(wěn)定性、z向相對(duì)鎖定、運(yùn)動(dòng)同軸度，

5、將測(cè)量結(jié)果與計(jì)算誤差結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證感應(yīng)線圈定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。
　　綜上，本文設(shè)計(jì)了量子質(zhì)量基準(zhǔn)線圈系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)定位裝置，基于多剛體理論建立了激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈子系統(tǒng)的誤差傳遞模型，并對(duì)定位機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：激勵(lì)線圈定位機(jī)構(gòu)x、y方向運(yùn)動(dòng)直線度分別為7.45μm和7.55μm；經(jīng)壓電陶瓷補(bǔ)償，感應(yīng)線圈和激勵(lì)線圈z向相對(duì)定位精度為10nm，運(yùn)動(dòng)同軸度為17.9μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本機(jī)構(gòu)滿足了量子質(zhì)量基準(zhǔn)裝置對(duì)線圈系