微纳CT用超精密转台研制及其分度校正方法研究

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1、微纳CT用超精密转台研制及其分度校正方法研究重庆大学博士学位论文学生姓名：王福全指导教师：谢志江教授专业：机械电子工程学科门类：工学重庆大学机械工程学院二O一七年十一月StudyonUltra-PrecisionTurntableforMicro-NanoCTandMethodofIndexingCorrectionAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByWa

2、ngFuquanSupervisedbyProf.XieZhijiangSpecialty:MechanicalelectronicengineeringCollegeofMechanicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaNovember,2017中文摘要摘要微纳CT技术是以图像形式、直观地展现被检测对象内部的三维结构、缺陷信息，不受检测对象材质、结构的限制。凭借其超高的图像分辨能力在航空、航天、国防、军工、材料、汽车、微电子、生物医学等领域得到越来越广泛的应用。精密

3、转台是CT设备中重要部件之一，更是微纳CT系统中实现被检测对象空间精确定位关键设备。低速稳定运行、高精度技术指标、回转精度检测与误差分离方法以及分度误差校正技术是超精密转台研究热点。课题由国家重大科学仪器设备开发专项(NO:2013YQ030629)资助，研究超精密转台关键技术，解决微纳CT系统被检测对象空间精确定位问题。主要内容如下：研究了微纳CT系统基于电子束直线CT扫描方法。重点分析了微纳CT系统对超精密转台各项性能指标的需求。通过分析，量化的提出了满足微纳CT系统检测需求的超精密转台主要技术指标。从基本方程入手，研究了气体润

4、滑基本理论、静压空气轴承理论。对静压空气轴承的稳定性进行了分析，推导了稳定性判据。重点研究了提高静压空气轴承回转精度的方法。在研究的基础上设计了精密静压空气轴承。通过ANSYS，在不同供气压力、不同气膜厚度以及不同数量供气孔下，对静压空气止推轴承的静承载能力、静刚度和气体质量流量进行了仿真分析。研究并优化设计制造了精密静压空气轴承，装配调试了超精密转台。重点研究了超精密转台径向跳动检测及误差分离技术。以最小成本为前提，提出一种单测头三点两次转位径向跳动检测与误差分离技术。通过仿真，该方法可将随机产生的误差分离。该方法融合了反向法和多

5、步法的特点，使结果比单次反向法更为准确，比两次反向法节约了准备和检测时间。成本低，简单易行。在搭建的试验平台上对研制的超精密转台进行了试验，并与反向法进行了对比。试验结果表明：提出的单测头三点两次转位径向跳动检测与误差分离技术，检测并分离出的径向跳动误差为67nm。与反向法检测结果50nm相比较，更能反应超精密转台真实的径向跳动误差。能够更有效的评定超精密转台径向跳动精度。重点研究了分度误差校正技术。结合稀疏分解思想与谐波分析建立分度误差补偿模型，提出了基于稀疏分解的分度误差校正方法。在处理分度误差数据过程中，该方法能够在过滤掉信号

6、中的噪声，获得较为准确的谐波分量。通过分解得到谐波分量拟合成误差补偿函数，并对分度误差进行补偿。在搭建的试验平台上对所提方法进行验证，并与谐波分析法校正技术进行对比。实验结果表明：提出的基于稀疏分解的分度误差校正技术，采用单读数头进行数据采集，在不增加成本的I重庆大学博士学位论文情况下，对转台的分度误差进行补偿，可大幅度提高转台的测角精度。对分度误差最大值为90.85"的转台进行误差补偿后，测角误差可减小到0.64"。比谐波分析法校正技术补偿结果1.22"降低近一倍。经该方法修正后，根据GB/17421.2-2000标准，并考虑不确

7、定度，测得所研制的超精密转台定位精度为4.47"。对研制的超精密转台进行了轴向跳动、摆动误差、速率波动、静承载力和静刚度测试试验。文章最后对本文的工作进行了总结，并展望下一步的研究计划和方向。关键词：微纳CT，精密转台，气体轴承，校正技术，检测技术II英文摘要ABSTRACTMicro-nanoCTtechnologyvisuallydisplaysthethree-dimensionalstructure,densitydistributionanddefectinformationoftheobject,andisnotlimi

8、tedbythematerialandstructureoftheobject.Withitshighimageresolution,ithasbeenwidelyusedinaviation,aerospace,nationalde