悬丝约束微纳测头的变刚度机理及力学特性分析

发布时间：2020-08-18 20:55

【摘要】：随着微加工技术的不断发展,工件尺寸逐渐向于微型化转变,亟需更高精度的微纳测量装置来保证工件表面质量。测头是微纳测量装置的重要组成部分,根据测量过程和测测量对象的不同,测头需具有不同的刚度,而目前大多数测头结构,并不具备变刚度性能,因此研究变刚度微纳测头对提升微纳测量装置的性能具有重要作用。论文介绍了微纳测头的基本要求、并对接触式测头的常见结构、测量过程、和测量原理作了系统阐述,基于上述对测头的变刚度要求,设计了一种新型变刚度悬丝约束微纳测头结构。该变刚度测头结构由柔顺导向机构和悬丝约束测头结构组成,并采用电容传感器作为检测装置。论文建立了测头位移和电容变化的刚度理论模型,利用正交试验方法优选了测头的尺寸参数,并对优选后测头的刚度、模态、谐响应和XY平面内的各向同性特性作了分析。介绍了压电效应原理和叠堆压电陶瓷的工作特点,阐述了四种铰链和三种常用柔顺导向结构的特点,并基于叠堆压电陶瓷和柔顺导向结构的特点设计了一种可改变悬丝自由端位移的新型柔顺导向机构,以柔顺导向机构的放大倍数和叠堆压电陶瓷所需刚度为指标,优化了的铰链长度和角度,并对优化后的柔顺导向机构的模态、应力、疲劳等特性作了进一步分析。论文建立了测头整体结构的变刚度理论模型,通过有限元软件分析了变刚度测头的刚度、模态、瞬态、应力等特性,基于上述建立的变刚度理论模型,求得该测头沿Z向和X向的仿真和理论误差分别为5.612%,6.763%,表明所建立测头的变刚度理论模型准确性较好。研究成果丰富了现有测头的结构,并为该类型测头的变刚度控制奠定了重要的理论基础。图[62]表[26]参[72]。
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH70
【图文】：

测量装置,测量力,性能参数,测量范围

(a) 传统测量装置 (b) 微纳测量装置图 1 传统测量装置和微纳测量装置结构Fig.1 Structure of traditional CMM and micro-nano CMM表 1 传统测量装置和微纳测量装置性能参数Table 1 Performance of traditional CMM and micro-nano CMM传统测量装置微纳测量装置尺寸 (2000 mm)3(200 mm)3质量 1000 kg 10 kg测量范围 1 m3(10 mm)3分辨率 1 μm 10 nm测头直径 5 mm 50 μm测量力 10-1N 10-3N测量精度 5 μm 50 nm

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安徽理工大学硕士学位论文采用刚度较强的因瓦合金，测杆采用刚度较大、质量较轻的碳化钨，测球采用氮化硅。当测球受到作用力时，由于铍青铜悬臂与碳化钨管采用刚性连接，测球端位移变化可直接传递到铝制圆盘上，使电容发生变化，通过计算电容的变化量，进而可求得测球端的位移变化情况。该测头装置的测球直径为 300 μm ，测杆形状为锥形，直径为 30~200 μm，长度为 1~3 mm，其相关性能参数如表 2 所示。

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图 3 英国诺丁汉大学测头Fig.3 The probe designed by the University of Nottingham, UK表 3 英国诺丁汉大学测头的性能参数Table 3 Performance of probe designed by the University of Nottingham, UK施加位移(μm)频率(Hz)刚度(N/mm) 重复性(nm)z 向横向 z 向横向1 1057 2.853 0.61 6 32.2 600 0.914 0.41 12 21.2.2 电磁式测头瑞士联邦计量检定局 Swiss Federal Office of Metrology(METAS)和 Mecart公司联合研发了一种基于电感原理的电磁式微纳接触测头[26]，具有重量轻、可行扫描测量等特点，如图 4 所示。该测头的支撑机构由具有挠性铰链支撑的并机构组成，在 X，Y，Z 方向上分别具有一个自由度，各轴都与水平方向成 45°

【参考文献】