微纳米三坐标接触式探头优化设计

发布时间：2017-09-05 14:26

  本文关键词：微纳米三坐标接触式探头优化设计

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【摘要】：接触式探头作为微纳米三坐标测量机的主要组成部分之一,按照结构可分为触发式和扫描式两类。论文简要介绍了国内外微纳米三维探头的发展现状,在此基础上提出并研制了具有高灵敏度的三维微纳米接触触发式和扫描式测量探头,并从原理和结构两个方面详细介绍这两种探头。两种探头都主要由弹性机构、三自由度光学传感器和调整结构三个部分组成。触发式与扫描式探头的弹性机构分别为单层簧片结构与双层簧片结构,建立了刚度模型,对两个探头的弹性模型进行了优化设计并得出了最佳结构参数,通过Solidworks simulation仿真和实验验证了所设计结构的正确性；光学传感器分别基于自准直原理与原子力显微镜(AFM)原理,分析灵敏度模型,优化结构参数；调节调整机构从而实现探头三个方向位移的感测。两种探头的机械结构与传感器结构简单,成本低廉并且装调方便。基于PI(Physical Instrument)微动平台,搭建了不同的实验系统,对组装好的探头进行弹性机构性能测试以及探头重复性、分辨率、感测范围、稳定度测试。实验结果表明：弹性机构水平方向与竖直方向的刚度近似相等且均约为0.7 mN/μm,且双层结构的刚度为单层结构仿真结果的2倍。触发式探头触发点重复性为15 nm; X、Y、Z三个方向最小分辨率均小于为3 nm。扫描式探头触发点重复性在12 nm以内；竖直方向最小分辨率小于4 nm。因此探头可被应用于微纳米三坐标测量机上。
【关键词】：纳米三坐标测量机 接触式探头 光学传感器 弹性机构
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH721
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-15
• 第一章 绪论15-20
• 1.1 研究起源与目的15
• 1.2 国内外研究现状分析15-18
• 1.2.1 电容式15-16
• 1.2.2 电阻式16
• 1.2.3 电感式16-17
• 1.2.4 光纤探针式17
• 1.2.5 光学传感式17-18
• 1.3 主要研究内容18-20
• 第二章 微纳米三维接触式探头结构及原理20-43
• 2.1 探头器件原理介绍20-25
• 2.1.1 QPD原理20
• 2.1.2 弹性机构原理20-24
• 2.1.3 弹性机构仿真分析对比24
• 2.1.4 单层和双层弹性机构仿真分析对比24-25
• 2.2 触发探头结构及原理25-29
• 2.2.1 整体结构及原理25-26
• 2.2.2 光学传感器原理26-27
• 2.2.3 灵敏度模型分析27-29
• 2.3 扫描式探头结构及原理29-39
• 2.3.1 整体结构及原理29-31
• 2.3.2 光学传感器原理31-32
• 2.3.3 灵敏度模型分析32-39
• 2.4 探头的信号处理电路设计39-41
• 2.4.1 I/V转换电路设计39-40
• 2.4.2 信号放大电路设计40
• 2.4.3 信号运算电路设计40-41
• 2.4.4 数据采集41
• 2.5 本章小结41-43
• 第三章 微纳米三维接触式探头性能测试43-59
• 3.1 弹性机构刚度测试43-44
• 3.2 触发式探头性能测试44-50
• 3.2.1 实验装置44
• 3.2.2 重复性测试44-47
• 3.2.3 最小分辨率测试47-49
• 3.2.4 感测范围49
• 3.2.5 稳定度测试49-50
• 3.3 扫描式探头性能测试50-58
• 3.3.1 实验装置50-51
• 3.3.2 重复性测试51-55
• 3.3.3 最小分辨率测试55-56
• 3.3.4 簧片振动测试56-57
• 3.3.5 感测范围57
• 3.3.6 稳定性测试57-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第四章 微纳米三维接触式探头校正及改进方案59-66
• 4.1 探头的校正59-62
• 4.1.1 探针与悬浮片不垂直59-60
• 4.1.2 触碰测球的平面与其运动方向不垂直60
• 4.1.3 探头坐标系与PI坐标系不完全一致60-61
• 4.1.4 PI坐标系与工件坐标系不完全一致61-62
• 4.2 探头的改进62-65
• 4.2.1 双层弹性机构改进62-63
• 4.2.2 光学传感器改进63-65
• 4.3 本章小结65-66
• 第五章 总结与展望66-68
• 5.1 研究总结66-67
• 5.2 研究工作展望67-68
• 参考文献68-71
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况71
• 1) 参加的学术交流与科研项目71
• 2) 发表的学术论文71
• 3) 发表专利71
• 4) 获得的奖励71

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本文编号：798532