基于单个光电传感器的三维接触触发式探头

发布时间：2020-10-25 04:33

　　 微纳米加工技术的迅速发展对精密工程领域的测量精度提出了更高的要求,探头系统作为微纳米三坐标测量机的关键组成部分,在很大程度上决定了三坐标测量系统的精度。根据国内外微纳米三坐标探头的研究现状,本文提出了一种基于单个光电传感器的三维接触触发式探头,并完成了以下工作:1、根据弹性机构的参数要求选择合适形状尺寸的探针、簧片和悬浮片,并利用ANSYS仿真软件对弹性机构进行仿真,验证弹性机构在刚度和固有频率两方面可以满足探头的需求,完成弹性机构的优化设计。2、对探头中光电传感器的光路进行分析,并建立三维方向的灵敏度模型,根据三维方向等灵敏度的原则对探头结构进行优化,得到探头各个光学器件的相对位置和尺寸参数。3、将结构优化后的探头进行加工、组装、调试,以PI台作为测试基准搭建测试平台,分别对探头的灵敏度、重复性、分辨率、稳定性各项性能进行测试。实验结果表明:探头在x、y、z三个方向的灵敏度近似相等,分别为0.42、0.44、0.40V/?m,符合灵敏度优化模型;探头允许的测量范围大于14?m,1?m定点重复性测试优于15nm,最小分辨力优于5nm,探头在2h内漂移小于24nm。4、为验证探头的测量精度,使用0级平晶和4微米阶高对探头进行验证性实验。分别对平面度和阶高进行测量,实验结果表明:0级平晶的平面度标准差为25nm,4微米阶高的测量平均值为4.094?m,标准差为38nm,符合微纳米三坐标测量机对精度的测量要求。5、对探头在设计、装配和测试过程中存在的误差进行了分析。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH721;TP212
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究的起源
    1.2 探头的分类
        1.2.1 电容式
        1.2.2 压阻式
        1.2.3 开关触觉式
        1.2.4 电感式
        1.2.5 光纤式
        1.2.6 光电式
        1.2.7 共振式
    1.3 研究来源、任务及内容
        1.3.1 课题来源
        1.3.2 研究任务
        1.3.3 主要内容
第二章 接触触发式探头结构及原理
    2.1 探头的总体结构
    2.2 探头的感测原理
        2.2.1 弹性机构感测原理
        2.2.2 三维光电传感器感测原理
    2.3 探头的硬件电路设计
        2.3.1 I/V转换电路设计
        2.3.2 信号放大电路设计
        2.3.3 信号运算电路设计
        2.3.4 滤波电路设计
    2.4 数据采集及软件滤波
    2.5 本章小结
第三章 接触触发式探头结构优化设计
    3.1 弹性机构的设计要求
        3.1.1 最大允许触测力
        3.1.2 最大触碰速度
        3.1.3 固有振动频率
    3.2 弹性机构仿真分析
    3.3 簧片的制作方法
    3.4 结构参数优化设计
    3.5 本章小结
第四章 探头测试与误差分析
    4.1 实验装置的搭建
        4.1.1 恒温箱
        4.1.2 PI微纳米定位台
        4.1.3 测试装置
    4.2 性能测试
        4.2.1 灵敏度
        4.2.2 稳定性
        4.2.3 重复性
        4.2.4 分辨力
    4.3 验证性测试
        4.3.1 平面度测量
        4.3.2 阶高测量
    4.4 探头的误差分析
    4.5 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 本文主要工作
    5.2 研究工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况
    1)参加的科研项目
    2)发表的学术论文

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本文编号：2855466