本文選題：三維諧振觸發(fā)方法 + 三維納米諧振觸發(fā)測頭��； 參考：《合肥工業(yè)大學》2015年博士論文

【摘要】：納米測量技術(shù)是納米科學技術(shù)的基礎學科之一,超精加工和超微加工進入納米技術(shù)的新時代,MEMS、超精密光學器件等的特征尺寸微型化,對這些微納米結(jié)構(gòu)的真三維測量要求達到納米、亞納米量級,測量力達到微牛甚至納牛量級。目前在數(shù)百微米至數(shù)毫米尺度間的真三維測量取得了一定進展,但還沒有成熟的技術(shù)。而納米觸發(fā)定位是實現(xiàn)納米測量的關(guān)鍵,三維納米觸發(fā)定位技術(shù)作為微納米三維技術(shù)的核心,是實現(xiàn)微器件等真三維納米測量的基礎,也是目前國內(nèi)外微納米三坐標測量機(Coordinate Measuring Machine, CMM)研究中的難點之一。針對微納米CMM的研究需求和技術(shù)瓶頸,本文在對國內(nèi)外微納米CMM研究現(xiàn)狀和進展分析總結(jié)的基礎上,提出三維納米維諧振觸發(fā)方法,基于該方法研制了三維納米諧振觸發(fā)測頭及三維納米諧振觸發(fā)測量與定位系統(tǒng),可實現(xiàn)對微內(nèi)孔試樣的高分辨力三維觸發(fā)測量。完成的主要研究工作和成果總結(jié)如下：1)三維納米諧振觸發(fā)測頭觸發(fā)方法及工作機理研究�；诮缑媪W理論分析了三維諧振觸發(fā)測頭的動態(tài)接觸機理,分別構(gòu)建了X(Y)、Z向測球-試樣表面納米接觸相互作用的力學模型,根據(jù)建立的力學模型運動方程分析了范德華力、毛細力等介觀尺度界面作用力及合力對測頭運動的影響并進行數(shù)學仿真。2)三維納米諧振觸發(fā)測頭構(gòu)建�；诠饫w拉錐技術(shù)和田口法二級燒制制備光纖微球,得到二維直徑小于80gm,二維圓度小于0.70μm,二維偏心距小于0.65gm、真球度約為0.50μm的一體式光纖微探球。分別以石英音叉、PVDF、雙端音叉作為微力傳感器,與一體式光纖微探球相結(jié)合,利用其諧振參數(shù)(諧振振幅、諧振頻率/諧振相位)對微力的高敏感性構(gòu)建了三維諧振觸發(fā)測頭。該種三維諧振觸發(fā)測頭的顯著特點是其在Z向工作于輕敲模式,而在X、Y向工作于摩擦模式。分別對石英音叉、PVDF系統(tǒng)噪聲水平、靈敏度、觸發(fā)分辨力、重復性等特性測試分析,得到兩系統(tǒng)在X、Y、Z三個方向的觸發(fā)分辨力均達到亞納米量級、單向重復性誤差均在十納米量級,其中石英音叉系統(tǒng)的各向測量力均在十至百微牛量級,而PVDF系統(tǒng)的各向測量力達到亞微牛量級。3)三維納米諧振觸發(fā)測量與定位系統(tǒng)研制。分別將基于石英音叉、PVDF的三維諧振觸發(fā)測頭與三維納米定位臺、反饋控制模塊、信號處理電路結(jié)合,構(gòu)成三維諧振觸發(fā)測量與定位系統(tǒng)。針對石英音叉三維觸發(fā)測量與定位系統(tǒng)設計了整體機械結(jié)構(gòu)、基于鎖相環(huán)路(PLL)的相位反饋控制電路,編寫了基于VC++的控制及測試程序。4)三維納米諧振觸發(fā)測量與定位系統(tǒng)特性測試。通過對石英音叉系統(tǒng)圓周接近曲線等特性測試,得到系統(tǒng)的各向分辨力均在納米／亞納米量級、單向重復性誤差、單點觸發(fā)重復性誤差均在十納米量級。設計了測頭測球等效直徑的標定方案,并編寫了基于VC++的定向標定程序。通過對標準量塊組研合成的標準內(nèi)尺寸進行0。、45。、90。、135。、180。、225。、270。、315。八個方向上的定向標定測試,對微內(nèi)孔試樣測量結(jié)果進行修正補償。最終利用石英音叉系統(tǒng)實現(xiàn)了對微內(nèi)孔試樣的三維觸發(fā)測量。
[Abstract]:Nano measurement technology is one of the basic disciplines of nano science and technology. Ultra precision processing and ultramicro processing have entered the new era of nanotechnology. The characteristic dimensions of MEMS and ultra precision optical devices are miniaturized. The real three dimensional measurement of these micro nanostructures is required to reach nanometer, subnanometer scale, and the measurement force reaches the size of cattle and even Nanniu. The real three-dimensional measurement between hundreds of microns to several millimeter scale has made some progress, but there is no mature technology. The key to nanometer measurement is nano triggered location. The 3D nano trigger positioning technology is the core of the micro and nano 3D technology. It is the basis of realizing the true three Vinami measurement of microdevices and so on. It is also the domestic and foreign micro nano. One of the difficulties in the Coordinate Measuring Machine (CMM) Machine (CMM) research is one of the difficulties. In view of the research requirements and technical bottlenecks of the micro nano CMM, this paper, based on the analysis and summary of the research status and progress of the micro nano CMM at home and abroad, presents a three-dimensional nano dimension resonance trigger method. Based on this method, the three-dimension nano resonance trigger is developed. The measuring and positioning system of measuring head and three dimensional nanoscale resonance can be used to measure the high resolution three-dimensional trigger of the micro inner hole. The main research work and achievements are summarized as follows: 1) the study of the trigger method and the working mechanism of the three dimensional nano resonant trigger probe. Contact mechanism, the mechanical model of X (Y), Z to the surface of the test ball and the surface of the sample surface is constructed. According to the equation of motion of the mechanical model, the interaction force of Fan Dehua force, the capillary force and the influence of the resultant force on the head motion are analyzed and the numerical simulation of the three dimensional nano resonant trigger head is constructed. Fiber taper technology and Taguchi method are used to prepare optical fiber microspheres by two stages. The two dimensional optical fiber microspheres with a two-dimensional diameter of less than 80gm, a two-dimensional roundness less than 0.70 mu, a two-dimensional eccentricity less than 0.65gm and a true sphericity of about 0.50 m are obtained. The microsphere is used as a micro force sensor with quartz forks, PVDF and double ends, respectively. The resonance parameters (resonance amplitude, resonant frequency / resonant phase) have built a three-dimensional resonance trigger probe for the Gao Min sensibility of micro force. The remarkable characteristic of the three dimensional resonance trigger probe is that it works in the tapping mode at Z, while in the X, Y direction working in the friction mode. The noise level, sensitivity, trigger resolution, and weight of the quartz tuning fork, the PVDF system, the trigger resolution, and the weight. The test and analysis of the properties of the complex properties show that the trigger resolution of the two systems in the three directions of X, Y and Z all reach the order of subnanometer, and the unidirectional repeatability error is at the order of ten nanometers, of which the isotropic force of the quartz tuning fork system is from ten to a hundred micro cattle, and the isotropic force of the PVDF system reaches the sub micron.3). The three dimensional resonance trigger measurement and positioning system based on quartz tuning fork, three dimensional resonance trigger probe of PVDF and three dimensional nanoscale positioning table, feedback control module and signal processing circuit are combined respectively. The overall mechanical structure is designed for the three dimensional trigger measurement and positioning system of quartz tuning fork, and the phase locked loop is based on the phase locked loop. (PLL) the phase feedback control circuit, and write the control and test program based on VC++,.4) the characteristic test of the three-dimension nanometer resonance trigger measurement and positioning system. By testing the circle approach curve of the quartz tuning fork system, the system's anisotropy is obtained in the nanometer / subnanometer scale, the one-way repetition error, the single point trigger repetition The error of the error is at the magnitude of ten nanometers. The calibration scheme of the equivalent diameter of the probe ball is designed, and a directional calibration program based on VC++ is written. The calibration test of the measurement results of the micro inner hole sample is corrected by the calibration test of the standard internal size of the standard gauge block group 0., 45., 90., 135., 180., 225., 270. and 315.. Finally, the three-dimensional trigger measurement of micro hole specimen is realized by using quartz tuning fork system.
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH70

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本文編號：1967542