【摘要】：隨著微加工技術(shù)的不斷發(fā)展,工件尺寸逐漸向于微型化轉(zhuǎn)變,亟需更高精度的微納測量裝置來保證工件表面質(zhì)量。測頭是微納測量裝置的重要組成部分,根據(jù)測量過程和測測量對象的不同,測頭需具有不同的剛度,而目前大多數(shù)測頭結(jié)構(gòu),并不具備變剛度性能,因此研究變剛度微納測頭對提升微納測量裝置的性能具有重要作用。論文介紹了微納測頭的基本要求、并對接觸式測頭的常見結(jié)構(gòu)、測量過程、和測量原理作了系統(tǒng)闡述,基于上述對測頭的變剛度要求,設(shè)計了一種新型變剛度懸絲約束微納測頭結(jié)構(gòu)。該變剛度測頭結(jié)構(gòu)由柔順導(dǎo)向機構(gòu)和懸絲約束測頭結(jié)構(gòu)組成,并采用電容傳感器作為檢測裝置。論文建立了測頭位移和電容變化的剛度理論模型,利用正交試驗方法優(yōu)選了測頭的尺寸參數(shù),并對優(yōu)選后測頭的剛度、模態(tài)、諧響應(yīng)和XY平面內(nèi)的各向同性特性作了分析。介紹了壓電效應(yīng)原理和疊堆壓電陶瓷的工作特點,闡述了四種鉸鏈和三種常用柔順導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的特點,并基于疊堆壓電陶瓷和柔順導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的特點設(shè)計了一種可改變懸絲自由端位移的新型柔順導(dǎo)向機構(gòu),以柔順導(dǎo)向機構(gòu)的放大倍數(shù)和疊堆壓電陶瓷所需剛度為指標(biāo),優(yōu)化了的鉸鏈長度和角度,并對優(yōu)化后的柔順導(dǎo)向機構(gòu)的模態(tài)、應(yīng)力、疲勞等特性作了進(jìn)一步分析。論文建立了測頭整體結(jié)構(gòu)的變剛度理論模型,通過有限元軟件分析了變剛度測頭的剛度、模態(tài)、瞬態(tài)、應(yīng)力等特性,基于上述建立的變剛度理論模型,求得該測頭沿Z向和X向的仿真和理論誤差分別為5.612%,6.763%,表明所建立測頭的變剛度理論模型準(zhǔn)確性較好。研究成果豐富了現(xiàn)有測頭的結(jié)構(gòu),并為該類型測頭的變剛度控制奠定了重要的理論基礎(chǔ)。圖[62]表[26]參[72]。
【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH70
【圖文】：

(a) 傳統(tǒng)測量裝置 (b) 微納測量裝置圖 1 傳統(tǒng)測量裝置和微納測量裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of traditional CMM and micro-nano CMM表 1 傳統(tǒng)測量裝置和微納測量裝置性能參數(shù)Table 1 Performance of traditional CMM and micro-nano CMM傳統(tǒng)測量裝置 微納測量裝置尺寸 (2000 mm)3(200 mm)3質(zhì)量 1000 kg 10 kg測量范圍 1 m3(10 mm)3分辨率 1 μm 10 nm測頭直徑 5 mm 50 μm測量力 10-1N 10-3N測量精度 5 μm 50 nm

安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文采用剛度較強的因瓦合金，測桿采用剛度較大、質(zhì)量較輕的碳化鎢，測球采用氮化硅。當(dāng)測球受到作用力時，由于鈹青銅懸臂與碳化鎢管采用剛性連接，測球端位移變化可直接傳遞到鋁制圓盤上，使電容發(fā)生變化，通過計算電容的變化量，進(jìn)而可求得測球端的位移變化情況。該測頭裝置的測球直徑為 300 μm ，測桿形狀為錐形，直徑為 30~200 μm，長度為 1~3 mm，其相關(guān)性能參數(shù)如表 2 所示。

圖 3 英國諾丁漢大學(xué)測頭Fig.3 The probe designed by the University of Nottingham, UK表 3 英國諾丁漢大學(xué)測頭的性能參數(shù)Table 3 Performance of probe designed by the University of Nottingham, UK施加位移(μm)頻率(Hz)剛度(N/mm) 重復(fù)性(nm)z 向 橫向 z 向 橫向1 1057 2.853 0.61 6 32.2 600 0.914 0.41 12 21.2.2 電磁式測頭瑞士聯(lián)邦計量檢定局 Swiss Federal Office of Metrology(METAS)和 Mecart公司聯(lián)合研發(fā)了一種基于電感原理的電磁式微納接觸測頭[26]，具有重量輕、可行掃描測量等特點，如圖 4 所示。該測頭的支撐機構(gòu)由具有撓性鉸鏈支撐的并機構(gòu)組成，在 X，Y，Z 方向上分別具有一個自由度，各軸都與水平方向成 45°

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2796707