微纳米三坐标测量机测头的研究进展

根据微纳米三维测量的发展和研究现状,首先归纳了三维微纳米测头的技术要求并进行分类,然后对国内外微纳米CMM测头的研究进展进行了介绍和比较,指出了各种类型测头需要解决的问题。针对这些测头的局限性,探讨了正在研究的新型三维谐振触发方法和触发测头。最后对微纳米三坐标测头的研究与开发趋势进行了总结和展望。

微纳米三坐标测量机三轴垂直度误差测量及建模补偿

垂直度误差是微纳米三坐标测量机的重要误差源之一,必须对其进行高精度测量并建立垂直度误差的补偿模型。采用基于光电位置敏感器件(PSD)的测量装置,先将三轴垂直度误差转化成相应方向的直线度误差再对其进行测量,并对微纳米三坐标测量机的垂直度误差进行建模和补偿。通过对0级标准量块厚度进行测量和垂直度误差补偿,量块X、Y方向厚度测量误差分别减小了11μm和4μm,验证了垂直度误差测量方法和补偿模型的有效性。

微纳米三坐标测量机的高精度恒温箱研制

针对恒温室控制精度低和分离式恒温箱因振动而无法满足微纳米三坐标测量机需要的问题，研制了一套自然对流式高精度恒温箱。用定制尺寸的中空亚克力板和轻便型超低导热系数真空绝热板制成绝热箱体。以仪器测量点温度作为温度控制反馈值，均匀位于恒温箱顶部的9个半导体制冷片对其周围空气进行制冷，箱内冷空气均匀向下流动，与向上流动的热空气进行热交换。采用Lab VIEW与MATLAB混合编写高精度温控程序。实验结果表明：设定值为20℃时的稳态误差为0．0032℃，稳态时温度波动小于0．03℃，优于一级恒温室。新型恒温箱具有成本低、能耗小和无振动干扰等优点。

微纳米三坐标测量机探头等效直径测量

文中微纳米三坐标测量机在外尺寸测量过程中,探头与被测件存在接触力变形、摩擦力、还有测头的各向异性等因素,因此,对最终的测量精度有一定的影响。为了进一步提高微纳米三坐标测量机的测量精度,本文提出了通过对量块标准件进行不同角度方向测量,得到探头在测量外尺寸的不同角度方向测端等效直径。实验结果表明通过10mm厚度量块得到的外尺寸测端等效直径补偿20mm厚度量块,可以减小一定程度的探头测端直径误差。

三坐标测量机微纳探头的设计与验证

介绍了国内外测量探头的研究现状;设计了基于簧线和簧片的弹性机构,建立了典型结构:弹性机构的刚度模型,对不同形状的弹性机构进行了仿真验证;介绍了作者团队研制的几种光学传感器及八款三坐标测量机微纳探头,对探头的性能进行了实验验证与测试;对三坐标测量机微纳测量探头的研究和发展趋势进行了总结和展望。

三坐标测量机接触模型构建及数值算法研究

在复杂曲面测量中,接触式坐标测量机有着广泛的应用。针对目前坐标测量机(CMMs)在复杂曲面测量中缺乏一个完整的数学体系,提出了一种新的测头与零件表面接触点的数学模型和数值算法。该算法的基本思想是球面上的点阵列在法向上与标称表面的距离最小。即使在球面上使用了大量的点,也具有良好的收敛性。实验测量凸轮轮廓以及圆环形标称表面的滚珠轴承内圈,成功地模拟出凸轮轮廓线形状。通过对滚动轴承内圈环面测量算法的验证,表明该算法可以将形状误差降低11.88%。实验成功地测试了球形探针半径补偿形状误差的方法。因此,所建立的数学模型将有助于在CMMs上测量复杂而精密的曲面,具有较强的实用性,将对复杂曲面的测量具有重要的意义。

接触触发式三维微纳米探头

为解决微电子机械系统(MEMS)器件三维尺寸高精度测量的难题,研制了一种适用于微纳米三坐标测量机的新型高精度三维接触触发式探头。该探头只用了一个基于四象限感测器的二维角度传感器即可同时实现对测球三维运动的高精度感测。介绍了探头的结构和原理,建立了探头的灵敏度模型和刚度模型,用最优化方法得出了探头结构参数的最优解。对探头的刚度、感测范围、灵敏度、稳定性及触发重复性等性能指标进行了测试。实验结果表明:探头的刚度在三轴方向基本相同,约为1 m N/μm;允许触碰范围超过12μm;灵敏度大于0.5 m V/nm;在恒温环境(20±0.025)℃下,1.3 h内的位移漂移量约为20 nm;触发测量重复性小于40 nm(K=2)。该探头具有精度高、测力小、体积小、成本低、装调方便等优点,可被用于微纳米三坐标测量机。

基于PVDF的三维纳米谐振触发测头及定位系统

微纳米三坐标测量机(Coordinate measuring machining,CMM)是目前微纳米三维测量领域的一个研究热点,针对微纳米CMM中三维纳米测头的研究瓶颈,提出一种与现有机械接触式测头和光学非接触式测头工作原理完全不同的、可达到纳米/亚纳米量级触发分辨力的新型谐振测头。利用聚偏氟乙烯(Poly vinylidene fluoride,PVDF)薄膜的压电特性和其谐振参数对微小作用力的高敏感性,PVDF薄膜与一体式光纤微测杆测球相结合构建成了基于PVDF薄膜的三维纳米谐振触发测头。该测头在z向以轻敲模式接触,在x、y向以摩擦模式接触。经过试验验证,由该测头与三维纳米定位平台、数据处理及反馈控制系统相结合构建成的三维谐振纳米触发定位系统在x、y、z三个方向的触发分辨力都达到了亚纳米量级,分别为0.12 nm、0.10 nm、0.12 nm;三维重复性误差分别为26 nm、36 nm、10 nm。试验结果证实了新型三维谐振测头及其系统的有效性。

基于视觉引导的3D纳米测头

针对现有微纳米CMM机(Micro-Nano Coordinate Measuring Machine,微纳米CMM)测量逼近效率低的问题,设计了一种基于视觉引导的3D纳米测头。该测头以石英音叉结合一体式光纤微测杆测球作为微力触发定位传感器,以3个空间布置的微型USB高倍摄像机对工作台做视觉引导。将测球置于3个摄像机焦平面后约100μm处,通过高斯滤波、清晰度评价、极点搜索,对图像进行实时处理,判断试样是否接近测球,实现三维工作台的高低速引导控制。实验结果表明:该测头可以实现大行程、高精度微纳米CMM的自动高速逼近、低速触发定位测量,通用性好、集成度高,测量效率高。

共平面二维高精度工作台误差修正与实验研究

该文通过采用误差分离与修正技术,对微纳米三坐标测量机x-y平面内存在的各项误差进行全面分析。利用高精密检测仪器和标准件,设计误差分离与修正方案,并对修正过的误差项补偿效果进行测试。然后通过实验测量标准量块平面度、长度等量值,以检验修正后的微纳米三坐标测量机测量精度。实验结果显示,一等量块工作面的平面度测量重复性标准差达到9.5nm,x和y方向长度测量的标准差分别达到了10nm和19nm。理论分析和实验表明,所研制的二维高精度工作台可用于高精度的三维测量。

等刚度高灵敏探头弹性机构设计

针对微型和小型元件的测量问题,设计了一种微纳米三坐标测量机的接触式探头高灵敏弹性机构。弹性机构由铍铜合金簧片、铝合金悬浮片、钢混合玻璃纤维探针以及红宝石测球构成。当测球与被测物体接触时,簧片产生弹性形变,根据弹性理论对弹性机构进行分析并对尺寸进行优化设计,得出弹性机构的刚度可以达到0.110 m N/μm以下。最后通过ANSYS软件对弹性机构进行仿真验证,分析结果的正确性并得出结论。

基于三维光电传感器的接触式探头优化设计

文章设计了一种适用于微纳米三坐标测量机(coordinate measuring machine,CMM)的光学接触式探头,介绍了该探头的结构和原理,并建立了探头的灵敏度模型;依据三维方向等刚度和等灵敏度的原则,得出了探头结构的最优参数;对探头刚度进行仿真验证,并对探头在三维方向上的灵敏度和重复性进行了测试。实验结果表明,探头在三维方向灵敏度约为0.26V/μm,灵敏度近似相等且线性度良好,重复性优于14nm。