砂轮测量用白光垂直扫描干涉仪三维运动机台优化设计

摘要

砂轮是磨削加工中广泛使用的一种磨具，磨削加工直接影响被加工工件的表面质量，因此为了实现对工件表面质量的有效预测和控制，对砂轮表面三维形貌的准确测量、表征和评价就显得尤为重要。白光垂直扫描干涉仪是白光垂直扫描干涉法的物理实现，适用于砂轮表面三维形貌的检测，其系统结构主要包括光学干涉系统、运动控制系统、立柱、机台等部分。本论文旨在设计制作一款砂轮形貌检测专用白光垂直扫描干涉仪三维运动机台，主要分为XY水平方向位移平台部分，其作用是为旋转台及砂轮提供XY向位移；旋转台部分，其可以提供砂轮绕其轴线的旋转运动同时也起到了定位和装夹砂轮的功能；桥式立柱部分，其作用是用来安装光学检测探头部分；最后包含有带柔性铰链微位移放大机构的Z向粗精两级位移系统部分,其中粗级运动可以提供光学检测镜头大范围快速的Z向运动用于镜头靠近砂轮实现对焦，而后采用压电陶瓷驱动提供镜头的微位移运动以实现系统的精密扫描过程。通过有限元静动力学分析优化机台结构，使其满足使用要求,主要研究工作包括：
　　（1））首先，完成XY向水平位移平台的整体布局分析和结构设计与制作。主要包含滚珠丝杠、导轨、步进电机的选型；砂轮旋转台的设计与制作，包含砂轮定位夹具的设计与制作以及电控旋转台的选型和适配；桥式立柱部分的设计与制作，根据有限元分析确定合适的横梁加强筋尺寸，并借此指导加工。
　　（2）其次，设计制作了Z向精级位移驱动机构即压电陶瓷驱动柔性铰链微位移放大机构。根据系统功能需要，通过对直圆型柔性铰链单元各参数的有限元分析，从而得出一组合适的柔性铰链单元参数，用以设计了柔性铰链放大机构，以实现放大压电陶瓷输出位移的功能。最后完成 Z向粗级位移驱动机构的设计与制作，即步进电机单轴驱动器的选型及适配，与压电陶瓷柔性铰链共同组成Z向粗、精两级位移机构。
　　（3）最后，完成对XY向位移平台的直线度及定位精度的实验测定，实现X轴正方向直线度为10.31μm，X轴负方向直线度为9.42μm；Y轴正方向直线度为11.52μm，Y轴负方向直线度为11.23μm；定位精度实现5μm，可以提供砂轮横向检测时所需要的定位精度。同时完成压电陶瓷微位移器的性能测定，实现定位精度±0.2μm，满足砂轮检测扫描过程对垂直位移的要求。
　　通过理论分析和实验验证，完成了一款砂轮检测专用白光垂直扫描干涉仪三维运动机台的设计与制作，水平位移精度实现5μm，垂直位移精度实现±0.2μm，满足白光垂直扫描干涉仪对于三维驱动机构的使用要求。

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第1章 引言

1.1课题研究的意义及目的

1.2超精密位移工作台研究现状

1.3压电陶瓷驱动柔性铰链工作台研究现状

1.4课题来源

1.5本文主要内容

第2章 三维运动机台整体布局

2.1 XY水平方向位移平台

2.2 Z向柔性铰链微位移放大机构

2.3本章小结

第3章 XY水平方向位移平台

3.1 XY水平方向位移平台的设计

3.2砂轮夹具及旋转机构

3.3本章小结

第4章 柔性铰链放大机构Z向粗精级驱动设计

4.1柔性铰链微位移放大机构

4.2底座立柱的设计

4.3 Z向驱动机构

4.4本章小结

第5章 实验测试及精度分析

5.1 XY水平方向位移平台的标定实验

5.2压电陶瓷柔性铰链精级驱动标定实验

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2本文创新点

6.3展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表学术论文与研究成果