基于三维微触觉测头的纳米坐标测量系统

摘要

随着超精密加工技术的不断发展，对相应测量手段的精度要求日益提高，特别是对微小非球面、自由曲面的高精度测量成为世界各国研究的热点和难点。纳米三坐标测量机因其高精度、通用性强、测量效率高、便于实现真正意义的三维测量等优势，成为了检测微小复杂曲面的新型手段。本课题基于三维微触觉测头及纳米测量机(NMM)组建了三维坐标测量系统，并实现了微小复杂曲面的测量。本文涉及主要工作如下：
　　 (1)系统论述了纳米坐标测量机及三维微触觉测头的发展现状，并对目前在各国国家计量机构研发的实验设备及商业化产品进行详细介绍。
　　 (2)研究坐标测量系统原理及数据处理方法，完成了纳米坐标测量系统构建。采用了测量力小于1 mN，三维扩展不确定度50 nm，基于压阻效应的三维微触觉测头Gannen XM配合测量范围25 mm×25 mm×5 mm，分辨力为0.1 nm的纳米测量机(NMM)作为测量系统主要部分；选取数据采集器NI-USB6259BNC作为测头信号采集装置，并依靠其模拟输出功能建立反馈控制系统；搭建照明观察装置及环境温度控制装置；完成了控制软件及数据处理程序设计。
　　 (3)完成了测头及反馈系统性能分析。进行测头线性度分析、回程误差计算，得到测头线性度误差0.6％，回程误差0.24％；通过倾斜表面测试，确定了以空间位移为控制量的反馈手段；完成了测头的标定，即电压信号和位移信号的转换，实验证明转换矩阵可靠。
　　 (4)检验系统整体性能，进行了典型样品测试。设计了台阶高度、平面度、圆柱直径、复杂曲面面形等测量实验，得到本系统在测量不同样品的误差，证明了基于三维微触觉测头的纳米坐标测量系统可以作为微小复杂曲面的有效测量手段。