触针式轮廓仪传感器静态及动态特性检定系统研制

摘要

触针式表面轮廓测量仪以其检测的可靠性，被认为是表面二维轮廓和三维形貌测量的金方法。先进制造技术的发展，对表面轮廓和形貌的快速准确测量提出了更高的要求。触针式轮廓仪传感器静态和动态性能对实现表面形貌快速准确测量至为重要。为此，本文研究设计建构触针轮廓仪传感器静动态特性检定系统。
　　本文设计的触针轮廓仪传感器静动态特性检定系统，由位移驱动单元、位移测量单元及分析评定软件构成。位移驱动单元由电机结合压电陶瓷两级驱动构成，电机配合压电陶瓷，使得工作台能够发生10mm行程范围、30nm分辨率的静态大范围、高分辨率位移，适用于传感器静态特性检定；用于动态特性检定时，压电陶瓷驱动平动柔性铰链产生200Hz，超过5μm范围，纳米分辨率动态位移。设计的大范围、高分辨率位移发生机构结构简单、运动准确且能保证动态驱动时的运动平稳性。位移测量单元目的在于对发生位移准确计量。本文采用光栅衍射干涉原理，在推导干涉光光信号的数学方程基础上，对光学器件进行选型，并设计了光路支撑、调整结构。同时，基于VC++及MATLAB平台，设计了传感器静、动态特性检定系统的配套软件，其中系统软件包括控制调试软件、测量软件、分析评定软件三个部分，实现检定过程的自动化数据采集和动静态特性评定。
　　论文基于ANSYS软件的结构优化、受力仿真分析及动态响应仿真分析，完整建构了触针轮廓仪传感器静动态特性检定系统，并使用MCV-500激光多普勒干涉仪对系统进行标定。结果表明，系统垂直分辨率1nm，9.8mm范围相对测量误差小于0.01％，动态可检定最大频率200Hz，对应峰峰值5.8μm的动态位移，符合设计要求。

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1 绪论

1.1 本课题的目的与意义

1.2触针式轮廓仪及触针对测量的影响研究的发展概况

1.3本文的主要工作

1.4课题来源

2检定系统总体设计

2.1系统指标选取

2.2系统实施方案

2.3系统检定过程

2.4本章小结

3位移驱动单元结构设计

3.1驱动方案选择

3.2静态位移驱动装置结构设计

3.3动态位移驱动装置结构设计

3.4部分零部件选型

3.5本章小结

4 位移测量单元设计

4.1测量方案选择

4.2光栅衍射光干涉测量光路设计

4.3位移测量单元结构设计

4.4光学器件选型

4.5本章小结

5系统软件

5.1系统软件流程

5.2软件框架设计

5.3软件功能及界面

5.4本章小结

6实验测试

6.1标定仪器选择

6.2示值稳定性测试

6.3静态精度测试

6.4动态精度测试

6.4本章小结

7全文总结与展望

7.1全文总结

7.2今后工作的展望

致谢

参考文献

附录Ⅰ攻读硕士学位期间发表的论文和专利

附表