纳米三坐标测量机模拟探头系统实验研究

摘要

对微器件系统进行高精度测量的增长需求引起了微/纳测量技术的快速发展。传统的三坐标测量机(CMM)由于测量系统的局限性往往只能测量微米或者亚微米级别的器件。作为三坐标测量机最重要的部分，探头的精度能否达到纳米级别决定着整体三坐标测量机的精度级别。
　　本论文提出了一种适用于纳米三坐标测量机的新型高精度接触模拟式探头。该探头基于DVD激光读取头、Michelson干涉仪工作原理。探头构成元件包括带有红宝石球头的测杆、悬浮机构和内部感测传感器。测杆固定在十字架中心位置，十字架通过四抓型簧片悬浮机构与探头外壳连接。当测球接触工件时，测杆偏离，簧片发生弹性变形，粘贴在十字架上的平面反射镜的位置将产生位移变化。这些位移将被探头内部传感器探测得到。
　　本论文针对纳米三坐标测量机模拟式探头的测量范围、测长分辨力与重复性精度的要求，通过改进探头内部传感器、设计高灵敏的悬浮机构与优化数据处理方法等途径来实现要求。建立了探头性能测试实验系统，测试探头的性能。测试实验结果表明本文设计的探头在x，y，z各个方向上的测量范围均为±20μm；通过硬件与软件的结合，测长分辨力可以达到1nm；当四抓型铍青铜簧片厚为0.1mm，宽为2mm时，探头单方向单输出重复性标准差小于49nm，探头水平方向位移为20μu m时，最大测力为11.5mN，垂直方向位移为20μm时测力平均值为12.2mN。本文还提出了一种基于整体最小二乘法的模拟式探头标定方法，且标定实验证明该方法具有一定的可行性。

目录

文摘

英文文摘

致谢

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表格清单

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外探头的研究进展

1.3 本课题研究的目的、意义、主要内容及其来源

1.3.1 目的意义

1.3.2 主要内容

1.3.3 课题来源

第2章 模拟式探头系统的工作原理

2.1 二维角度测量系统的工作原理

2.1.1 DVD激光读取头感测原理

2.1.2 四象限光电传感器

2.1.3 自动准直仪的原理

2.1.4 二维角度测量系统

2.2 一维位移测量系统的工作原理

2.2.1 干涉测量原理

2.2.2 Michelson激光干涉仪工作原理

第3章 模拟式探头系统的构建

3.1 模拟式探头的组件介绍

3.1.1 传感器组件的选用

3.1.2 探头调整机构的设计

3.1.3 探头悬浮机构的设计

3.1.4 测杆与测球的选取

3.2 探头结构参数

3.3 探头组装

3.4 探头数据采集与处理系统

3.4.1 数据采集卡、接线盒与屏蔽电缆的选取

3.4.2 数据采集及处理系统的软件

3.3.3 数据采集与处理系统构建

第4章 模拟式探头的性能测试及改进

4.1 探头三轴量程测试

4.1.1 DVD激光读取头四象限角度线性范围的测试

4.1.2 模拟式探头水平方向线性范围的测试

4.1.3 DVD激光读取头内部四象限传感器的改进

4.1.4 模拟式探头垂直方向线性范围的测试

4.2 探头稳定性测试

4.2.1 探头的工作环境

4.2.2 探头三轴信号噪声测试

4.2.3 探头分辨力的测试

4.2.4 探头三轴信号漂移测试

4.3 探头三轴重复性测试

4.3.1 探头零点重复性的测试

4.3.2 二维角度系统重复性的测试

4.3.3 Michelson激光干涉仪重复性的测试

4.3.4 实验数据分析

4.4 探头接触力与各向同性实验

4.4.1 测力计的开发

4.4.2 测力计的标定

4.4.3 探头测力实验

4.5 本章小结

第5章 纳米三坐标测量机模拟式探头的标定

5.1 三维空间坐标转换模型的建立

5.2 基于整体最小二乘法的空间直角坐标转换参数的求解

5.2.1 整体最小二乘原理的理论思想

5.2.2 坐标转换参数的求解

5.3 标定试验与验证

5.3.1 标定实验的建立

5.3.2 参数标定

5.4 结论

第6章 纳米三坐标测量机模拟式探头的误差分析

6.1 纳米三坐标测量机模拟式探头静态误差源分析

6.1.1 内部传感器的误差

6.1.2 阿贝误差

6.1.3 安装误差

6.1.4 测量环境对模拟探头系统的影响

6.2 纳米三坐标测量机模拟式探头动态误差源分析

6.2.1 预行程的影响

6.2.2 动态有效作用直径

6.2.3 摩擦引起的误差

6.2.4 示值误差

6.2.5 探测速度的影响

第7章 研究总结与工作展望

7.1 研究总结

7.2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文