微納米加工技術(shù)的迅速發(fā)展對(duì)精密工程領(lǐng)域的測(cè)量精度提出了更高的要求,探頭系統(tǒng)作為微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的關(guān)鍵組成部分,在很大程度上決定了三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的精度。根據(jù)國(guó)內(nèi)外微納米三坐標(biāo)探頭的研究現(xiàn)狀,本文提出了一種基于單個(gè)光電傳感器的三維接觸觸發(fā)式探頭,并完成了以下工作:1、根據(jù)彈性機(jī)構(gòu)的參數(shù)要求選擇合適形狀尺寸的探針、簧片和懸浮片,并利用ANSYS仿真軟件對(duì)彈性機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真,驗(yàn)證彈性機(jī)構(gòu)在剛度和固有頻率兩方面可以滿足探頭的需求,完成彈性機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。2、對(duì)探頭中光電傳感器的光路進(jìn)行分析,并建立三維方向的靈敏度模型,根據(jù)三維方向等靈敏度的原則對(duì)探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,得到探頭各個(gè)光學(xué)器件的相對(duì)位置和尺寸參數(shù)。3、將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的探頭進(jìn)行加工、組裝、調(diào)試,以PI臺(tái)作為測(cè)試基準(zhǔn)搭建測(cè)試平臺(tái),分別對(duì)探頭的靈敏度、重復(fù)性、分辨率、穩(wěn)定性各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:探頭在x、y、z三個(gè)方向的靈敏度近似相等,分別為0.42、0.44、0.40V/?m,符合靈敏度優(yōu)化模型;探頭允許的測(cè)量范圍大于14?m,1?m定點(diǎn)重復(fù)性測(cè)試優(yōu)于15nm,最小分辨力優(yōu)于5nm,探頭在2h內(nèi)漂移小于24nm。4、為驗(yàn)證探頭的測(cè)量精度,使用0級(jí)平晶和4微米階高對(duì)探頭進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。分別對(duì)平面度和階高進(jìn)行測(cè)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:0級(jí)平晶的平面度標(biāo)準(zhǔn)差為25nm,4微米階高的測(cè)量平均值為4.094?m,標(biāo)準(zhǔn)差為38nm,符合微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)精度的測(cè)量要求。5、對(duì)探頭在設(shè)計(jì)、裝配和測(cè)試過(guò)程中存在的誤差進(jìn)行了分析。
【學(xué)位單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH721;TP212
【文章目錄】：
致謝
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 研究的起源
    1.2 探頭的分類
        1.2.1 電容式
        1.2.2 壓阻式
        1.2.3 開關(guān)觸覺式
        1.2.4 電感式
        1.2.5 光纖式
        1.2.6 光電式
        1.2.7 共振式
    1.3 研究來(lái)源、任務(wù)及內(nèi)容
        1.3.1 課題來(lái)源
        1.3.2 研究任務(wù)
        1.3.3 主要內(nèi)容
第二章 接觸觸發(fā)式探頭結(jié)構(gòu)及原理
    2.1 探頭的總體結(jié)構(gòu)
    2.2 探頭的感測(cè)原理
        2.2.1 彈性機(jī)構(gòu)感測(cè)原理
        2.2.2 三維光電傳感器感測(cè)原理
    2.3 探頭的硬件電路設(shè)計(jì)
        2.3.1 I/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
        2.3.2 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)
        2.3.3 信號(hào)運(yùn)算電路設(shè)計(jì)
        2.3.4 濾波電路設(shè)計(jì)
    2.4 數(shù)據(jù)采集及軟件濾波
    2.5 本章小結(jié)
第三章 接觸觸發(fā)式探頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
    3.1 彈性機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求
        3.1.1 最大允許觸測(cè)力
        3.1.2 最大觸碰速度
        3.1.3 固有振動(dòng)頻率
    3.2 彈性機(jī)構(gòu)仿真分析
    3.3 簧片的制作方法
    3.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)
    3.5 本章小結(jié)
第四章 探頭測(cè)試與誤差分析
    4.1 實(shí)驗(yàn)裝置的搭建
        4.1.1 恒溫箱
        4.1.2 PI微納米定位臺(tái)
        4.1.3 測(cè)試裝置
    4.2 性能測(cè)試
        4.2.1 靈敏度
        4.2.2 穩(wěn)定性
        4.2.3 重復(fù)性
        4.2.4 分辨力
    4.3 驗(yàn)證性測(cè)試
        4.3.1 平面度測(cè)量
        4.3.2 階高測(cè)量
    4.4 探頭的誤差分析
    4.5 本章小結(jié)
第五章 總結(jié)與展望
    5.1 本文主要工作
    5.2 研究工作展望
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)活動(dòng)及成果情況
    1)參加的科研項(xiàng)目
    2)發(fā)表的學(xué)術(shù)論文

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