纳米三坐标测量机三维大量程接触扫描探头系统的研制
针对微小结构和器件对大量程、高精度坐标测量方法和装置的需求，本论文研制了一套可用于微纳米三坐标测量机的接触扫描探头系统。该探头可分为弹性机构和三维传感器两部分:弹性机构由测球、测杆、悬浮片、平面反射镜、弹性元件、固定装置等组成，可将测球在三维方向上的位移转换成平面反射镜的转角或位移;三维传感器负责感测平面反射镜的角度和位移变化。论文完成了以下主要工作:
(1)提出了由微型迈克尔逊干涉仪和基于DVD光学读取头的二维角度传感器组成的三维传感器;拓展了DVD光学读取头的角度感测范围;研制了体积小且对称性好的三维探头。在此基础上，去掉DVD光学读取头的具体形态，分别设计制作了基于迈克尔逊干涉仪和自准直仪的共光路和并联光路的三维传感器。在并联光路情况下，通过在迈克尔逊干涉仪与对应平面反射镜之间增加聚焦透镜的方式，提高了迈克尔逊干涉仪的抗偏角能力。
(2)设计了基于簧线的等张力弹性机构和基于“Z”字形以及“V”字形铍青铜簧片的弹性机构，建立了三种弹性机构的刚度模型。确定了测球与被测面之间允许的最大接触力，分别对三种弹性机构进行了优化设计并得出了最佳结构参数，通过ANSYS仿真和实验验证两种方式验证了理论分析结果的正确性。
(3)构建了不同的实验系统，对加工、组装、调试好的探头，分别进行了测力、分辨力、稳定性、量程和重复性等方面的测试。测试结果表明:探头的测力梯度小于1 mN/μm，分辨力为1nm，量程为±20μm×±20μm×20μm，重复性精度小于30 nm;环境温度变化是引起探头信号漂移的主要原因，探头中机械部件和结构对温度的敏感度远远超过光电部分，恒温环境下探头1小时内的漂移量小于30 nm。
(4)分析了探头三轴输出信号间相互耦合的原因，提出了三种不同的解耦模型，搭建了基于PI纳米定位平台的校正系统并获得了原始的校正数据，利用校正数据分别求出了基于多元线性回归三维模型和基于泰勒展开式三维模型中的解耦参数，经对比前者的精度更高。通过对标准量块的平面度、厚度以及一个有效直径约为6mm的凸透镜的测量，验证了探头的有效性。分析了探头的误差，并给出了修正或减小的办法。
微纳米三坐标测量机;接触扫描探头;解耦模型
合肥工业大学
博士
测试计量技术及仪器
范光照
2013
中文
TH721
129
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）