CN107560573A - 一种悬丝式可变刚度微纳测头 - Google Patents

Abstract

本发明一种悬丝式变刚度微纳测头包括：测头、测杆、中间连接体、电容上极板、电容下极板、环形记忆合金、压电陶瓷芯片、固定基座、悬丝、动平台、电容数字转换器、工控机。所述中间连接体通过悬丝固定于动平台中心；所述环形记忆合金通过螺钉固定于动平台；所述悬丝一端连接中间连接体，另一端连接环形记忆合金；所述固定基座通过焊接固定于动平台；所述压电陶瓷芯片固定于环形记忆合金和固定基座之间；所述测杆安装在中间连接体中心。本发明通过压电陶瓷芯片的压电效应，对环形记忆合金产生横向压力，使环形结构产生形变，从而改变悬丝的张紧程度，进而改变悬挂机构的刚度和灵敏度，以满足不同工况下对工件的测量要求。

Description

一种悬丝式可变刚度微纳测头

技术领域

本发明涉及微纳米测量领域，更具体的说是一种悬丝式可变刚度微纳测头。

背景技术

近年来，随着微纳加工技术的迅速发展，出现了各种微纳米级别的器件。为保证微纳米器件的加工质量，相应的检测技术和手段的研究变得至关重要。

测头是坐标测量机的核心部件之一，它的精度决定着坐标测量机的总体测量精度。测头分为接触式和非接触式两种：接触式测头可用来测量非接触式测头不能测量的具有斜面、圆弧等复杂特征的工件。相比于非接触式测头，接触式测头具有精度和可靠性高、易于校正等优点。目前，接触式微纳米坐标测量机的悬挂机构多为刚度不变的弹性梁，其存在以下缺陷：当刚度较大时，测头的灵敏度低，与工件接触时会产生较大的测量力进而破坏工件表面；当刚度较低时，测头的灵敏度提高，所需测量力小，但测头与工件之间的吸引力会损坏测头系统的重复精度，同时其惯性力易造成误触发。

发明内容

为了解决以上问题，本发明公开了一种悬丝式可变刚度微纳测头。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种悬丝式可变刚度微纳测头，它主要包括：测头、测杆、中间连接体、悬丝、环形记忆合金、压电陶瓷芯片、固定基座、动平台、电容上极板、电容下极板、电容数字转换器、工控机。所述测头和测杆为一体式结构；所述测杆通过胶结方式固定于中间连接体中心；所述中间连接体通过悬丝固定于动平台中心位置；所述悬丝一端连接中间连接体，另一端连接环形记忆合金；所述固定基座焊接于动平台上；所述压电陶瓷芯片固定于环形记忆合金和固定基座之间；所述电容上极板通过胶结方式固定于动平台中心下表面；电容下极板通过金属镀层方式固结于中间连接体上表面。

与现有技术，本发明的有益效果体现在：

本发明通过采用悬丝构成的柔性支撑，比梁结构具有较好的应力分布、回程误差小、重复性和精度高的特点。

本发明通过压电陶瓷芯片的压电效应，对环形记忆合金产生横向压力，使环形结构产生形变，从而改变悬丝的张紧程度，进而改变悬挂机构即测杆支撑结构的刚度和灵敏度，以满足不同工况下对工件的测量要求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中间连接体、测杆和电容下极板的结构示意图；

图3是本发明环形记忆合金和螺钉的分解示意图。

图中标号：测头-1、测杆-2、中间连接体-3、电容下极板-4、电容上极板-5、悬丝-6、环形记忆合金-7、压电陶瓷芯片-8、固定基座-9、螺栓孔-10、螺钉-11、动平台-12、电容数字转换器-13、工控机-14。

具体实施方式

以下结合附图，通过对实施例的描述，对本发明做进一步说明：

一种悬丝式可变刚度微纳测头，它主要包括：测头1、测杆2、中间连接体3、电容下极板4、电容上极板5、悬丝6、环形记忆合金7、压电陶瓷芯片8、固定基座9、螺栓孔10、螺钉11、动平台12、电容数字转换器-13、工控机-14。测头1和测杆2为一体式结构，中间连接体3下表面中心位置设置圆形凹槽，测杆2通过胶结方式固结于中心连接体3圆形凹槽处。为减少中间连接体3的质量，在其下表面对称设置8个圆形凹槽。中心连接体3圆周位置对称设置4个凸台，每个凸台中心位置设置圆形凹槽，便于悬丝6的安装。动平台12下表面对称设置4个环形记忆合金7，每个环形记忆合金7通过2个螺钉11固定于动平台12上，在环形记忆合金7中部设置通孔，便于悬丝6的安装。

悬丝6一端通过胶结方式固定于中心连接体3的凸台中心，另一端固定于环形记忆合金7中部。为便于压电陶瓷芯片8工作时力的传递，每个环形记忆合金7中部设置凸台。动平台12上对称布置4个固定基座9，每个固定基座9设置矩形凹槽，便于压电陶瓷芯片8的安装，固定基座9通过焊接方式固定于动平台12。同时在动平台12上的4个压电陶瓷芯片8分别安装在固定基座9和环形记忆合金的凸台之间。电容上极板5通过胶结方式固定于动平台12下表面中心位置，电容下极板4通过金属镀层方式固结于中间连接体3上表面。电容上极板4通过导线与电容数字转换器13相连，以检测电容变化，并将电容数字转换器13与工控机14相连，用以检测测头位移变化，进而完成测量。

本发明悬丝式变刚度微纳测头的悬挂机构包括中间连接体、悬丝、环形记忆合金，通过悬丝6代替弹性梁，利用压电陶瓷芯片8的压电效应，对环形记忆合金7产生横向压力，从而改变悬丝6的张紧程度，进而改变测杆支撑结构的刚度和灵敏度。

当微纳测头装置开始工作且未接触待测工件时，压电陶瓷芯片8不工作，此时测杆支撑结构的刚度最大，测头灵敏度下降、响应速度变快，减少装置测量过程中由于惯性产生的误触发；当测头接触待测工作表面时，压电陶瓷芯片8工作，使悬丝6张紧程度变小，测杆支撑结构的刚度变小，减小测头1与工件的接触力；当测头1离开待测工作表面时，压电陶瓷芯片7不工作，测杆支撑结构的刚度变大，能克服测头1与工件表面的摩擦力，改变测头的动态响应特性。本发明可根据测量物体和工作过程中的需求，来改变测头悬挂机构的刚度，以满足对测量工作的要求。

以上所述为本发明的实施方式，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以做出适当的改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种悬丝式变刚度微纳测头，其特征在于：它包括测头(1)、测杆(2)、中间连接体(3)、电容下极板(4)、电容上极板(5)、悬丝(6)、环形记忆合金(7)、压电陶瓷芯片(8)、固定基座(9)、螺栓孔(10)、螺钉(11)、动平台(12)、电容数字转换器(13)、工控机(14)。所述测头(1)和测杆(2)为一体式结构；所述测杆(2)安装在中间连接体(3)中心；所述中间连接体(3)通过悬丝(6)固定于动平台(12)中心；所述悬丝(6)一端连接中间连接体(3)，另一端连接环形记忆合金(7)；所述环形记忆合金(7)通过螺钉(11)固定于动平台(12)上；所述固定基座(9)通过焊接方式固定于动平台(12)上；所述压电陶瓷芯片(8)固定于环形记忆合金(7)和固定基座(9)之间。

2.根据权利要求1所述的一种悬丝式变刚度微纳测头，其特征在于：所述环形记忆合金(7)设有凸台，所述固定基座(9)设有矩形凹槽；所述环形记忆合金(7)、固定基座(9)、压电陶瓷芯片(8)依次按顺序安装，便于压电陶瓷芯片(8)工作过程中力的传递。

3.根据权利1所述的一种悬丝式变刚度微纳测头，其特征在于：环形记忆合金(7)在压电陶瓷芯片(8)的作用下产生形变，通过改变悬丝(6)的张紧程度，进而改变测头悬挂机构的刚度和灵敏度。