CN107806818A - 一种金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置 - Google Patents

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岳晓斌
刘坤
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Abstract

本发明公开了一种金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置，该装置的左右移动导轨A、上下移动导轨A、前后移动导轨用于实现原子力扫描头与金刚石刀具十微米量级的偏心调整；左右移动导轨B、前后移动导轨B用于实现光学显微镜与金刚石刀具十微米量级的偏心调整；三维精密位姿调整机构用于实现金刚石刀具与原子力扫描探针亚微米量级的偏心调整；超精密空气静压回转轴系用于实现金刚石刀具全刃口锋利度和圆弧波纹度的测量。本发明的金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置能够有效控制超精密轴系的振动和回转误差对测量结果的影响，同时显著提升金刚石刀具刃口锋利度、圆弧波纹度、刃口微豁、刃口表面粗糙的测量效率。

Description

一种金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置
技术领域
本发明属于超精密测量技术领域，具体涉及一种金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置。
背景技术
随着超精密加工是现代高技术战争、高科技产业和前沿科技发展的关键技术。对于超精密切削加工而言，满足一定质量要求的刀具至关重要。作为目前唯一能够满足超精密切削加工要求的刀具，高精度金刚石刀具的评价及测量技术是超精密切削的重要支撑技术，其评价及测量的发展不仅可为超精密切削过程中刀具质量的综合评价、判定和监控提供技术支持，同时也为刀具的制造技术提供指导。超精密切削实验研究表明：金刚石刀具刃口轮廓质量，包括刃口锋利度、刀尖圆弧波纹度、表面粗糙度、刃口微豁等都对工件质量具有重要影响。由于金刚石刀具刃口轮廓技术指标包含了尺寸、轮廓及表面质量要素，指标体系复杂且精度要求极高（全部指标的精度均进入纳米量级），因此，金刚石刀具刃口轮廓的准确测量和评价极其困难。而国际上并没有建立一套相对统一、完善的金刚石刀具刃口轮廓质量测量装置，尚不能系统、全面地对金刚石刀具刃口轮廓质量展开测量。
目前金刚石刀具刃口轮廓质量测量主要由以下几种方法：光学显微测量方法、扫描电子显微镜方法（SEM）、原子力显微镜方（AFM）法。其中光学显微测量方法由于受光衍射效应的影响，并不满足纳米精度的测量要求；借助SEM法测量金刚石刀具刃口轮廓质量时，需要在刀具表面镀一层导电金膜。由于刀具表面镀有导电薄膜，所以实际的测量结果并非真实的刀尖形貌。同时，经过仔细研磨金刚石刀具的刃口锋利度可达到20 nm甚至更低，SEM法并不能完全满足金刚石刀具刃口锋利度的测量。由于原子力显微镜（AFM）具有极高的分辨与测量精度，近年来被广泛应用于金刚石刀具的测量。
申请号为200910072876.6的专利公布了一种圆弧刃金刚石刀具刀尖圆弧圆度的检测装置，能够满足高精度的刀尖圆弧圆度的测量要求。岳晓斌等人提出了一种金刚石刀具nm级表面轮廓质量多参数集成测量方法，能够实现刃口锋利度、刀尖圆弧波纹度、表面粗糙度、刃口微豁等参数的测量。但是上述公布或发表测量方法均是在现有的商用原子力显微镜（AFM）测量平台实现测量，存在以下不足：商用原子力显微镜测量平台操作空间小，测量过程中调整困难，导致测量效率低下；超精密回转轴系水平放置于原子力平台上，轴系的振动以及回转误差将显著影响测量结果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置。
本发明的金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置，其特点是，所述的测量装置包括基座、支架、横梁、原子力扫描头、原子力扫描测量系统、左右移动导轨A、上下移动导轨A、光学显微镜、显微镜安装座、上下移动导轨B、左右移动导轨B、三维精密位姿调整机构、超精密空气静压回转轴系、前后移动导轨；
其连接关系是：基座放置在隔振地基上；支架固定连接于基座上；横梁固定连接于支架上；左右移动导轨A固定连接于横梁上；上下移动导轨A固定连接于左右移动导轨A上；原子力扫描头固定连接于上下移动导轨A上；左右移动导轨B固定连接于支架上；上下移动导轨B固定连接于左右移动导轨B上；显微镜安装座固定连接于上下移动导轨B上；光学显微镜固定连接于显微镜安装座上；前后移动导轨固定连接于基座上；超精密空气静压回转轴系竖直固定连接于前后移动导轨上；三维精密位姿调整机构固定连接于超精密空气静压回转轴系上。
所述的原子力扫描测量系统包括扫描探针安装座、原子力扫描探针、刀具定位支架、刀具夹持座、刀柄、金刚石刀具；
其连接关系是：扫描探针安装座固定连接于原子力扫描头上；原子力扫描探针安装在扫描探针安装座上；刀具定位支架安装在三维精密位姿调整机构上；刀具夹持座安装在刀具定位支架上；刀柄安装在刀具夹持座上；金刚石刀具安装在刀柄上。
所述的左右移动导轨A、上下移动导轨A、上下移动导轨B、左右移动导轨B、前后移动导轨的调整精度为0.01mm。
所述的三维精密位姿调整机构的调整精度为亚微米。
所述的超精密空气静压回转轴系的运动精度为30nm。
所述的光学显微镜的分辨精度为5μm。
本发明的金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置中的原子力扫描测量系统用于实现金刚石刀具刃口锋利度、圆弧波纹度、刃口微豁、刃口表面粗糙的测量；左右移动导轨A、上下移动导轨A、前后移动导轨用于实现原子力扫描头与金刚石刀具十微米量级的偏心调整；左右移动导轨B、前后移动导轨B用于实现光学显微镜与金刚石刀具十微米量级的偏心调整；三维精密位姿调整机构用于实现金刚石刀具与原子力扫描探针亚微米量级的偏心调整；超精密空气静压回转轴系用于实现金刚石刀具全刃口锋利度和圆弧波纹度的测量。
本发明基于原子力扫描头构建了金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置，将超精密回转轴系竖直放置，有效控制超精密轴系振动和回转误差对测量结果的影响；同时由于操作空间的改善，能够显著提升金刚石刀具刃口锋利度、刀尖圆弧波纹度、表面粗糙度、刃口微豁等参数的测量效率。
附图说明
图1是本发明的金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置的结构示意图；
图2是本发明的金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置的原子力扫描测量系统结构示意图；
图中，1.基座 2.支架 3.横梁 4.原子力扫描头 5.原子力扫描测量系统 6.左右移动导轨A 7.上下移动导轨A 8.光学显微镜 9.显微镜安装座 10.上下移动导轨B11.左右移动导轨B 12.三维精密位姿调整机构 13.超精密空气静压回转轴系 14.前后移动导轨 51.扫描探针安装座 52.原子力扫描探针 53.刀具定位支架 54.刀具夹持座 55.刀柄 56.金刚石刀具。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置包括基座1、支架2、横梁3、原子力扫描头4、原子力扫描测量系统5、左右移动导轨A6、上下移动导轨A7、光学显微镜8、显微镜安装座9、上下移动导轨B10、左右移动导轨B11、三维精密位姿调整机构12、超精密空气静压回转轴系13、前后移动导轨14；
其连接关系是：基座1放置在隔振地基上；支架2固定连接于基座1上；横梁3固定连接于支架2上；左右移动导轨A6固定连接于横梁3上；上下移动导轨A7固定连接于左右移动导轨A6上；原子力扫描头4固定连接于上下移动导轨A7上；左右移动导轨B11固定连接于支架2上；上下移动导轨B10固定连接于左右移动导轨B11上；显微镜安装座9固定连接于上下移动导轨B10上；光学显微镜8固定连接于显微镜安装座9上；前后移动导轨14固定连接于基座1上；超精密空气静压回转轴系13竖直固定连接于前后移动导轨14上；三维精密位姿调整机构12固定连接于超精密空气静压回转轴系13上。
如图2所示，所述的原子力扫描测量系统5包括扫描探针安装座51、原子力扫描探针52、刀具定位支架53、刀具夹持座54、刀柄55、金刚石刀具56；
其连接关系是：扫描探针安装座51固定连接于原子力扫描头4上；原子力扫描探针52安装在扫描探针安装座51上；刀具定位支架53安装在三维精密位姿调整机构12上；刀具夹持座54安装在刀具定位支架53上；刀柄55安装在刀具夹持座54上；金刚石刀具56安装在刀柄55上。
所述的左右移动导轨A6、上下移动导轨A7、上下移动导轨B10、左右移动导轨B11、前后移动导轨14的调整精度为0.01mm。
所述的三维精密位姿调整机构12的调整精度为亚微米。
所述的超精密空气静压回转轴系13的运动精度为30nm。
所述的光学显微镜8的分辨精度为5μm。
本发明的金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置具体工作流程如下：将待测金刚石刀具56通过刀柄55安装在刀具夹持座54上；开启光学显微镜8，并调整左右移动导轨B11、上下移动导轨B10、前后移动导轨14，使得金刚石刀具56的刃口轮廓进入光学显微镜8的视场范围内；调整左右移动导轨A6、上下移动导轨A7，使得原子力扫描头4与金刚石刀具距离小于10 μm； 在光学显微镜8视场下，使用三维精密位姿调整机构12，使得原子力扫描头4与金刚石刀具距离小于0.2 μm；开启原子力扫描头4，使得原子力扫描探针52与金刚石刀具56刃口轮廓区域接触；超精密空气静压回转轴系13保持静止，原子力扫描头4控制原子力扫描探针52实现金刚石刀具56局部刃口锋利度、刃口微豁、表面粗糙度的测量；驱动超精密空气静压回转轴系13回转运动，实现金刚石刀具56全刃口锋利度、圆弧波纹度的测量。
本发明不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置，其特征在于：所述的测量装置包括基座(1)、支架(2)、横梁(3)、原子力扫描头(4)、原子力扫描测量系统(5)、左右移动导轨A(6)、上下移动导轨A(7)、光学显微镜(8)、显微镜安装座(9)、上下移动导轨B(10)、左右移动导轨B(11)、三维精密位姿调整机构(12)、超精密空气静压回转轴系(13)、前后移动导轨(14)；
其连接关系是：基座(1)放置在隔振地基上；支架(2)固定连接于基座1上；横梁(3)固定连接于支架(2)上；左右移动导轨A(6)固定连接于横梁(3)上；上下移动导轨A(7)固定连接于左右移动导轨A(6)上；原子力扫描头(4)固定连接于上下移动导轨A(7)上；左右移动导轨B11固定连接于支架(2)上；上下移动导轨B(10)固定连接于左右移动导轨B(11)上；显微镜安装座(9)固定连接于上下移动导轨B(10)上；光学显微镜(8)固定连接于显微镜安装座(9)上；前后移动导轨(14)固定连接于基座(1)上；超精密空气静压回转轴系(13)竖直固定连接于前后移动导轨(14)上；三维精密位姿调整机构(12)固定连接于超精密空气静压回转轴系(13)上。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置，其特征在于：所述的原子力扫描测量系统(5)包括扫描探针安装座(51)、原子力扫描探针(52)、刀具定位支架(53)、刀具夹持座(54)、刀柄(55)、金刚石刀具(56)；
其连接关系是：扫描探针安装座(51)固定连接于原子力扫描头(4)上；原子力扫描探针(52)安装在扫描探针安装座(51)上；刀具定位支架(53)安装在三维精密位姿调整机构(12)上；刀具夹持座(54)安装在刀具定位支架(53)上；刀柄(55)安装在刀具夹持座(54)上；金刚石刀具(56)安装在刀柄(55)上。
3.根据权利要求1所述的一种金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置，其特征在于：所述的左右移动导轨A(6)、上下移动导轨A(7)、上下移动导轨B(10)、左右移动导轨B(11)、前后移动导轨(14)的调整精度为0.01mm。
4.根据权利要求1所述的一种金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置，其特征在于：所述的三维精密位姿调整机构(12)的调整精度为亚微米。
5.根据权利要求1所述的一种金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置，其特征在于：所述的超精密空气静压回转轴系(13)的运动精度为30nm。
6.根据权利要求1所述的一种金刚石刀具刃口轮廓质量超精密测量装置，其特征在于：所述的光学显微镜(8)的分辨精度为5μm。
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