CN110316695B - 一种微纳双模检测加工模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微纳双模检测加工模块，所述模块包括Z向压电位移台、支架、电容式位移传感器、电容固定座、调节座、锁紧支座、上固定环、PZT激振器、下固定环、测试螺钉、柔性铰链、挡环、固定螺母和探针，其中：所述电容式位移传感器固定在电容固定座；所述电容固定座固定在调节座上方；所述上固定环、PZT激振器、下固定环、测试螺钉、柔性铰链、挡环、固定螺母和探针依次固定在调节座下方；所述探针通过固定螺母和测试螺钉固定在柔性铰链上；所述调节座固定在锁紧支座；所述锁紧支座固定在支架上；所述支架固定在Z向压电位移台上。该模块具有在线检测、伺服加工功能，相比较与商业化AFM，具有更大的加工尺寸及材料适用范围。

Description

一种微纳双模检测加工模块
技术领域
本发明涉及一种微纳双模检测加工模块。
背景技术
MEMS及NEMS的发展应用促进了微纳领域的技术创新，目前主流的微纳加工工艺包括光学及电子束曝光、聚焦离子束加工、LIGA等，但是由于加工材料单一、设备复杂、昂贵，技术难以突破，限制了国内微纳产业的发展。尽管传统的“宏”机械制造技术无法满足微纳加工需求，但是压电陶瓷及传感器技术的突破使“微”机械制造成为可能，而且“微”机械制造的加工材料不受限制，加工结构也不仅仅局限于二维及准三维形式，可实现三维复杂曲面的加工，因此“微”机械制造十分具有发展潜力。
“微”机械制造突破了传统加工极限，通过操作微纳尺寸探针，对工件表面压印、刻划、耕犁、敲击实现材料去除，达到微切削目的，广泛应用在精密微小零件表面加工微纳米尺度结构。然而，现有加工系统的运动精度、工件安装的调整精度、刀具切削精度等都难于满足上述加工要求。尤其是在已有零件表面加工微纳米尺度结构，迫切需要刀具系统具有跟踪表面特性或者具有高精度的检测能力，同时还具有高精度的加工能力。因此，微结构检测及加工已经成为微纳制造领域的研究难点问题，发展一种行之有效的“微”机械制造解决方案是当前微纳领域的研究热点。
发明内容
为了解决上述不足，本发明提供了一种微纳双模检测加工模块。该模块具有在线检测、伺服加工功能，支持接触和准接触工作模式，以此达到高效率、低成本、加工灵活、使用广泛的目的，可以加工斜面及曲面，实现微牛级力检测加工，搭配三维微-纳位移工作台可成为一套完整的微纳检测加工设备，通用性强。相比较与商业化AFM，具有更大的加工尺寸及材料适用范围。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种微纳双模检测加工模块，包括Z向压电位移台、支架、电容式位移传感器、电容固定座、调节座、锁紧支座、上固定环、PZT激振器、下固定环、测试螺钉、柔性铰链、挡环、固定螺母和探针，其中：
所述电容式位移传感器固定在电容固定座；
所述电容固定座固定在调节座上方；
所述上固定环、PZT激振器、下固定环、测试螺钉、柔性铰链、挡环、固定螺母和探针依次固定在调节座下方；
所述探针通过固定螺母和测试螺钉固定在柔性铰链上；
所述调节座固定在锁紧支座上；
所述锁紧支座固定在支架上；
所述支架固定在Z向压电位移台上。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、柔性铰链机构辅以电容式位移传感器测试，作为一种微牛级力传感器的替代方案，具有成本低廉、结构简单、模块化特点，装置采用接触、准接触不同模式或者更换不同刚度柔性铰链，等效于不同量程及分辨率的力传感器。
2、PZT激振器带动柔性铰链及探针处于谐振或受迫运动状态，使得系统在不改变结构条件下于接触、准接触模式间切换，而且由于自身材料特性，不影响系统整体刚度。
3、通过电容固定座上方的紧定螺钉可以调整电容式位移传感器与测试螺钉间的距离，以达到最佳测试性能，调整结束后，通过两个内六角圆柱头固定螺钉保持调整后状态。
4、该机构可装夹环形内十字交叉柔性铰链或者环形内单臂柔性铰链，调节座的设计可以在非锁紧状态下调整针尖朝向，以提高柔性铰链横向刚度，减小偏转误差。
5、本发明所述模块的电容距离调节装置为紧定螺钉调距的导向配合方式，其工作模式支持静态接触式以及动态准接触式，并且模式切换无需机构调整。
附图说明
图1为微纳双模检测加工模块装置原理图；
图2为静态快速进刀原理图；
图3为静态凹面反馈调节机制原理图；
图4为静态凸面反馈调节机制原理图；
图5为动态凸面反馈调节机制原理图；
图6为动态凹面反馈调节机制原理图；
图7为微纳双模检测加工模块正视图；
图8为微纳双模检测加工模块左视图；
图9为微纳双模检测加工模块俯视图；
图10为微纳双模检测加工模块局部剖视图；
图11为微纳双模检测加工模块部分装配爆炸图；
图中：1-Z向压电位移台、2-支架、3-电容式位移传感器、4-电容固定座、5-调节座、6-锁紧支座、7-上固定环、8-PZT激振器、9-下固定环、10-测试螺钉、11-柔性铰链、12-挡环、13-固定螺母、14-探针、15-固定螺钉、16-第一紧定螺钉、17-第二紧定螺钉、18-第三紧定螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明公开了一种微纳双模检测加工模块，如图1所示，所述模块包括Z向压电位移台1、支架2、电容式位移传感器3、电容固定座4、调节座5、锁紧支座6、上固定环7、PZT激振器8、下固定环9、测试螺钉10、柔性铰链11、挡环12、固定螺母13和探针14，其中：
所述电容式位移传感器3通过第二紧定螺钉17(图11)固定于电容固定座4上，用于检测测试螺钉10的位移变化；
所述电容固定座4通过第一紧定螺钉16(图11)调整间距，通过固定螺钉15(图11)固定在调节座5的上方；
所述上固定环7、PZT激振器8、下固定环9、测试螺钉10、柔性铰链11、挡环12、固定螺母13和探针14依次固定在调节座5的下方；
所述探针14通过固定螺母13和测试螺钉10固定在柔性铰链11上；
所述探针14采用Vickers正四棱锥体金刚石针尖，纳米级的刀尖圆弧半径使得检测加工性能更加优越；
所述调节座5通过第三紧定螺钉18(图11)固定在锁紧支座6上，可以旋转调向；
所述锁紧支座6固定在支架2上，支架2固定在Z向压电位移台1上，再将Z向压电位移台1固定于工作台上，便可构建微纳检测加工机床。
下面结合图2-6详细介绍本发明微纳双模检测加工模块的工作方式。
(a)静态接触式
静态接触式采用的是经典的PID力闭环控制原理，核心设计就是低刚度柔性铰链，通过电容检测位移实现间接表征接触力，以此来替代高分辨率微力传感器。此模式下PZT激振器未工作，在探针逼近位于XY向压电位移台的工件表面时，静态快速进刀原理如图2所示，柔性铰链发生变形，当达到一定程度时，电容式位移传感器检测并输出信号，变形量乘以柔性铰链法向等效刚度便是探针与工件的接触力，当接触力达到阈值之后，进行XY方向扫描，遇到凹面时，反馈调节原理如图3所示，接触力低于阈值，控制Z向压电位移台向下移动直到接触力等于阈值，遇到凸平面时，反馈调节机制如图4所示，此时接触力大于阈值，向上移动Z向压电位移台，直到重新恢复阈值，调整结束后输出Z向压电位移台信号作为工件高度信号，输出XY压电扫描台信号为水平位置信号，以此实现工件空间中三坐标定位。
通过改变柔性铰链恒定变形量来改变阈值，阈值设置低于一定值时，接触力达到μN级，可看作准无损检测模式(相比较于动态检测方案有更明显的表面划痕)，当阈值达到mN级时，可视为加工模式。
(b)动态准接触式
动态准接触式是该模块的核心创新之处，原理借鉴基于PZT的FTS系统，该模式下PZT激振器处于正弦信号激励状态，反馈方式类似于静态模式，不同的是静态模式通过闭环控制实现了柔性铰链的恒变形量，而动态模式则是通过闭环控制实现柔性铰链的恒振动频率及振幅，同样输出Z向压电位移台及XY向压电位移台位置信号作为工件空间坐标。
当探针在空载条件下通过压电陶瓷激振时，电容式位移传感器检测到振动信号(幅值A0、频率f0)，以此作为设定阈值，动态模式适用于形貌检测模式，相比较与静态模式，接触力更小，但是由于锁相环以及PID的使用，反馈速率相比而言较慢，因此扫描速率低，所以该模式下的快速进刀采用(a)所述静态快速进刀方案。扫描过程类似于静态模式，但触发机制有所区别，遇到凸平面时，调节原理参照图5，此时振动信号偏离阈值，向上移动Z向压电位移台，直到重新恢复阈值；遇到凹面时，原理参照图6所示，此时振动信号未偏离阈值，采用“试触”方式，控制Z向压电位移台向下移动直到振动信号改变，通过改变Z向压电位移台上下移动使得振动信号处于临界变化状态，输出最后Z向压电位移台信号作为工件高度信号，输出XY压电扫描台信号为水平位置信号，以此实现工件空间中三坐标定位。动态准接触式反馈方式差异于静态接触式，必须保证每个位置点检测信号先偏离阈值，再通过调节与阈值保持恒定，最终输出高度信号。在使用相同柔性铰链的前提下，动态准接触式的Z向等效刚度低于静态接触式，而且可以通过改变压电陶瓷激振振幅及频率来实现阈值(A0、f0)的变化，从而实现探针与工件最小接触力。该模式一般应用于工件形貌检测。
下面结合图7-11所示的三视图、剖分图以及部分装配体爆炸图来详细展示本发明微纳双模检测加工模块的设计特点。在调节电容式位移传感器3与测试螺钉10间距时，首先卸掉图10中的固定螺钉15，然后调节第一紧定螺钉16，利用图11所示电容固定座4的导向肋与调节座5的导向槽间隙配合来保证电容式位移传感器3始终处于竖直状态，调节完毕后，通过固定螺钉15适度预紧，保持该工作状态。而且电容式位移传感器3连同锁紧支座6作为一个测试模块，通过第三紧定螺钉18可以灵活卸装，换用其他检测模块，例如光学距离传感器，也可以在第三紧定螺钉18非锁紧状态下调整旋向，以达到最佳使用效果。

Claims (3)

1.一种微纳双模检测加工模块，其特征在于所述模块包括Z向压电位移台、支架、电容式位移传感器、电容固定座、调节座、锁紧支座、上固定环、PZT激振器、下固定环、测试螺钉、柔性铰链、挡环、固定螺母和探针，其中：
所述电容式位移传感器固定在电容固定座；
所述电容固定座固定在调节座上方；
所述上固定环、PZT激振器、下固定环、测试螺钉、柔性铰链、挡环、固定螺母和探针依次固定在调节座下方；
所述探针通过固定螺母和测试螺钉固定在柔性铰链上；
所述PZT激振器带动柔性铰链及探针处于谐振或受迫运动状态，使得系统在不改变结构条件下于接触、准接触模式间切换；
所述调节座固定在锁紧支座；
所述锁紧支座固定在支架上；
所述支架固定在Z向压电位移台上。
2.根据权利要求1所述的微纳双模检测加工模块，其特征在于所述探针采用Vickers正四棱锥体金刚石针尖。
3.根据权利要求1所述的微纳双模检测加工模块，其特征在于所述柔性铰链为十字交叉柔性铰链或环形内单臂柔性铰链。
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