三維微納米觸發(fā)式探頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納米測(cè)試領(lǐng)域，更具體地說(shuō)是一種應(yīng)用在納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上的觸發(fā)式三維探頭，用于物體表面的三維高精度測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾十年來(lái)，納米技術(shù)突飛猛進(jìn)，制造業(yè)已經(jīng)進(jìn)入納米加工階段。微小化、精密化是促進(jìn)發(fā)展的核心動(dòng)力。制造業(yè)技術(shù)的提高必然需要精密測(cè)量技術(shù)的配合，如此才可以保證制造業(yè)的高精度。因此，精密測(cè)量設(shè)備在精密制造中擔(dān)任重要的角色，是精密制造必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。然而精密制造又與精密加工是密不可分的，隨著精密加工技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了許多微型構(gòu)件、各種復(fù)雜表面件、微型電子器件、精密光學(xué)元件等零部件。這些微型構(gòu)件的加工精度處于微納米量級(jí)，要對(duì)這些微器件進(jìn)行精密測(cè)量，就要發(fā)展特殊的高精度檢測(cè)方法與技術(shù)手段。
[0003]三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的探頭部分是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的核心部件之一，探頭的測(cè)量精度決定三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的總體測(cè)量精度。探頭有接觸式和非接觸式之分，接觸式探頭可以用來(lái)測(cè)量非接觸式探頭所不能測(cè)量的具有斜面、臺(tái)階、深孔、圓弧等特征的工件。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中的接觸式探頭主要有:原子力探頭、電容式探頭、光纖探頭、DVD探頭、微觸覺(jué)探頭、共焦式探頭等。現(xiàn)有探頭需要集成二至四個(gè)高精度傳感器，存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝調(diào)難度大、成本高的問(wèn)題。比如荷蘭Eindhoven大學(xué)開(kāi)發(fā)的基于應(yīng)變計(jì)的三維微接觸式傳感測(cè)頭，是將應(yīng)變計(jì)、電路以及彈性元件通過(guò)沉淀、制版、刻蝕等工藝后共同制作成整體結(jié)構(gòu)，測(cè)頭各個(gè)方向的力和位移的變化通過(guò)裝在敏感粱上的應(yīng)變計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，其體積較小，但應(yīng)變片的檢測(cè)靈敏度和精度都比較低，并且其測(cè)頭采用三角形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，解耦復(fù)雜。瑞士聯(lián)邦計(jì)量檢定局METAS開(kāi)發(fā)的電磁式微接觸式測(cè)頭，測(cè)頭具有三個(gè)方向的自由度，每個(gè)方向的檢測(cè)都采用電感來(lái)實(shí)現(xiàn)，三個(gè)方向的測(cè)力相同，結(jié)構(gòu)主要由鋁制成，電磁式測(cè)頭的測(cè)量范圍較大，橫向檢測(cè)靈敏度較高且接觸力較小，但其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜、裝調(diào)困難，且采用三角形懸掛結(jié)構(gòu)，解耦復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種三維微納米觸發(fā)式探頭，以期獲得高精度、高靈敏度和小測(cè)力的探測(cè)效果，同時(shí)具有高穩(wěn)定性和調(diào)試方便的優(yōu)勢(shì)。
[0006]本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案:
[0007]本三維微納米觸發(fā)式探頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由測(cè)頭單元和測(cè)量單元構(gòu)成:
[0008]所述測(cè)頭單元是在圓環(huán)座上設(shè)置呈“十”字的簧片，所述簧片的各懸臂的遠(yuǎn)端與圓環(huán)形簧片外圈形成整體，并以所述圓環(huán)形簧片外圈與圓環(huán)座固定連接;在所述簧片的上表面、處在簧片的中心固定設(shè)置呈“十”字的懸浮片，形成懸浮片在圓環(huán)座上的懸浮結(jié)構(gòu);在所述懸浮片的上端面分別固定設(shè)置第一分光反射棱鏡、第二分光反射棱鏡和楔形棱鏡，在所述懸浮片和簧片的中心貫通孔中固定安裝探針，所述探針凸伸于懸浮片的下端面，探針的前端為測(cè)球;所述第一分光反射棱鏡和第二分光反射棱鏡均為非偏振分光反射棱鏡；
[0009]所述測(cè)量單元的光路結(jié)構(gòu)為:激光器呈水平發(fā)射出的準(zhǔn)直光依次經(jīng)過(guò)第一平面反射鏡和第二平面反射鏡的反射后呈水平投射至第一分光反射棱鏡，在所述第一分光反射棱鏡中形成的反射光作為第一光束投射至第三四象限探測(cè)器;在所述第一分光反射棱鏡中形成的透射光投射至第二分光反射棱鏡，在所述第二分光反射棱鏡中形成的透射光作為第二光束投射至第二四象限探測(cè)器;在所述第二分光反射棱鏡中形成的反射光投射至楔形棱鏡，在所述楔形棱鏡中形成透射光作為第三光束投射至第一四象限探測(cè)器，利用所述第三四象限探測(cè)器、第二四象限探測(cè)器和第一四象限探測(cè)器獲得測(cè)球的位移信號(hào)。
[0010]本發(fā)明三維微納米觸發(fā)式探頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于:所述楔形棱鏡粘貼在所述第二分光反射棱鏡的側(cè)部。
[0011]本發(fā)明三維微納米觸發(fā)式探頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于:設(shè)置所述探頭的殼體為圓筒體，在所述圓筒體中以隔板分區(qū)為上腔和下腔；
[0012]所述激光器設(shè)置在上腔中，并利用激光器支架固定在隔板上；
[0013]所述第一平面反射鏡利用第一平面反射鏡支架固定設(shè)置在上腔的側(cè)壁上；
[0014]所述第二平面反射鏡利用第二平面反射鏡支架固定設(shè)置在下腔的側(cè)壁上；
[0015]所述測(cè)頭單元以其圓環(huán)座固定設(shè)置在所述圓筒體的底部端口上；
[0016]第一四象限探測(cè)器、第二四象限探測(cè)器和第三四象限探測(cè)器一一對(duì)應(yīng)地利用第一探測(cè)器支架、第二探測(cè)器支架和第三探測(cè)器支架安裝在下腔的側(cè)壁上。
[0017]本發(fā)明三維微納米觸發(fā)式探頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于:包括第一探測(cè)器支架、第二探測(cè)器支架和第三探測(cè)器支架的各個(gè)探測(cè)器支架的固定結(jié)構(gòu)為:所述探測(cè)器支架是由分處在探測(cè)器支架不同圓周位置上的第一緊定螺釘和第二緊定螺釘鎖定在下腔的側(cè)壁上;并且在所述探測(cè)器支架的一側(cè)與下腔的側(cè)壁之間設(shè)置分處在不同位置上的第一彈簧墊圈和第二彈簧墊圈，分別調(diào)整所述第一彈簧墊圈和第二彈簧墊圈的松緊程度實(shí)現(xiàn)探測(cè)器支架相應(yīng)的空間位置的調(diào)整。
[0018]本發(fā)明三維微納米觸發(fā)式探頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于:在所述探測(cè)器支架上設(shè)置有凸棱，在所述下腔的內(nèi)側(cè)壁上對(duì)應(yīng)位置處設(shè)置有凹槽，以所述凸棱和凹槽的配合實(shí)現(xiàn)探測(cè)器支架在下腔中一個(gè)方向上的限位。
[0019]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
[0020]1、本發(fā)明采用光學(xué)傳感器進(jìn)行感測(cè)，較之應(yīng)變式、壓阻式和電感式傳感器可以獲得更高的靈敏度和精度。
[0021]2、本發(fā)明用三個(gè)光學(xué)傳感器同時(shí)感測(cè)測(cè)球在水平方向和豎直方向上的位移變化，每個(gè)光學(xué)傳感器只負(fù)責(zé)測(cè)量一個(gè)方向的位移變化，且位置都可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有測(cè)量清晰、調(diào)節(jié)靈活等顯著特點(diǎn)。
[0022]3、本發(fā)明采用高精度的光學(xué)傳感器，配合具有高靈敏和高穩(wěn)定性的懸浮結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到納米級(jí)分辨力和精度。
[0023]4、本發(fā)明采用通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧墊圈松緊程度的方法進(jìn)行四象限探測(cè)器空間位置的調(diào)整，方法簡(jiǎn)單適用。
[0024]5、本發(fā)明采用新型的圓形簧片，圓形簧片的外圈與圓環(huán)座相貼合，十字懸浮片各懸臂的臂端固定在圓形簧片中心十字交叉處，形成十字懸浮片在圓環(huán)座中的懸浮結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)受力均勻，靈敏度高，便于感測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0025 ]圖1 a為本發(fā)明中圓筒體剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖1b為本發(fā)明中圓筒體外形示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0028]圖3為本發(fā)明中測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明光路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖5為本發(fā)明中測(cè)頭單元結(jié)構(gòu)分解示意圖；
[0031 ]圖6為本發(fā)明中簧片與懸浮片配合結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖7為本發(fā)明中簧片與探針配合結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖8為本發(fā)明中簧片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖9為本發(fā)明中四象限探測(cè)器與其支架結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖10為本發(fā)明中光學(xué)鏡組結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖11為本發(fā)明中平面反射鏡及其支架結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖12為本發(fā)明中激光器及其支架結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖13為本發(fā)明中Z軸向測(cè)量原理示意圖；
[0039]圖14為本發(fā)明中X軸向測(cè)量原理示意圖；
[0040]圖15為本發(fā)明中Y軸向測(cè)量原理正視示意圖；
[0041 ]圖16為本發(fā)明中Y軸向測(cè)量原理右視示意圖；
[0042]圖中標(biāo)號(hào):Ia圓筒體；Ib上腔；Ic下腔;2頂蓋;3a激光器;3b激光器支架;4a第一平面反射鏡;4b第一平面反射鏡支架;5a第二平面反射鏡；5b第二平面反射鏡支架;6a第一四象限探測(cè)器;6b第一探測(cè)器支架;6c第一彈簧墊圈；6d第二彈簧墊圈；6e第一緊定螺釘;6f第二緊定螺釘;7a第二四象限探測(cè)器;7b第二探測(cè)器支架;8a第三四象限探測(cè)器;Sb第三探測(cè)器支架;9a第一分光反射棱鏡;9b第二分光反射棱鏡;9c楔形棱鏡；1a圓環(huán)座；1b懸浮片；1c簧片；1d測(cè)球；1e探針。
【具體實(shí)施方式】
[0043]本實(shí)施例中三維微納米觸發(fā)式探頭是由測(cè)頭單元和測(cè)量單元構(gòu)成。
[0044]參見(jiàn)圖2、圖3、圖5、圖6和圖7，測(cè)頭單元是在圓環(huán)座1a上設(shè)置呈“十”字的簧片10c，圖8所示的簧片1c的各懸臂的遠(yuǎn)端與圓環(huán)形簧片外圈形成整體，并以圓環(huán)形簧片外圈與圓環(huán)座1a固定連接;在簧片1c的上表面、處在簧片1c的中心固定設(shè)置呈“十”字的懸浮片10b，形成懸浮片1b在圓環(huán)座1a上的懸浮結(jié)構(gòu)；在懸浮片1b的上端面分別固定設(shè)置第一分光反射棱鏡9a、第二分光反射棱鏡9b和楔形棱鏡9c，在懸浮片1b和簧片1c的中心貫通孔中固定安裝探針10e，探針1e凸伸于懸浮片1b的下端面，探針1e的前端為測(cè)球1d;第一分光反射棱鏡9a和第二分光反射棱鏡9b均為非偏振分光反射棱鏡。
[0045]參見(jiàn)圖3和圖4，測(cè)量單元的光路結(jié)構(gòu)為:激光器3a呈水平發(fā)射出的準(zhǔn)直光依次經(jīng)過(guò)第一平面反射鏡4a和第二平面反射鏡5a的反射后呈水平投射至第一分光反射棱鏡9a，在第一分光反射棱鏡9a中形成的反射光作為第一光束投射至第三四象限探測(cè)器8a;在第一分光反射棱鏡9a中形成的透射光投射至第二分光反射棱鏡9b，在第二分光反射棱鏡9b中形成的透射光作為第二光束投射至第二四象限探測(cè)器7a;在第二分光反射棱鏡9b中形成的反射光投射至楔形棱鏡9c，在楔形棱鏡9c中形成透射光作為第三光束投射至第一四象限探測(cè)器6a，利用第三四象限探測(cè)器8a、