一种三悬丝约束支撑的可变刚度微纳测头的制作方法

本发明涉及微型工件表面形体特征测量领域，具体涉及一种三悬丝约束支撑的可变刚度微纳测头。

背景技术：

微纳米测量仪器的性能，直接影响微型工件的表面质量，微纳米测头机构是微纳米测量仪器的重要组成部分，其性能直接决定了微纳米测量仪器的精度、灵敏度等各项性能。

当测头在接触脆弱工件表面时，为避免工件在测量时的破坏，要求测头支撑机构具有较低的刚度，而在测头主轴运动过程中，为保证测头系统的稳定性以避免误触发，又要求测头支撑机构具有较高的刚度。

本发明可通过调节压电装置不同的工作状态，改变悬丝的张紧程度，进而改变测头的刚度，可满足因测量过程、测量对象不同而对测头有不同刚度的需求。

目前市场上存在的大多数微纳米测头，多为固定约束测头，一旦安装完成，刚度无法改变，其主要存在以下问题：

1、固定刚度测头无法调节刚度，不易实现刚度的各向同性；

2、低刚度测头在接近和远离工件时产生的惯性力易带来误触发；

3、低刚度测头工艺性较差，加工难度大，精度低；

4、低刚度测头在吸附和吸引过程中会对敏感弹性梁潜在的破坏；

5、高刚度测头在测量时易对被测工件表面造成损坏。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

本发明目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种三悬丝约束支撑的可变刚度微纳测头。

(二)技术方案

一种悬丝约束支撑的可变刚度微纳测头，包括柔顺导向机构、悬丝、螺栓孔、压电驱动装置、动平台、基座、电容上极板、电容下极板、中心体、测杆、测球、电容数字转换装置、pc机；

所述基座通过焊接固定于动平台下表面；所述压电驱动装置通过焊接固定于柔顺导向机构和基座之间；所述柔顺导向机构通过螺栓固定于动平台下表面；所述螺栓孔均匀分布于动平台，用于连接固定测头和测量机；

所述中心悬挂机构包括中心体、测杆、测球和悬丝；所述悬丝一端连接柔顺导向机构，另一端连接中心体；所述中心体下表面使用环氧树脂胶接有阶梯测杆，阶梯测杆下端设置有测球；

所述电容传感器对称分布于动平台两端中心，电容上极板使用环氧树脂胶接于动平台上表面中心，电容下极板胶接于中心体上表面中心。

作为优选技术方案，电容传感器与电容数字转换装置连接，电容数字转换装置与pc机连接。

作为优选技术方案，动平台为殷钢材料；基座为碳化物材料；悬丝为钼丝；中心体为铝合金材料；测杆为碳化物材料；测球为红宝石材料。

作为优选技术方案，阶梯测杆包括锥台段和圆柱段，锥台段顶端对应连接中心体下表面，底端与圆柱段一端连接，测球设置在测杆底端。

(三)有益效果

本发明提供了一种三悬丝约束支撑的变刚度微纳测头，具有以下的优点：

1、本发明采用两个电容极板，大大减少了电容极板的安装空间和制造成本；

2、本发明采用六个压电驱动装置相对于四个压电驱动装置，其能够独立调节每根悬丝的张紧程度，减小了制造和安装误差；

3、本发明采用六个压电驱动装置相对于八个压电驱动装置，其能够合理的分配装配空间，降低干涉的影响；

4、本发明可通过调节压电装置不同的工作状态，改变测头的刚度，可满足因测量过程、测量对象不同而对测头有不同刚度的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施地技术方案，下面将对实施例描述所需要的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的，保护一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的中心体、电容上下极板、测杆、测球组合结构示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-柔顺导向机构，2-悬丝，3-螺栓孔，4-压电驱动装置，5-动平台，6-基座，7-电容上极板，8-电容下极板，9-中心体，10-测杆，11-测球，12-电容数字转换装置，13-pc机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，一种三悬丝约束支撑的变刚度微纳测头，它主要包括：柔顺导向机构1、悬丝2、螺栓孔3、压电驱动装置4、动平台5、基座6、电容上极板7、电容下极板8、中心体9、测杆10、测球11、电容数字转换装置12、pc机13；

六个基座6通过焊接方式均匀固定在动平台5下表面，基座6设置矩形凹槽便于安装压电驱动装置4，三个柔顺导向机构1通过螺栓固定均匀分布于动平台5下表面，柔顺导向机构1设置有圆形凹槽，便于悬丝2的安装定位；

参考图2，阶梯测杆10包括锥台段和圆柱段，锥台段顶端对应连接中心体9下表面，底端与圆柱段一端连接，测球11安装在测杆10底端；中心体9下表面设置有圆形凹槽，测杆10顶端使用环氧树脂胶接于中心体9下表面圆形凹槽内；中心体9圆周处设置有三个成120度角分布的圆孔，便于悬丝2的安装定位；电容上极板7使用环氧树脂胶接于动平台5上表面中心，电容下极板8使用环氧树脂胶接于中心体9上表面中心；电容上极板7通过导线于电容数字转换装置12连接，将电容信息转换为电信号，通过pc机13处理信号，完成测量过程。

本发明三悬丝约束支撑变刚度微纳测头的约束支撑机构包括中心体9、悬丝2、柔顺导向机构1；本发明利用压电驱动装置4的压电效应，使柔顺机构发生形变，从而改变悬丝的张紧程度，进而改变测杆支撑结构的刚度；具体的工作过程为：当测头11接近工件时，压电驱动装置4开始工作，测杆支撑结构的刚度增大，可以降低测头在运动过程中由于惯性力导致的误触发；当测头11与被测工件接触时，压电驱动装置4不工作，测头恢复其初始刚度，因采用悬丝作为测头支撑机构，其初始刚度较小，与工件接触时可避免对被测工件表面的破坏，满足测量需求；当测头11完成测量时，压电驱动装置4工作，测杆支撑结构刚度增大，可以克服测头11和被测工件之间的吸引力，快速离开待测器件表面。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种三悬丝约束支撑的变刚度微纳测头，包括柔顺导向机构、悬丝、螺栓孔、压电驱动装置、动平台、基座、电容上极板、电容下极板、中心体、测杆、测球、电容数字转换装置、PC机。所述测杆胶接于中心体下表面中心；所述电容上极板胶接于动平台上表面中心；所述电容下极板胶接于中心体上表面中心；所述悬丝一端固定于中心体，一端固定于柔顺导向机构；所述基座焊接于动平台；所述压电驱动装置焊接于基座和柔顺导向机构之间；所述柔顺导向机构固定于动平台下表面；本发明可通过调节压电装置不同的工作状态，改变悬丝的张紧程度，进而改变测头的刚度，可满足因测量过程、测量对象不同而对测头有不同刚度的需求。

技术研发人员：程新华;李保坤;刘向阳;吴耀东;张杰
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2019.01.23
技术公布日：2019.05.17