基于坐标测量的石英音叉测头误差分析及标定

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1、硕士学位论文基于坐标测量的石英音叉测头误差分析及标定THEERRORANALYSISANDSTANDARDIZATIONOFTHEQUARTZTUNINGFORKPROBEBASEDONCMM曾婷哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TH711学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文基于坐标测量的石英音叉测头误差分析及标定硕士研究生：曾婷导师：孙涛教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH711U.D.C:6

2、21DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHEERRORANALYSISANDSTANDARDIZATIONOFTHEQUARTZTUNINGFORKPROBEBASEDONCMMCandidate：ZengTingSupervisor：Prof.SunTaoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringD

3、ateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要微纳制造业的迅猛发展，也带动着测量技术的不断提高。原子力显微镜和三坐标测量机等也以其各有的优势在不同测量领域得到广泛的应用。原子力显微镜能以纳米级精度测得微纳器件的面型特征，但其测量范围有限；而传统的三坐标测量机虽然可以完成大范围的面型测量，但由于测头的限制导致其测量精度无法达到纳米级。为了解决半球陀螺球碗尺寸与球面精度的大范围高精度测量问题，本文提出了基

4、于三坐标测量机的新型谐振测头的研究。这种谐振测头是一种新型的石英音叉式测头，其特点就是能进行自感应自激励，无需外设的传感器和光学测量仪器，测头结构紧凑小巧。将其与微纳三坐标测量机相结合，并对测头进行性能标定和误差分析后，就能保证大范围高精度的测量结果。因此为了在微纳坐标测量机上更好的应用这种测头系统，确立并减小误差因素，本论文主要做了如下工作。首先根据这种石英音叉测头的外形结构及受力特点建立力学模型，从力学原理上了解测头的振动特性并确定测头的工作模式；然后建立音叉测头的电学模型，通过分析传递函数得出测头的幅频特性曲线，并基于测头的电路控制原理，

5、分析电路中存在的噪音影响，并尽量予以消除。其次对测头的控制电路参数进行调节，消除测头内部噪声对测头性能的影响，使测头达到优化的状态。然后对测头的各项特性进行参数标定，明确测头机械振幅与控制电路输出电压之间的关系，进行测头自身工作性能的测试以及测头进退针实验和灵敏度的标定。经过标定后的测头可以通过测量标准台阶，对其整体测量精度指标进行标定。最后对测头测量过程中存在的误差影响因素进行定性和定量分析，分别从测头自身的机械结构特性、测头的控制电路以及环境因素等几个方面分析误差来源，然后通过实验验证这些影响因素对测头测量造成的误差大小，并对所有误差进行综

6、合评定，保证测头误差大小在0.1µm之内。其中机械结构特性主要是测头振动的对称性，控制电路部分则主要是电路内部噪声，环境因素则包含了电磁干扰、温度、气流以及外界振动等的影响。关键词：三坐标测量机；石英音叉测头；谐振频率；误差分析；测头标定-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractTherapiddevelopmentofmicro-nanomanufacturingalsocontributestothecontinuousimprovementofmeasurementtechniques.Atomicforcemicroscopy

7、andcoordinatemeasuringmachineshavebeenwidelyusedindifferentfieldsofmeasurementthroughitsownadvantages.AFMcanmeasurethesurfacetypefeatureofmicroandnanodeviceswithnano-scaleprecision,butthemeasurementrangeislimit;andtraditionalCMMsalthoughcancompleteawiderangeofsurface-typemea

8、surement,itsmeasurementaccuracycannotreachthenano-scaleprecisionduetolimita