基于微力测量的微纳米测头系统设计及优化

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1、基于微力测量的微纳米测头系统设计及优化摘要：针对国内外研制的微纳米测头测量时无法实时测量测力的大小和方向，无法实时修正不同方向和大小的测力、不同长度测杆受力变形等引起的测量误差的缺点，研制了一种基于六维微力测量原理的自修正微纳米测头系统，可以实时测量测力的大小和方向，进而获得测头位移和变形量的大小和方向，计算出由于测球测杆受力变形引起的测量误差，通过误差修正模型进行实时自修正，提高测头的测量精度。为了实现测头级的测量灵敏度，应用ANSYS软件和正交试验方法进行结构优化设计，确定测头的基本几何尺寸和测头弹性体上测量不同方向测力的最佳测量区域，为后续的

2、测头加工提供理论基础。最终的分析结果证明了测头x和y方向的测量灵敏度可以达到25.5με，z方向的测量灵敏度可以达到11.7με。　　关键词：微纳米测头；自修正；有限元；优化设计；测量灵敏度　　：TH721：A　　：1672-1098(2012)02-0013-05　　收稿日期：2012-04-09　　简介：杨洪涛（1972-），男，福建莆田人，教授，博士，研究方向为精密测试技术、现代精度理论及应用。　　OptimalDesignofMicro-nanoProbeSystemBasedonMicro-forceMeasurement　　YA

3、NGHong-tao，CAIChun-mei，ZHANGechanicalEngineering，AnhuiUniversityofScienceandTechnology,HuainanAnhui232001,China)　　Abstract:Thepresentdevelopedmicro-nanoprobecannotmeasureforcemagnitudeanddirectioninrealtimesothatthemeasurementerrorcausedbythedifferentdirectionmeasurementforcea

4、ndthedeformationofdifferentlengthmeasuringrodcannotbecorrectedinrealtime.Inordertosolvethisproblem,aneicro-nanoprobesystemensionalmicro-forcemeasuringprinciple.Itcanmeasuretherealtimemagnitudeanddirectionofthemeasurementforceandthedeformation,calculateoutthemeasurementerrorcau

5、sedbythemeasuringrodstressanddeformation,andcorrectthemeasurementerrorinrealtimebybuildingtheerrorcorrectionmodel.InordertoreachthemNlevelprobemeasurementsensitivity,thestructuraloptimizationdesignethod.Thegeometryofprobeandtheoptimalmeasurementareainelasticbodyined,easurement

6、sensitivitycanreach25.5με/mNinxandydirection,andcanreach11.7με/mNinzdirection.　　Keyent;optimaldesign;measurementsensitivity　　应用于纳米三坐标测量机的微纳米测量探头的研究是国内外许多著名研究机构的研究热点之一。文献［1］研制的SmallCMM和基于电容传感器的3D测头，测量范围20μm，分辨率3nm，探头直径0.5mm或1mm，重量350mg、测量力0.2mN；文献［2］研究的光纤接触式3D测头，是在其同类型商业化

7、二维测头的基础上开发而成，探球尺寸25μm，接触力小于1μN；文献［3］研制了一种基于MEMS工艺的硅微三维测头，测头由硅膜和测杆组成，当测杆的端部受到外力作用的时候，导致硅膜变形，通过硅膜上的压阻变化检测出测头端部的位移和力的大小；文献［4-5］开发了一种基于应变计的三维微接触式传感测头，校准范围30μm，不确定度10nm，分辨率1nm；文献［6］研究的基于激光捕获技术的测头系统，是以一个受到光辐射力而悬浮的电介质小球作为敏感测头来检测微小接触力的测头系统；文献［7］通过改造CD播放器读数头的信号处理单元，得到了一种基于聚焦检测技术的高精度光学探

8、针，测头在10μm的测量范围内，线性误差为1％，标准偏差为34nm。但目前国内外研制的各种测头在测量时，大都无法实时测量测