CN203443871U

CN203443871U - 面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***

Info

Publication number: CN203443871U
Application number: CN201320527179.7U
Authority: CN
Inventors: 赵宏伟; 高景; 韩磊; 董晓龙; 鲁帅; 佟达; 邵明坤; 程虹丙
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2023-08-28

Abstract

本实用新型涉及一种面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***，属于光机电一体化的精密科学仪器领域。六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台通过底架固定在环境仓上，Z轴方向的压电陶瓷精密进给单元和Z轴方向的滚珠丝杠粗进给传动机构均与螺母座相连，载荷信号检测单元固定在柔性铰链与金刚石压头夹持单元之间；位移信号检测单元均布于柔性铰链上，压头夹持单元固定在柔性铰链上，Z轴方向进给机构固定于环境仓上。优点在于：保证了材料加工的稳定性与精确性，对材料科学、微电子技术、生物医学和国防军工等领域将起到推动促进作用。

Description

面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***

技术领域

本实用新型涉及光机电一体化的精密科学仪器领域，特别涉及一种面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***，可用于各类试件或材料的微观力学性能检测中的纳米压/划痕加工。

背景技术

随着工业的现代化、规模化、产业化，以及高新技术和国防技术的发展，对各种材料表面性能的要求越来越高。20世纪80年代，现代表面技术被国际科技界誉为最具发展前途的十大技术之一。20世纪80年代末在美国、日本等发达是国家兴起的高新科学技术，由于其巨大的应用前景，因此自问世以来微纳米技术受到了各国政府和学者的普遍重视，是当前科技界的热门研究领域之一，其主要包括纳米压痕(Nanoindentation)、纳米划痕（Nanoscratch)、原子力显微镜(AFM)、微机电***(MEMS)专用测试技术(如微拉伸等)及相关支撑技术等。其中的纳米压痕、划痕试验方法是一种在传统的布氏和维氏硬度试验基础上发展起来的新的力学性能试验方法，它通过连续控制样品上压头加载和卸载过程并记录载荷和位移数据，通过对这些数据进行分析从而得出材料的力学性能指标，该测试方法优点在于可以从载荷—位移曲线中直接测出材料的力学性能而不需要测量压痕的面积，故即便深度在纳米范围，只要载荷和深度位移的测量精度足够高也可以得到材料的力学性能。

六自由度运动平台是由六支作动筒，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六支作动筒的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。可广泛应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域，甚至可用到空间宇宙飞船的对接，空中加油机的加油对接中。在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。由于六自由度运动平台的研制，涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等等一系列高科技领域，因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。六自由度运动平台是传动及控制技术领域的皇冠级产品，掌握了它，在传动和控制领域基本上就没有了难题。

目前，以美国、英国、瑞士等发达国家纳米压痕、划痕技术日益成熟，并实现了于纳米压痕/划痕测试、加工装置的商业化，而我国对此领域缺少核心技术仅处于起步阶段，而且对于超精密纳米压痕、划痕加工装置的开发研究少之又少，阻碍了我国在相关领域内的发展。因此，有必要研究与开发面向超精密自由面纳米压痕划痕加工***，这能为我国在材料微观力学检测、加工与研究领域赶超发达国家提供坚实保障。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***，解决了现有技术存在的上述问题。其是一种集驱动、加载、检测、六自由度自适应式方位调节、超精密压痕、划痕的超精密跨尺度纳米压痕划痕加工***。本实用新型不仅能够实现对平面工件的压痕与划痕的精密加工，更能够实现曲面工件的压痕与划痕的精密加工与检测，而现实中对曲面材料的压痕、划痕加工需求不占少数，例如生物医学中的骨质压/划痕、超精密曲面加工等，这些都对纳米压痕与划痕加工过程中的精度提出更高的要求，而本实用新型能够实现对工件位置的精确定位，保证测试精度，这对新材料新工艺、精密光学、微电子技术和半导体技术、汽车飞机关键零部件制造、钢铁冶金、生物医学工程、微机电***(MEMS)技术、纳米工程和国防军工等高技术产业集群的发展具有极为重要的支撑推动作用和广阔的产业应用价值。本实用新型主要由六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台、Z轴方向的滚珠丝杠粗进给传动机构和Z轴方向的压电陶瓷精密进给单元、载荷信号和位移信号的检测单元、压头夹持单元、环境仓组成。六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台能够保证工件的精确位置，Z轴方向的粗进给传动机构能够快速调整金刚石压头和工件间的位置，压电陶瓷精密进给单元保证金刚石压头向材料内部压入，环境仓保证特殊材料在压入过程中对物理场的要求。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***，包括六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台、Z轴方向的滚珠丝杠粗进给传动机构、Z轴方向的压电陶瓷精密进给单元、载荷信号检测单元、位移信号的检测单元、压头夹持单元及环境仓，所述六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台固定在环境仓6上，Z轴方向的压电陶瓷精密进给单元和Z轴方向的滚珠丝杠粗进给传动机构均与螺母座22相连，载荷信号检测单元8固定在柔性铰链20与金刚石压头夹持单元之间；位移信号检测单元27均布于柔性铰链20上，压头夹持单元固定在柔性铰链20上。

所述的六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台由底板13、压电控制缸14、载物平台16组成，所述底板13与固定块11相连，三个固定块11均布于底板13上，所述压电控制缸14与固定块11和连接块15相连，三个连接块15均布于载物平台16上，并与固定块形成互补角度，即三个连接块和三个固定块构成的俯视图为正六边形，所述的载物平台与连接块相连，所述的六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台整体通过底板13利用紧固螺钉Ⅰ12固定于环境仓6上。

所述的Z轴方向的滚珠丝杠粗进给传动机构由安川交流伺服电机1、光杠3、滚珠丝杠25组成，所述安川交流伺服电机1输出轴与联轴器26相连，电机提供Z轴方向的粗进给，电机具有自锁并自带编码器，能够实现对转速的检测，形成半闭环控制，安川交流伺服电机1整体通过紧固螺钉Ⅴ30固定于环境仓6上，所述光杠3通过光杠螺母2固定于环境仓6上，并与柔性铰链20相连，弹簧5套于光杠3，起到预紧作用，所述的滚珠丝杠25与联轴器26通过联轴器销4相连，同时滚珠丝杠25与丝杠螺母23相连，将旋转运动转化成直线运动，传输电机的位移，丝杠螺母23通过紧固螺钉Ⅲ24固定于螺母座22 。

所述的Z轴方向的压电陶瓷精密进给单元主要由柔性铰链20、压电陶瓷19组成，所述压电陶瓷19安装于柔性铰链20中，并由挡块28通过紧固螺钉Ⅳ29固定，四个柔性铰链20与螺母座22通过紧固螺钉Ⅱ21相连并固定，能够实现保证Z轴单一方向位移。

所述的载荷信号检测单元由高分辨率的力传感器8组成，能够实现检测压痕和划痕过程中的压头受力情况，所述力传感器8固定在柔性铰链20与金刚石压头夹持单元之间。

所述的位移信号检测单元由十六张应变片27所组成，所述十六张应变片均布于柔性铰链20上。

所述的压头夹持单元由压头10、激光对焦仪17、夹持体9组成，所述压头夹持单元整体与力传感器8通过连接杆18相连，所述夹持体9能够实现对压头10的固定与更换，采用配重方式将激光对焦仪17固定于夹持体上，保证压头不因激光对焦仪而偏移，激光对焦仪17能够实现保证压头垂直压入工件，通过检测对六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台进行位置调整，形成闭环控制。

所述的环境仓6能够实现隔离外部环境，通过底部气孔能够将内部环境抽成真空，舱盖7自带开关，便于取送工件，可将测试装置深入环境仓6内，观测工件在压痕、划痕过程中发生的力学行为和损伤状况，从而有力保证对自由面压痕划痕的加工质量。

本实用新型的有益效果在于：为平面材料、曲面材料提供更为精准的压痕与划痕的加工方法，本实用新型提出的加工技术与方法其加载位移分辨率达到纳米级、加载力分辨率达到微牛级。通过可调整式舱盖可将观测高分辨率数字显微成像***深入到环境仓内，观测工件在压痕划痕过程中变形损伤状况。通过对加工过程中的位移、作用力精确控制，对加工试件表面缺陷、损伤等能够达到实时观测，保证了材料加工的稳定性与精确性。本实用新型专利对材料科学、微电子技术、生物医学和国防军工等领域将起到推动促进作用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的主视半剖视示意图；

图2为本实用新型的环境仓剖去四分之一时的等轴测图；

图3为本实用新型的六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台轴测图；

图4为本实用新型的压电陶瓷精密进给单元轴测图；

图5为本实用新型的夹持单元轴测图。

图中： 1. 安川交流伺服电机；2. 光杠螺母；3. 光杠；4. 联轴器销；5. 弹簧；6. 环境仓；7，舱盖；8.力传感器；9. 压头夹持器；10. 金刚石压头；11. 固定块；12. 紧固螺钉Ⅰ；13. 底板；14. 压电控制缸；15. 连接块；16. 载物台；17. 激光对焦仪；18. 连接杆；19.压电陶瓷；20. 柔性铰链；21. 紧固螺钉Ⅱ；22. 螺母座；23. 丝杠螺母；24.紧固螺钉Ⅲ；25. 滚珠丝杠；26. 联轴器；27.应变片；28.挡块；29. 紧固螺钉Ⅳ；30.紧固螺钉Ⅴ。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图5所示，本实用新型的面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***，包括六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台、Z轴方向的滚珠丝杠粗进给传动机构、Z轴方向的压电陶瓷精密进给单元、载荷信号检测单元、位移信号的检测单元、压头夹持单元及环境仓，所述六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台固定在环境仓6上，Z轴方向的压电陶瓷精密进给单元和Z轴方向的滚珠丝杠粗进给传动机构均与螺母座22相连，载荷信号检测单元8固定在柔性铰链20与金刚石压头夹持单元之间；位移信号检测单元27均布于柔性铰链20上，压头夹持单元固定在柔性铰链20上。

所述的六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台由底板13、压电控制缸14、载物平台16组成，所述底板13与固定块11相连，三个固定块11均布于底板13上，所述压电控制缸14与固定块11和连接块15相连，三个连接块15均布于载物平台16上，并与固定块形成互补角度，即三个连接块和三个固定块构成的俯视图为正六边形，所述的载物平台与连接块相连，所述的六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台整体通过底板固定于环境仓6上并由紧固螺钉Ⅰ进行固定。

所述的Z轴方向的滚珠丝杠粗进给传动机构由安川交流伺服电机1、光杠3、滚珠丝杠25组成，所述安川交流伺服电机1与联轴器26相连，电机提供Z轴方向的粗进给，电机具有自锁并自带编码器，能够实现对转速的检测，形成半闭环控制，安川交流伺服电机1整体通过紧固螺钉Ⅴ30固定于环境仓6上，所述光杠3通过光杠螺母2固定于环境仓6上，并与柔性铰链20相连，弹簧5套于光杠3，起到预紧作用，所述的滚珠丝杠25与联轴器26通过联轴器销4相连，同时滚珠丝杠25与丝杠螺母23相连,传输电机的位移，丝杠螺母23通过紧固螺钉Ⅲ24固定于螺母座22 ,传输电机的位移。

所述的Z轴方向的压电陶瓷精密进给单元由柔性铰链20、压电陶瓷19组成，所述压电陶瓷19安装于柔性铰链20中，并由挡块28通过紧固螺钉Ⅳ29固定，四个柔性铰链20与螺母座22通过紧固螺钉Ⅱ21相连并固定，能够实现保证Z轴单一方向位移。

所述的位移信号检测单元由十六张应变片27所组成，所述十六张应变片均布于柔性铰链20上，能够实现精确测定在压电陶瓷19微进给过程中的位移。

本实用新型的面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***，具有Z轴方向精密进给单元、粗进给传动机构，所述的粗进给机构动力由安川交流伺服电机1提供，能够实现自锁，并自带编码器，能够实现对电机转速的半闭环控制。安川交流伺服电机1与联轴器26相连，通过滚珠丝杠25实现Z轴方向的粗进给。粗进给传动机构与压电陶瓷精进给单元通过螺母座22相连，螺母座的Z轴方向运动由四根光杠3，并且通过弹簧5进行预紧。所述的压电陶瓷精密进给单元19镶嵌到四个柔性铰链20中，并由挡块28进行固定，均布的四个柔性铰链保证Z轴方向的精进给，同时在四个柔性铰链上贴有十六张应变片27，对压头压入过程的位移进行精密测量。所述的载荷信号由力传感器8提供，力传感器8与柔性铰链20和压头夹持器9相连，通过力传感器8能够实现对压头压入过程的受力情况进行精确测量。所述的压头夹持器9可更换不同种类的压头，直接与力传感器8相连。所述的六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台，能够实现对工件位置的精确定位，载物台16与固定在夹持单元上的激光对焦仪17形成闭环控制，通过激光对焦仪17能够将压头与工件表面的角度精密测量，为保证压头能够实现沿自由面的法线压入提供保障，同时也能满足不同实验需求。除安川交流伺服电机1与光杠螺母2外，***整体布置于环境仓6内，所述的六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台通过底板13固定于环境仓，所述的Z轴方向的滚珠丝杠粗进给传动机构和Z轴方向的压电陶瓷精密进给单元、载荷信号和位移信号的检测单元、压头夹持单元固定于环境仓6上端，在实验过程中可以根据需求可将观测高分辨率数字显微成像***深入到环境仓6内，观测工件在压痕划痕过程中变形损伤状况，如有特殊材料需要对工件环境进行控制可调节舱盖7，使环境仓6整体封闭，通过底部的圆孔对整个实验环境进行调控。

在纳米压痕测试中,由于金刚石压头与试件间的接触力通常为毫牛级甚至更低，机械***各环节变形量十分微小，压头压入试件的深度可通过十六张应变片27测得；而压痕过程中金刚石压头10施加给试件表面的接触载荷可通过微型力传感器8拾取，通过对加工过程中的位移、作用力精确控制，对加工试件表面缺陷、损伤等能够达到实时观测，保证了材料加工的稳定性与精确性。

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***，其特征在于：包括六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台、Z轴方向的滚珠丝杠粗进给传动机构、Z轴方向的压电陶瓷精密进给单元、载荷信号检测单元、位移信号的检测单元、压头夹持单元及环境仓，所述六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台固定在环境仓（6）上，Z轴方向的压电陶瓷精密进给单元和Z轴方向的滚珠丝杠粗进给传动机构均与螺母座（22）相连，载荷信号检测单元（8）固定在柔性铰链（20）与金刚石压头夹持单元之间；位移信号检测单元（27）均布于柔性铰链（20）上，压头夹持单元固定在柔性铰链（20）上。

2.根据权利要求1所述的面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***，其特征在于：所述的六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台由底板（13）、压电控制缸（14）、载物平台（16）组成，所述底板（13）与固定块（11）相连，三个固定块（11）均布于底板（13）上，所述压电控制缸（14）与固定块（11）和连接块（15）相连，三个连接块（15）均布于载物平台（16）上，并与固定块形成互补角度，即三个连接块和三个固定块构成的俯视图为正六边形，所述的载物平台与连接块相连，所述的六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台整体通过底板固定于环境仓（6）上。

3.根据权利要求1所述的面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***，其特征在于：所述的Z轴方向的滚珠丝杠粗进给传动机构由安川交流伺服电机（1）、光杠（3）、滚珠丝杠（25）组成，所述安川交流伺服电机（1）与联轴器（26）相连，电机提供Z轴方向的粗进给，电机具有自锁并自带编码器，能够实现对转速的检测，形成半闭环控制，所述光杠（3）通过光杠螺母（2）固定于环境仓（6）上，并与柔性铰链（20）相连，弹簧（5）套于光杠（3），起到预紧作用，所述的滚珠丝杠（25）与联轴器（26）相连，传输电机的位移。

4.根据权利要求1所述的面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***，其特征在于：所述的Z轴方向的压电陶瓷精密进给单元由柔性铰链（20）、压电陶瓷（19）组成，所述压电陶瓷（19）安装于柔性铰链（20）中，并由挡块（28）固定，四个柔性铰链（20）与螺母座（22）相连，能够实现保证Z轴单一方向位移。

5.根据权利要求1所述的面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***，其特征在于：所述的载荷信号检测单元由高分辨率的力传感器（8）组成，能够实现检测压痕和划痕过程中的压头受力情况，所述力传感器（8）固定在柔性铰链（20）与压头夹持单元之间。

6.根据权利要求1所述的面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***，其特征在于：所述的位移信号检测单元由十六张应变片（27）所组成，所述十六张应变片均布于柔性铰链（20）上。

7.根据权利要求1或5所述的面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***，其特征在于：所述的压头夹持单元由压头（10）、激光对焦仪（17）、夹持体（9）组成，所述压头夹持单元整体与力传感器（8）相连，所述夹持体（9）能够实现对压头（10）的固定与更换，采用配重方式将激光对焦仪（17）固定于夹持体上，保证压头不因激光对焦仪而偏移，激光对焦仪（17）能够实现保证压头垂直压入工件，通过检测对六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台进行位置调整，形成闭环控制。

8.根据权利要求1所述的面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工***，其特征在于：所述的环境仓（6）能够实现隔离外部环境，通过底部气孔能够将内部环境抽成真空，舱盖（7）自带开关，便于取送工件，可将测试装置深入环境仓（6）内，观测工件在压痕、划痕过程中发生的力学行为和损伤状况，从而有力保证对自由面压痕划痕的加工质量。