一种大量程高精度微接触力位移测量装置及其控制方法制造方法及图纸

一种大量程高精度微接触力位移测量装置及其控制方法，涉及一种高精度位移检测装置及控制方法。音圈电机的动子与气浮导轨移动部件一端连接，音圈电机的定子与气浮导轨基座连接，气浮导轨基座右上端设有中空腔，气浮导轨移动部件滑动设置在气浮导轨基座的中空腔内，光栅尺与气浮导轨移动部件连接，读数头与气浮导轨基座连接；压电陶瓷执行器首端与气浮导轨移动部件另一端连接，压电陶瓷执行器末端与微力传感探针连接，辅助监控显微镜与压电陶瓷执行器的固定基座连接。本发明专利技术用于大量程高精度微接触力位移测量，可对毫米尺度精密零件及装配体的尺寸及形状精度等几何量进行纳米精度的无损测量。

【技术实现步骤摘要】
一种大量程高精度微接触力位移测量装置及其控制方法
本专利技术涉及一种高精度位移检测装置及控制方法，可实现毫米级量程、纳米级测量分辨率及微接触力的位移测量，适用于毫米尺度零件及装配体的尺寸及形状精度的测量。
技术介绍
目前，有许多毫米尺度的重要精密零件及装配体需要进行尺寸和形状精度等几何参数的高精度测量，如精密微球、微圆柱、ICF靶装配体（惯性约束聚变靶装配体）等，这些零部件通常尺寸介于几毫米至十余毫米之间，但尺寸及形状测量要求在纳米级精度，且测量过程要求非接触或微接触力，以减少测量误差及防止损坏。然而现有的位移测量传感器很难实现同时兼顾大量程、高位移分辨率及微接触力的测量，这是由于在许多场合使用绝对式位移检测元件，大量程与高位置分辨率互为矛盾，且由于导向精度等影响，大的测量量程将影响获得高的位置检测精度，因此此类测量传感器需要从实现方法及结构方式上进行考虑。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种大量程高精度微接触力位移测量装置及其控制方法，该装置及方法可对毫米尺度精密零件及装配体的尺寸及形状精度等几何量进行纳米精度的无损测量。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种大量程高精度微接触力位移测量装置，其组成包括音圈电机，所述的音圈电机包括动子和定子，所述的大量程高精度微接触力位移测量装置还包括光栅尺、气浮导轨移动部件、气浮导轨基座、压电陶瓷执行器、辅助监控显微镜、微力传感探针及读数头；音圈电机的动子与气浮导轨移动部件一端连接，音圈电机的定子与气浮导轨基座连接，所述的气浮导轨基座右上端设有中空腔，所述的气浮导轨移动部件滑动设置在气浮导轨基座的中空腔内，所述的光栅尺与气浮导轨移动部件连接，所述的读数头与气浮导轨基座连接；所述的压电陶瓷执行器首端与气浮导轨移动部件另一端连接，压电陶瓷执行器末端与微力传感探针连接，所述的辅助监控显微镜与压电陶瓷执行器的固定基座连接。本专利技术相对于现有技术的有益效果是：本专利技术以气浮导轨移动部件作为精密导向部件，高精度光栅尺为位置反馈元件，并结合微力传感器及压电陶瓷执行器或音圈电机进行微恒力控制实现大量程高精度微力传感的位移测量。本专利技术可实现数十毫米范围测量量程中纳米级的位移分辨率和毫牛级的测量力，能够配合附加运动平台实现对微球、微圆柱、ICF靶装配参数的尺寸和形状精度等几何量的测量，此外，该专利技术具备操作简单、控制稳定、集成度较高等特点。附图说明图1是本专利技术的大量程高精度微接触力位移测量装置的主视图；图2是图1的俯视图；图3是图1的左视图；图4是微力传感探针的其中一种结构的主视图；图5是微力传感探针的另一种结构的主视图；图6是本专利技术的大量程高精度微接触力位移测量装置的控制部分原理图；图7是本专利技术的大量程高精度微接触力位移测量装置的控制模式一的原理图；图8是本专利技术的大量程高精度微接触力位移测量装置的控制模式二的原理图。图中各部件符号说明如下：音圈电机1、光栅尺2、气浮导轨移动部件3、气浮导轨基座4、压电陶瓷执行器5、辅助监控显微镜6、微力传感探针7、微力传感器7-1、微探针7-2、自感应型微力探针7-3、读数头8、UMAC控制器9、模拟电压数据采集模块9-1、轴运动控制卡9-2、压电陶瓷驱动器10、信号放大器11、控制计算机12、被测样品13、组分盒14、电机驱动器15。具体实施方式为了更好的理解本专利技术专利的方案，结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。具体实施方式一：如图1-图3所示，本实施方式披露了一种大量程高精度微接触力位移测量装置，其组成包括音圈电机1，所述的音圈电机1包括动子和定子，所述的大量程高精度微接触力位移测量装置还包括光栅尺2、气浮导轨移动部件3、气浮导轨基座4、压电陶瓷执行器5、辅助监控显微镜6、微力传感探针7及读数头8；音圈电机1的动子与气浮导轨移动部件3一端连接，音圈电机1的定子与气浮导轨基座4连接，所述的气浮导轨基座4右上端设有中空腔，所述的气浮导轨移动部件3滑动设置在气浮导轨基座4的中空腔内（运动范围可实现数十毫米级），所述的光栅尺2与气浮导轨移动部件3连接，所述的读数头8与气浮导轨基座4连接（读数头8将读取的信号经细分后可实现1nm的位置分辨率，用于记录气浮导轨移动部件3的位移数据）；所述的压电陶瓷执行器5首端与气浮导轨移动部件3另一端连接（可进行几十微米范围的微小位移量的调节），压电陶瓷执行器5末端与微力传感探针7连接，所述的辅助监控显微镜6与压电陶瓷执行器5的固定基座连接（可辅助放大观察微力传感探针7与被测样品13接触时的状态）。具体实施方式二：如图1、图4、图5所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述的微力传感探针7由微力传感器7-1（如Kisler公司9207微力传感器）及微探针7-2组成，所述的微力传感器7-1一端与压电陶瓷执行器5末端连接，微力传感器7-1另一端与微探针7-2尾端连接（可实现毫牛量级的测量接触力）；或者所述的微力传感探针7为自感应型微力探针7-3（如Nanosensors公司Akiyama-Probe自感应探针）可实现纳牛量级的测量接触力检测。具体实施方式三：如图6所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述的大量程高精度微接触力位移测量装置还包括UMAC控制器9（UMAC全称UniversalMotionandAutomationController）；所述的UMAC控制器9包括模拟电压数据采集模块9-1和轴运动控制卡9-2，所述的轴运动控制卡9-2的控制信号输出端通过电机驱动器15与音圈电机1控制信号接收端相连接，所述的读数头8的检测信号输出端通过组分盒14与轴运动控制卡9-2的检测信号接收端相连接，所述的轴运动控制卡9-2的模拟信号输出端通过压电陶瓷驱动器10与压电陶瓷执行器5的压电陶瓷的模拟信号接收端相连接，当被测样品13与微力传感探针7的微探针7-2或者自感应型微力探针7-3接触时，所述的微力传感器7-1或自感应型微力探针7-3感知测量力信号，此力信号以±10V模拟电压的形式并通过信号放大器11连接到模拟电压数据采集模块9-1上，所述的轴运动控制卡9-2设有两个通道，一个通道是有音圈电机1为执行部件，光栅尺2位移信号作为位置反馈（经细分盒细分为A\B\Z脉冲信号）可组成位置闭环控制轴，另一个通道通过模拟电压（16位DA输出0~10V电压）输出到压电陶瓷执行器5上，压电陶瓷执行器5的模拟电压输出端与轴运动控制卡9-2的模拟信号接收端相连接；所述的辅助监控显微镜6将视频信号输出端发送至控制计算机12的USB端口，所述的控制计算机12通过网线LAN与UMAC控制器9双向连接（实现总体控制及测量结果显示。辅助监控显微镜6用于观察微探针7-2或者自感应型微力探针7-3与被测样品13的接触状态，通过USB数据线与控制计算机12相连，用于图像数据传输）。当微力传感探针7与被测样品13的被测表面接触时，UMAC控制器9可获取和记录微力传感探针7的微力数据，UMAC控制器9配合压电陶瓷执行器5或音圈电机1的位移运动实现恒力的控制。UMAC控制器9将光栅尺2大范围位移数据及压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大量程高精度微接触力位移测量装置，其组成包括音圈电机（1），所述的音圈电机（1）包括动子和定子，其特征在于：所述的大量程高精度微接触力位移测量装置还包括光栅尺（2）、气浮导轨移动部件（3）、气浮导轨基座（4）、压电陶瓷执行器（5）、辅助监控显微镜（6）、微力传感探针（7）及读数头（8）；音圈电机（1）的动子与气浮导轨移动部件（3）一端连接，音圈电机（1）的定子与气浮导轨基座（4）连接，所述的气浮导轨基座（4）右上端设有中空腔，所述的气浮导轨移动部件（3）滑动设置在气浮导轨基座（4）的中空腔内，所述的光栅尺（2）与气浮导轨移动部件（3）连接，所述的读数头（8）与气浮导轨基座（4）连接；所述的压电陶瓷执行器（5）首端与气浮导轨移动部件（3）另一端连接，压电陶瓷执行器（5）末端与微力传感探针（7）连接，所述的辅助监控显微镜（6）与压电陶瓷执行器（5）的固定基座连接。

【技术特征摘要】
1.一种大量程高精度微接触力位移测量装置，其组成包括音圈电机（1），所述的音圈电机（1）包括动子和定子，其特征在于：所述的大量程高精度微接触力位移测量装置还包括光栅尺（2）、气浮导轨移动部件（3）、气浮导轨基座（4）、压电陶瓷执行器（5）、辅助监控显微镜（6）、微力传感探针（7）及读数头（8）；音圈电机（1）的动子与气浮导轨移动部件（3）一端连接，音圈电机（1）的定子与气浮导轨基座（4）连接，所述的气浮导轨基座（4）右上端设有中空腔，所述的气浮导轨移动部件（3）滑动设置在气浮导轨基座（4）的中空腔内，所述的光栅尺（2）与气浮导轨移动部件（3）连接，所述的读数头（8）与气浮导轨基座（4）连接；所述的压电陶瓷执行器（5）首端与气浮导轨移动部件（3）另一端连接，压电陶瓷执行器（5）末端与微力传感探针（7）连接，所述的辅助监控显微镜（6）与压电陶瓷执行器（5）的固定基座连接。2.根据权利要求1所述的一种大量程高精度微接触力位移测量装置，其特征在于：所述的微力传感探针（7）由微力传感器（7-1）及微探针（7-2）组成，所述的微力传感器（7-1）一端与压电陶瓷执行器（5）末端连接，微力传感器（7-1）另一端与微探针（7-2）尾端连接；或者所述的微力传感探针（7）为自感应型微力探针（7-3）。3.根据权利要求2所述的一种大量程高精度微接触力位移测量装置，其特征在于：所述的大量程高精度微接触力位移测量装置还包括UMAC控制器（9）；所述的UMAC控制器（9）包括模拟电压数据采集模块（9-1）和轴运动控制卡（9-2），所述的轴运动控制卡（9-2）的控制信号输出端通过电机驱动器（15）与音圈电机（1）控制信号接收端相连接，所述的读数头（8）的检测信号输出端通过组分盒（14）与轴运动控制卡（9-2）的检测信号接收端相连接，所述的轴运动控制卡（9-2）的模拟信号输出端通过压电陶瓷驱动器（10）与压电陶瓷执行器（5）的压电陶瓷的模拟信号接收端相连接，当被测样品（13）与微力传感探针（7）的微探针（7-2）或者自感应型微力探针（7-3）接触时，所述的微力传感器（7-1）或自感应型微力探针（7-3）感知测量力信号，此力信号以±10V模拟电压的形...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵学森，闫永达，王宗伟，李增强，耿延泉，胡振江，孙涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23