三維納米接觸式測(cè)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

查小娜，楊洪濤， 費(fèi)業(yè)泰

(1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽　淮南　232001；2.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽　合肥　230009)

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三維納米接觸式測(cè)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

查小娜1，楊洪濤1， 費(fèi)業(yè)泰2

(1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南232001；2.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥230009)

摘要：采用螺旋片簧彈性支承和壓阻元件作為測(cè)量三維測(cè)力敏感元件的新型接觸式三維納米測(cè)頭,進(jìn)行了納米測(cè)頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立了測(cè)頭系統(tǒng)的三維模型。為了提高測(cè)頭的觸測(cè)靈敏度，采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，應(yīng)用ANSYS仿真軟件進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，對(duì)納米測(cè)頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定測(cè)頭的最優(yōu)尺寸、彈性體支承結(jié)構(gòu)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并分析其靜、動(dòng)態(tài)特性。分析結(jié)果表明，所研制的三維納米測(cè)頭橫向測(cè)量靈敏度達(dá)到13.99 με/mN，Z向測(cè)量靈敏度達(dá)到5.90 με/mN。測(cè)頭各階固有頻率最低為1291.6 Hz，不易發(fā)生共振。測(cè)頭響應(yīng)和穩(wěn)定時(shí)間不超過(guò)0.1 ms，具有很好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，可以用于納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量觸發(fā)。

關(guān)鍵詞：納米測(cè)頭；彈性支承；正交試驗(yàn)法；ANSYS仿真分析

隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的快速發(fā)展，各種微型器件相繼問(wèn)世，這就需要提高關(guān)于MEMS器件的高精度檢測(cè)技術(shù)。普通商用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度不夠，其中測(cè)頭是影響測(cè)量機(jī)精度和靈敏度的關(guān)鍵器件，而彈性支承是測(cè)頭系統(tǒng)的核心元件，常見(jiàn)的彈性支承有：螺旋彈簧支承、十字懸絲、120度均勻分布的三叉形靈敏杠桿機(jī)構(gòu)以及十字型結(jié)構(gòu)等。螺旋彈簧支承的重復(fù)性精度低，測(cè)頭從不同方向觸測(cè)工件時(shí)的預(yù)行程不同[1]；十字懸絲受較大的張拉力時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致測(cè)頭性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定性差[2]；120度均勻分布的三叉形靈敏杠桿機(jī)構(gòu)的測(cè)量精度不高[3]；十字型結(jié)構(gòu)測(cè)量大范圍時(shí)的各向同性較差，具有較大的各向異性差別，影響納米級(jí)測(cè)量精度[4]。因此有必要對(duì)彈性支承進(jìn)行研究，本文提出了一種螺旋片簧彈性體支承元件，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到高精度、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。

1測(cè)頭結(jié)構(gòu)及工作原理

新型接觸式三維納米測(cè)頭主要由測(cè)球、測(cè)桿、螺旋片簧彈性體支承組成，測(cè)桿和彈性體支承之間采用粘貼劑粘合，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1　彈性體支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺旋片簧彈性體支承是在片簧圓片上刻劃阿基米德螺旋槽制成(見(jiàn)圖2)。將螺旋片簧彈性支承外端固定在外殼上，內(nèi)端與測(cè)桿測(cè)球連接在一起。當(dāng)測(cè)頭觸測(cè)物體時(shí)，產(chǎn)生的測(cè)力會(huì)通過(guò)測(cè)桿、測(cè)球傳遞到螺旋片簧彈性支承上。當(dāng)片簧彈性支承受測(cè)桿軸向力作用時(shí)，圓片簧各部分均產(chǎn)生軸向位移，但中心部位位移最大，外緣部位位移最小，而且沿著阿基米德方向，由內(nèi)向外的各部分位移是連續(xù)變化的。由于螺旋槽的作用，其中心部分的位移變形能保證垂直于該表面上的圓柱軸線基本上與表面垂直，而且當(dāng)垂直軸線橫向受力時(shí)，其橫向作用力大小與片簧橫向位移量具有沿圓周各向同性。此特性表明螺旋片簧彈性支承是三維納米測(cè)頭理想的彈性支承元件。螺旋片簧彈性支承的材料采用硅錳鋼60 Si2Mn，其強(qiáng)度高，性能好，該三維納米測(cè)頭所產(chǎn)生的應(yīng)力及應(yīng)變都較小，其強(qiáng)度完全符合要求[5-6]?？紤]到該測(cè)頭的安裝條件，螺旋片簧直徑取5 mm。

1.2　測(cè)桿及測(cè)球結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

球形測(cè)頭能夠測(cè)定高度、槽寬、孔徑和輪廓形狀，為通用型測(cè)頭，所研制的三維納米測(cè)頭采用通用型的球形測(cè)頭。三維納米測(cè)頭的測(cè)球直徑較小，測(cè)桿的直徑小于測(cè)球的直徑，測(cè)桿和測(cè)球應(yīng)當(dāng)具有高硬度、耐磨損等性質(zhì)。選取金屬鎢作為測(cè)桿和測(cè)球的材料。其加工工藝采用電火花一體化加工方法。

1.3　測(cè)頭工作原理

三維納米測(cè)頭采用螺旋片簧彈性體支承元件，用濺射加工方式將壓阻元件粘貼在螺旋片簧彈性體支承應(yīng)變敏感區(qū)域，利用所建立的測(cè)頭三維模型，采用有限元軟件進(jìn)行仿真分析，所確定的測(cè)頭X、Y、Z三個(gè)方向測(cè)力應(yīng)變敏感區(qū)域如圖3所示。當(dāng)測(cè)球觸測(cè)被測(cè)物體時(shí)，測(cè)力通過(guò)測(cè)球和測(cè)桿傳遞至彈性體支承，彈性體支承產(chǎn)生相應(yīng)的變形，從而引起應(yīng)變敏感區(qū)域的壓阻元件產(chǎn)生觸測(cè)信號(hào)，完成測(cè)頭的觸發(fā)[7]。

2測(cè)頭系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1　正交試驗(yàn)方案

根據(jù)納米測(cè)頭工作原理可知，影響納米測(cè)頭測(cè)量靈敏度的主要參數(shù)有螺旋片簧彈性體支承中的螺旋圈數(shù)、圓片簧直徑、簧寬、厚度，測(cè)桿直徑和長(zhǎng)度以及測(cè)球直徑等。利用文獻(xiàn)[8]研究成果和納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)測(cè)頭測(cè)桿直徑、長(zhǎng)度和測(cè)球直徑的要求，直接選定測(cè)桿直徑為0.2 mm，測(cè)桿長(zhǎng)度為4.5 mm，測(cè)球直徑為0.3 mm。因此可以進(jìn)行優(yōu)化的參素主要有螺旋圈數(shù)、簧寬和厚度。為了確定這三種影響參素的最佳尺寸組合，利用正交試驗(yàn)法、ANSYS仿真軟件進(jìn)行上述三種參數(shù)優(yōu)化選擇，目的是實(shí)現(xiàn)在1mN的測(cè)力作用下，所設(shè)計(jì)的測(cè)頭三維方向的靈敏度均達(dá)到較高水平。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是安排多因素多水平，尋求最優(yōu)水平組合的一種優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案選擇螺旋圈數(shù)(A)、簧寬(B)和厚度(C)作為三個(gè)因素，并將簧寬和螺旋圈數(shù)之間的交互作用單獨(dú)作為一個(gè)因素。考慮到測(cè)頭的實(shí)際加工情況，本實(shí)驗(yàn)中各因素選擇2個(gè)水平(見(jiàn)表1)，所設(shè)計(jì)的正交實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

表1　正交試驗(yàn)水平

2.2　ANSYS仿真分析

利用ANSYS Workbench模塊分析由表1所示的3因素2水平的不同結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)頭系統(tǒng)應(yīng)變情況。測(cè)頭和測(cè)桿部分材料采用金屬鎢，其彈性模量E=3.447×1011Pa，泊松比μ=0.28，密度ρ=1.93×104kg/m3；螺旋片簧彈性體支承材料采用硅錳鋼60 Si2Mn，其彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3。根據(jù)測(cè)頭工作情況，將彈性體支承外端施加全約束，載荷施加在測(cè)球部分，通過(guò)仿真分析可得到測(cè)頭系統(tǒng)的應(yīng)變?cè)茍D[9]。分別施加沿X軸Y軸Z軸三個(gè)方向，大小為1 mN的測(cè)力，其應(yīng)變情況如圖4所示。

納米測(cè)頭中測(cè)力引起的測(cè)球位移可分為橫向和Z向兩種情況，在XY平面內(nèi)的位移稱(chēng)為橫向，垂直于XY平面的位移為Z向。測(cè)頭在橫向位移中受X向載荷和Y向載荷所產(chǎn)的應(yīng)變情況具有明顯的對(duì)稱(chēng)性，因此正交試驗(yàn)的橫向位移以受X向測(cè)力為例。

1) ANSYS靜態(tài)分析。納米測(cè)頭的測(cè)量靈敏度[10]定義為測(cè)球所受的載荷使螺旋片簧彈性體支承產(chǎn)生的最大微應(yīng)變與載荷的比值。下面將分別分析測(cè)頭橫向和Z向的靈敏度，選用等水平正交表L8(27)，沿X軸方向施加1 mN的測(cè)力，應(yīng)用ANSYS軟件仿真測(cè)頭的應(yīng)變情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表2)進(jìn)行極差法分析，其結(jié)果如表3所示；沿Z軸方向施加1 mN的測(cè)力的分析結(jié)果如表4所示。

表2　橫向靈敏度分析方案及結(jié)果

表3　橫向靈敏度的極差分析及結(jié)果

表4　Z向靈敏度的極差分析及結(jié)果

從上述橫向靈敏度分析可知，各因素對(duì)測(cè)頭靈敏度影響情況是C>B>A>A×B，測(cè)頭最優(yōu)組合是A2B1C1。從上述Z向靈敏度分析可知，各因素對(duì)測(cè)頭靈敏度影響情況是C>B>A×B>A，最優(yōu)組合是A1B1C1。由于螺旋圈數(shù)(A)的兩水平對(duì)橫向靈敏度影響的極差值是0.22，對(duì)Z向靈敏度影響的極差值是0.08，所以螺旋圈數(shù)對(duì)橫向位移的影響作用較Z向位移影響作用明顯，因此螺旋圈數(shù)的水平由橫向靈敏度確定，選定測(cè)頭最優(yōu)組合為A2B1C1，即螺旋圈數(shù)為3圈，簧寬為0.3 mm，厚度為0.2 mm。

2) 模態(tài)分析。為了確定測(cè)頭固有頻率和振型，對(duì)測(cè)頭進(jìn)行模態(tài)分析。將彈性體支承外端施加全約束，測(cè)球不施加任何載荷進(jìn)行求解[11]，采用空間迭代法提取其前六階模態(tài)頻率以及前六階模態(tài)振型(見(jiàn)表5)。測(cè)頭的各階固有頻率最低為1 291.6 Hz，而納米測(cè)量機(jī)的觸測(cè)速度一般較低，因此很難發(fā)生共振現(xiàn)象，滿足使用要求。

表5　測(cè)頭系統(tǒng)固有頻率及振型

3) 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。為了確定三維測(cè)頭在瞬態(tài)測(cè)力作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性[11]，對(duì)所研制的三維測(cè)頭進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。在Analysis Settings命令里設(shè)置總時(shí)間步為5，結(jié)束時(shí)間為5 ms，對(duì)測(cè)球施加沿Y軸方向1 mN的測(cè)力(F)，作用時(shí)間(t)1 ms (見(jiàn)圖5)。測(cè)頭在該測(cè)力作用下的響應(yīng)(H)如圖6所示，測(cè)球在測(cè)力作用下，測(cè)頭系統(tǒng)在0.1 ms時(shí)即可響應(yīng)，響應(yīng)幅值2.3 μm，慣性力所產(chǎn)生的振蕩幅值誤差不超過(guò)1 μm，穩(wěn)定性較好。撤銷(xiāo)測(cè)力后，測(cè)頭在0.09 ms即可恢復(fù)穩(wěn)定。由此可知，所研制的測(cè)頭響應(yīng)時(shí)間短，穩(wěn)定性好，可以實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)觸發(fā)。

3結(jié)語(yǔ)

新型接觸式三維納米測(cè)頭，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了測(cè)頭的彈性體支承結(jié)構(gòu)，應(yīng)用片簧圓片刻劃阿基米德螺旋槽制成。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)測(cè)頭橫向測(cè)量靈敏度達(dá)到13.99 με/mN，Z向測(cè)量靈敏度達(dá)到5.90 με/mN，測(cè)量靈敏度高，但其各向同性有待于進(jìn)一步研究解決；測(cè)頭各階固有頻率最低為1 291.6 Hz，不易發(fā)生共振；測(cè)頭承受和脫離瞬態(tài)測(cè)力時(shí)，其響應(yīng)和穩(wěn)定時(shí)間不超過(guò)0.1 ms，具有很好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，可以用于納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量觸發(fā)。

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅)

Structural Design and Optimization of Three Dimensional Nano-contact Probe

ZHA Xiao-na1，YANG Hong-tao1，F(xiàn)EI Ye-tai2

(1.School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001,China; 2.School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China)

Abstract:A new kind of three dimensional nano-contact probe was introduced in the paper,whose measuring three dimensional strain sensitive element was made of spiral leaf spring elastic and piezoresistive element. The nano-probe structure and its 3D model were designed and established respectively.In order to improve the probe contacting and touching sensitivity, orthogonal experiment method was adopted to design the experiments. The statics and dynamics simulation analysis of the probe was processed by using ANSYS simulation software. The optimization design for the structure of nano probe was done to determine the optimal size of probe and optimal structure of elastic supporting.The static and dynamic characteristics of the developed nano probe were analyzed. The analysis results showed that the measurement sensitivity of the developed probe reaches 13.99 με/mN in transverse direction and 5.90 με/mN in Z direction.The minimum inherent frequency of the probe is 1291.6 Hz and the probe is not easy to resonate. The probe response and stable time are both less than 0.1 ms. The developed probe has good real-time performance and stability, which can be used in the measurement trigger of three coordinate measuring machine.

Key words:nano probe；elatstic support；orthogonal experiment；ANSYS simulation analysis

作者簡(jiǎn)介：查小娜(1991-)，女，安徽池州人，在讀碩士，研究方向：精密測(cè)試技術(shù)。

基金項(xiàng)目：2014安徽理工大學(xué)科研資助項(xiàng)目(ZY1448)

收稿日期：2014-12-17

中圖分類(lèi)號(hào)：TH721

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098(2015)04-0040-05