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微纳米CMM测量探头标定方法研究及系统测试

作　者: 宫二敏
导　师: 黄强先
学　校: 合肥工业大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 三维接触式探头 微纳米三坐标测量机 探头校正 功能测试
分类号: TH721
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 2次
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内容摘要


三坐标测量机是实现三维方向测量的主要测量仪器。随着现代工业的发展，具有纳米级三维测量精度的三坐标测量机和三维接触式探头，正成为国内外许多高校和研究所的研究热点。简要介绍了国内外纳米三坐标测量机以及三维探头的发展现状。详细介绍了自主开发的大量程高精度三维接触式测量探头的原理和结构，该探头主要由三自由度光学传感器、悬浮机构和探针三部分组成。全面介绍了自主研发的微纳米三坐标测量机的系统组成、结构特点和控制流程。搭建了不同的实验系统，分别对探头的稳定性、量程、重复性和测力等指标进行了测试。实验结果表明：量程为±20μm×±20μm×20μm，重复性标准差小于30nm，探头的刚度小于0.5mN/μm。实现了探头与微纳米三坐标测量机台的整合，对探头进行了标定及探头的误差进行分析。利用一些特殊标准件（包括标准球和环规）或一等量块，从定点重复性、平面度、长度、台阶高度、凸透镜三维轮廓、圆度等方面，测试了微纳米三坐标测量机的测量功能和测量精度。完成了探头测端等效直径的补偿。从测量结果来看：在功能测试方面，xyz三轴定点重复性在20nm左右，xyz主轴方向上的平面度偏差在20nm左右，标准差在15nm以内；其长度偏差在25nm左右，标准差在50nm以内。通过对标准件的平面度等进行了测量，结果符合课题要求，验证了研究的微纳米三坐标测量机和探头具有纳米级的测量精度。

全文目录


致谢  7-8
摘要  8-9
Abstract  9-12
插图清单  12-14
表格清单  14-15
第1章 绪论  15-23
  1.1 概述  15
  1.2 国内外探头的研究进展  15-18
  1.3 微纳米三坐标测量机的国内外研究现状  18-21
  1.4 课题来源、研究内容及意义  21-23
    1.4.1 课题来源  21
    1.4.2 研究意义及内容  21-23
第2章 微纳米三维接触测量式探头  23-29
  2.1 探头的原理  23-26
    2.1.1 基于自准直仪原理的二维角度传感器  23-24
    2.1.2 小型迈克尔逊干涉仪的原理  24-26
    2.1.3 悬浮机构原理  26
  2.2 探头的结构  26-29
    2.2.1 悬浮机构的结构  27
    2.2.2 基于二维角度传感器和迈克尔逊干涉仪原理的独立光路探头  27-29
第3章 微纳米三坐标测量机  29-36
  3.1 微纳米三坐标测量机系统结构  29-32
    3.1.1 坐标测量机的框架结构  29-30
    3.1.2 标尺系统  30-31
    3.1.3 驱动机构  31
    3.1.4 平衡部件  31-32
  3.2 结构特点  32-34
  3.3 控制流程  34
  3.4 隔振恒温系统  34-36
第4章 微纳米三维接触测量式探头的测试及标定  36-49
  4.1 探头稳定性测试  36-38
    4.1.1 探头的工作环境  36
    4.1.2 迈克尔逊干涉仪的稳定性测试  36-37
    4.1.3 激光器和四象限感测器的温度漂移实验  37-38
  4.2 探头量程和重复性测试  38-40
  4.3 探头的测力与各向同性实验  40-44
    4.3.1 测力计的开发与标定  41-42
    4.3.2 实验装置及操作  42-43
    4.3.3 测力结果  43-44
  4.4 三维空间坐标转换模型的建立  44-45
  4.5 标定试验与验证  45-49
    4.5.1 实验装置  45-46
    4.5.2 实验方法及测试数据  46-47
    4.5.3 数据处理及实验结果分析  47-49
第5章 微纳米三坐标测量机的系统测试及误差分析  49-64
  5.1 坐标机的稳定性测试  49-52
    5.1.1 激光干涉仪漂移实验  49-51
    5.1.2 各轴定点重复性测试  51-52
  5.2 量块平面度和台阶高的测试原理与实验  52-55
    5.2.1 量块的平面度测试原理与实验  52-53
    5.2.2 台阶高度测试原理与实验  53-55
  5.3 平凸透镜表面形貌测试  55-57
  5.4 测端等效直径的测量及误差分析  57-62
    5.4.1 测试原理  57-58
    5.4.2 探头内外尺寸的测试实验  58-62
  5.5 标准球的简单测量和分析  62-64
第6章 研究总结与工作展望  64-66
  6.1 研究总结  64
  6.2 工作展望  64-66
参考文献  66-69
攻读硕士学位期间研究成果  69-70

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 坐标器、计算机具、计数器 > 坐标器和自动坐标器
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