面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)，屬于光機(jī)電一體化的精密科學(xué)儀器領(lǐng)域。六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)通過底架固定在環(huán)境倉上，Z軸方向的壓電陶瓷精密進(jìn)給單元和Z軸方向的滾珠絲杠粗進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均與螺母座相連，載荷信號(hào)檢測(cè)單元固定在柔性鉸鏈與金剛石壓頭夾持單元之間；位移信號(hào)檢測(cè)單元均布于柔性鉸鏈上，壓頭夾持單元固定在柔性鉸鏈上，Z軸方向進(jìn)給機(jī)構(gòu)固定于環(huán)境倉上。優(yōu)點(diǎn)在于：保證了材料加工的穩(wěn)定性與精確性，對(duì)材料科學(xué)、微電子技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)和國防軍工等領(lǐng)域?qū)⑵鸬酵苿?dòng)促進(jìn)作用。
【專利說明】面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及光機(jī)電一體化的精密科學(xué)儀器領(lǐng)域，特別涉及一種面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)，可用于各類試件或材料的微觀力學(xué)性能檢測(cè)中的納米壓/劃痕加工。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)的現(xiàn)代化、規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化，以及高新技術(shù)和國防技術(shù)的發(fā)展，對(duì)各種材料表面性能的要求越來越高。20世紀(jì)80年代，現(xiàn)代表面技術(shù)被國際科技界譽(yù)為最具發(fā)展前途的十大技術(shù)之一。20世紀(jì)80年代末在美國、日本等發(fā)達(dá)是國家興起的高新科學(xué)技術(shù)，由于其巨大的應(yīng)用前景，因此自問世以來微納米技術(shù)受到了各國政府和學(xué)者的普遍重視，是當(dāng)前科技界的熱門研究領(lǐng)域之一，其主要包括納米壓痕(Nanoindentation)、納米劃痕(Nanoscratch)、原子力顯微鏡(AFM)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)專用測(cè)試技術(shù)(如微拉伸等)及相關(guān)支撐技術(shù)等。其中的納米壓痕、劃痕試驗(yàn)方法是一種在傳統(tǒng)的布氏和維氏硬度試驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新的力學(xué)性能試驗(yàn)方法，它通過連續(xù)控制樣品上壓頭加載和卸載過程并記錄載荷和位移數(shù)據(jù)，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析從而得出材料的力學(xué)性能指標(biāo)，該測(cè)試方法優(yōu)點(diǎn)在于可以從載荷一位移曲線中直接測(cè)出材料的力學(xué)性能而不需要測(cè)量壓痕的面積，故即便深度在納米范圍，只要載荷和深度位移的測(cè)量精度足夠高也可以得到材料的力學(xué)性倉泛。
[0003]六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是由六支作動(dòng)筒，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個(gè)平臺(tái)組成，下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)上，借助六支作動(dòng)筒的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在空間六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，從而可以模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)?？蓮V泛應(yīng)用到各種訓(xùn)練模擬器如飛行模擬器、艦艇模擬器、海軍直升機(jī)起降模擬平臺(tái)、坦克模擬器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器以及動(dòng)感電影、娛樂設(shè)備等領(lǐng)域，甚至可用到空間宇宙飛船的對(duì)接，空中加油機(jī)的加油對(duì)接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床、靈巧機(jī)器人等。由于六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研制，涉及機(jī)械、液壓、電氣、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器，空間運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸處理、圖形顯不、動(dòng)態(tài)仿真等等一系列聞科技領(lǐng)域，因而TK自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研制變成了聞等院校、研究院所在液壓和控制領(lǐng)域水平的標(biāo)志性象征。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是傳動(dòng)及控制【技術(shù)領(lǐng)域】的皇冠級(jí)產(chǎn)品，掌握了它，在傳動(dòng)和控制領(lǐng)域基本上就沒有了難題。
[0004]目前，以美國、英國、瑞士等發(fā)達(dá)國家納米壓痕、劃痕技術(shù)日益成熟，并實(shí)現(xiàn)了于納米壓痕/劃痕測(cè)試、加工裝置的商業(yè)化，而我國對(duì)此領(lǐng)域缺少核心技術(shù)僅處于起步階段，而且對(duì)于超精密納米壓痕、劃痕加工裝置的開發(fā)研究少之又少，阻礙了我國在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展。因此，有必要研究與開發(fā)面向超精密自由面納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)，這能為我國在材料微觀力學(xué)檢測(cè)、加工與研究領(lǐng)域趕超發(fā)達(dá)國家提供堅(jiān)實(shí)保障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。其是一種集驅(qū)動(dòng)、加載、檢測(cè)、六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)、超精密壓痕、劃痕的超精密跨尺度納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)。本實(shí)用新型不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)平面工件的壓痕與劃痕的精密加工，更能夠?qū)崿F(xiàn)曲面工件的壓痕與劃痕的精密加工與檢測(cè)，而現(xiàn)實(shí)中對(duì)曲面材料的壓痕、劃痕加工需求不占少數(shù)，例如生物醫(yī)學(xué)中的骨質(zhì)壓/劃痕、超精密曲面加工等，這些都對(duì)納米壓痕與劃痕加工過程中的精度提出更高的要求，而本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工件位置的精確定位，保證測(cè)試精度，這對(duì)新材料新工藝、精密光學(xué)、微電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)、汽車飛機(jī)關(guān)鍵零部件制造、鋼鐵冶金、生物醫(yī)學(xué)工程、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、納米工程和國防軍工等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群的發(fā)展具有極為重要的支撐推動(dòng)作用和廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值。本實(shí)用新型主要由六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)、Z軸方向的滾珠絲杠粗進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和Z軸方向的壓電陶瓷精密進(jìn)給單元、載荷信號(hào)和位移信號(hào)的檢測(cè)單元、壓頭夾持單元、環(huán)境倉組成。六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)能夠保證工件的精確位置，Z軸方向的粗進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠快速調(diào)整金剛石壓頭和工件間的位置，壓電陶瓷精密進(jìn)給單元保證金剛石壓頭向材料內(nèi)部壓入，環(huán)境倉保證特殊材料在壓入過程中對(duì)物理場(chǎng)的要求。
[0006]本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)，包括六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)、Z軸方向的滾珠絲杠粗進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、Z軸方向的壓電陶瓷精密進(jìn)給單元、載荷信號(hào)檢測(cè)單元、位移信號(hào)的檢測(cè)單元、壓頭夾持單元及環(huán)境倉，所述六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)固定在環(huán)境倉6上，Z軸方向的壓電陶瓷精密進(jìn)給單元和Z軸方向的滾珠絲杠粗進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均與螺母座22相連，載荷信號(hào)檢測(cè)單元8固定在柔性鉸鏈20與金剛石壓頭夾持單元之間；位移信號(hào)檢測(cè)單元27均布于柔性鉸鏈20上，壓頭夾持單元固定在柔性鉸鏈20上。
[0008]所述的六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)由底板13、壓電控制缸14、載物平臺(tái)16組成，所述底板13與固定塊11相連，三個(gè)固定塊11均布于底板13上，所述壓電控制缸14與固定塊11和連接塊15相連，三個(gè)連接塊15均布于載物平臺(tái)16上，并與固定塊形成互補(bǔ)角度，即三個(gè)連接塊和三個(gè)固定塊構(gòu)成的俯視圖為正六邊形，所述的載物平臺(tái)與連接塊相連，所述的六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)整體通過底板13利用緊固螺釘I 12固定于環(huán)境倉6上。
[0009]所述的Z軸方向的滾珠絲杠粗進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由安川交流伺服電機(jī)1、光杠3、滾珠絲杠25組成，所述安川交流伺服電機(jī)I輸出軸與聯(lián)軸器26相連，電機(jī)提供Z軸方向的粗進(jìn)給，電機(jī)具有自鎖并自帶編碼器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，形成半閉環(huán)控制，安川交流伺服電機(jī)I整體通過緊固螺釘V 30固定于環(huán)境倉6上，所述光杠3通過光杠螺母2固定于環(huán)境倉6上，并與柔性鉸鏈20相連，彈簧5套于光杠3，起到預(yù)緊作用，所述的滾珠絲杠25與聯(lián)軸器26通過聯(lián)軸器銷4相連，同時(shí)滾珠絲杠25與絲杠螺母23相連，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，傳輸電機(jī)的位移，絲杠螺母23通過緊固螺釘III 24固定于螺母座22。
[0010]所述的Z軸方向的壓電陶瓷精密進(jìn)給單元主要由柔性鉸鏈20、壓電陶瓷19組成，所述壓電陶瓷19安裝于柔性鉸鏈20中，并由擋塊28通過緊固螺釘IV 29固定，四個(gè)柔性鉸鏈20與螺母座22通過緊固螺釘II 21相連并固定，能夠?qū)崿F(xiàn)保證Z軸單一方向位移。
[0011]所述的載荷信號(hào)檢測(cè)單元由高分辨率的力傳感器8組成，能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)壓痕和劃痕過程中的壓頭受力情況，所述力傳感器8固定在柔性鉸鏈20與金剛石壓頭夾持單元之間。
[0012]所述的位移信號(hào)檢測(cè)單元由十六張應(yīng)變片27所組成，所述十六張應(yīng)變片均布于柔性鉸鏈20上。
[0013]所述的壓頭夾持單元由壓頭10、激光對(duì)焦儀17、夾持體9組成，所述壓頭夾持單元整體與力傳感器8通過連接桿18相連，所述夾持體9能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壓頭10的固定與更換，采用配重方式將激光對(duì)焦儀17固定于夾持體上，保證壓頭不因激光對(duì)焦儀而偏移，激光對(duì)焦儀17能夠?qū)崿F(xiàn)保證壓頭垂直壓入工件，通過檢測(cè)對(duì)六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)進(jìn)行位置調(diào)整，形成閉環(huán)控制。
[0014]所述的環(huán)境倉6能夠?qū)崿F(xiàn)隔離外部環(huán)境，通過底部氣孔能夠?qū)?nèi)部環(huán)境抽成真空，艙蓋7自帶開關(guān)，便于取送工件，可將測(cè)試裝置深入環(huán)境倉6內(nèi)，觀測(cè)工件在壓痕、劃痕過程中發(fā)生的力學(xué)行為和損傷狀況，從而有力保證對(duì)自由面壓痕劃痕的加工質(zhì)量。
[0015]本實(shí)用新型的有益效果在于:為平面材料、曲面材料提供更為精準(zhǔn)的壓痕與劃痕的加工方法，本實(shí)用新型提出的加工技術(shù)與方法其加載位移分辨率達(dá)到納米級(jí)、加載力分辨率達(dá)到微牛級(jí)。通過可調(diào)整式艙蓋可將觀測(cè)高分辨率數(shù)字顯微成像系統(tǒng)深入到環(huán)境倉內(nèi)，觀測(cè)工件在壓痕劃痕過程中變形損傷狀況。通過對(duì)加工過程中的位移、作用力精確控制，對(duì)加工試件表面缺陷、損傷等能夠達(dá)到實(shí)時(shí)觀測(cè)，保證了材料加工的穩(wěn)定性與精確性。本實(shí)用新型專利對(duì)材料科學(xué)、微電子技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)和國防軍工等領(lǐng)域?qū)⑵鸬酵苿?dòng)促進(jìn)作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]此處所說明的附圖用來提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本實(shí)用新型的示意性實(shí)例及其說明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。
[0017]圖1為本實(shí)用新型的主視半剖視示意圖；
[0018]圖2為本實(shí)用新型的環(huán)境倉剖去四分之一時(shí)的等軸測(cè)圖；
[0019]圖3為本實(shí)用新型的六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)軸測(cè)圖；
[0020]圖4為本實(shí)用新型的壓電陶瓷精密進(jìn)給單元軸測(cè)圖；
[0021]圖5為本實(shí)用新型的夾持單元軸測(cè)圖。
[0022]圖中:1.安川交流伺服電機(jī)；2.光杠螺母；3.光杠；4.聯(lián)軸器銷；5.彈簧；
6.環(huán)境倉；7，艙蓋；8.力傳感器；9.壓頭夾持器；10.金剛石壓頭；11.固定塊；12.緊固螺釘I ;13.底板；14.壓電控制缸；15.連接塊；16.載物臺(tái)；17.激光對(duì)焦儀；18.連接桿；19.壓電陶瓷；20.柔性鉸鏈；21.緊固螺釘II;22.螺母座；23.絲杠螺母；24.緊固螺釘III ;25.滾珠絲杠；26.聯(lián)軸器；27.應(yīng)變片；28.擋塊；29.緊固螺釘IV;30.緊固螺釘V。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實(shí)施方式】。
[0024]參見圖1至圖5所示，本實(shí)用新型的面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)，包括六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)、Z軸方向的滾珠絲杠粗進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、Z軸方向的壓電陶瓷精密進(jìn)給單元、載荷信號(hào)檢測(cè)單元、位移信號(hào)的檢測(cè)單元、壓頭夾持單元及環(huán)境倉，所述六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)固定在環(huán)境倉6上,Z軸方向的壓電陶瓷精密進(jìn)給單元和Z軸方向的滾珠絲杠粗進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均與螺母座22相連，載荷信號(hào)檢測(cè)單元8固定在柔性鉸鏈20與金剛石壓頭夾持單元之間；位移信號(hào)檢測(cè)單元27均布于柔性鉸鏈20上，壓頭夾持單元固定在柔性鉸鏈20上。
[0025]所述的六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)由底板13、壓電控制缸14、載物平臺(tái)16組成，所述底板13與固定塊11相連，三個(gè)固定塊11均布于底板13上，所述壓電控制缸14與固定塊11和連接塊15相連，三個(gè)連接塊15均布于載物平臺(tái)16上，并與固定塊形成互補(bǔ)角度，即三個(gè)連接塊和三個(gè)固定塊構(gòu)成的俯視圖為正六邊形，所述的載物平臺(tái)與連接塊相連，所述的六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)整體通過底板固定于環(huán)境倉6上并由緊固螺釘I進(jìn)行固定。
[0026]所述的Z軸方向的滾珠絲杠粗進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由安川交流伺服電機(jī)1、光杠3、滾珠絲杠25組成，所述安川交流伺服電機(jī)I與聯(lián)軸器26相連，電機(jī)提供Z軸方向的粗進(jìn)給，電機(jī)具有自鎖并自帶編碼器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，形成半閉環(huán)控制，安川交流伺服電機(jī)I整體通過緊固螺釘V 30固定于環(huán)境倉6上，所述光杠3通過光杠螺母2固定于環(huán)境倉6上，并與柔性鉸鏈20相連，彈簧5套于光杠3，起到預(yù)緊作用，所述的滾珠絲杠25與聯(lián)軸器26通過聯(lián)軸器銷4相連，同時(shí)滾珠絲杠25與絲杠螺母23相連，傳輸電機(jī)的位移，絲杠螺母23通過緊固螺釘III 24固定于螺母座22，傳輸電機(jī)的位移。
[0027]所述的Z軸方向的壓電陶瓷精密進(jìn)給單元由柔性鉸鏈20、壓電陶瓷19組成，所述壓電陶瓷19安裝于柔性鉸鏈20中，并由擋塊28通過緊固螺釘IV 29固定，四個(gè)柔性鉸鏈20與螺母座22通過緊固螺釘II 21相連并固定，能夠?qū)崿F(xiàn)保證Z軸單一方向位移。
[0028]所述的載荷信號(hào)檢測(cè)單元由高分辨率的力傳感器8組成，能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)壓痕和劃痕過程中的壓頭受力情況，所述力傳感器8固定在柔性鉸鏈20與金剛石壓頭夾持單元之間。
[0029]所述的位移信號(hào)檢測(cè)單元由十六張應(yīng)變片27所組成，所述十六張應(yīng)變片均布于柔性鉸鏈20上，能夠?qū)崿F(xiàn)精確測(cè)定在壓電陶瓷19微進(jìn)給過程中的位移。
[0030]所述的壓頭夾持單元由壓頭10、激光對(duì)焦儀17、夾持體9組成，所述壓頭夾持單元整體與力傳感器8通過連接桿18相連，所述夾持體9能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壓頭10的固定與更換，采用配重方式將激光對(duì)焦儀17固定于夾持體上，保證壓頭不因激光對(duì)焦儀而偏移，激光對(duì)焦儀17能夠?qū)崿F(xiàn)保證壓頭垂直壓入工件，通過檢測(cè)對(duì)六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)進(jìn)行位置調(diào)整，形成閉環(huán)控制。
[0031]所述的環(huán)境倉6能夠?qū)崿F(xiàn)隔離外部環(huán)境，通過底部氣孔能夠?qū)?nèi)部環(huán)境抽成真空，艙蓋7自帶開關(guān)，便于取送工件，可將測(cè)試裝置深入環(huán)境倉6內(nèi)，觀測(cè)工件在壓痕、劃痕過程中發(fā)生的力學(xué)行為和損傷狀況，從而有力保證對(duì)自由面壓痕劃痕的加工質(zhì)量。
[0032]本實(shí)用新型的面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)，具有Z軸方向精密進(jìn)給單元、粗進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述的粗進(jìn)給機(jī)構(gòu)動(dòng)力由安川交流伺服電機(jī)I提供，能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，并自帶編碼器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的半閉環(huán)控制。安川交流伺服電機(jī)I與聯(lián)軸器26相連，通過滾珠絲杠25實(shí)現(xiàn)Z軸方向的粗進(jìn)給。粗進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與壓電陶瓷精進(jìn)給單元通過螺母座22相連，螺母座的Z軸方向運(yùn)動(dòng)由四根光杠3，并且通過彈簧5進(jìn)行預(yù)緊。所述的壓電陶瓷精密進(jìn)給單元19鑲嵌到四個(gè)柔性鉸鏈20中，并由擋塊28進(jìn)行固定，均布的四個(gè)柔性鉸鏈保證Z軸方向的精進(jìn)給，同時(shí)在四個(gè)柔性鉸鏈上貼有十六張應(yīng)變片27，對(duì)壓頭壓入過程的位移進(jìn)行精密測(cè)量。所述的載荷信號(hào)由力傳感器8提供，力傳感器8與柔性鉸鏈20和壓頭夾持器9相連，通過力傳感器8能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壓頭壓入過程的受力情況進(jìn)行精確測(cè)量。所述的壓頭夾持器9可更換不同種類的壓頭，直接與力傳感器8相連。所述的六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工件位置的精確定位，載物臺(tái)16與固定在夾持單元上的激光對(duì)焦儀17形成閉環(huán)控制，通過激光對(duì)焦儀17能夠?qū)侯^與工件表面的角度精密測(cè)量，為保證壓頭能夠?qū)崿F(xiàn)沿自由面的法線壓入提供保障，同時(shí)也能滿足不同實(shí)驗(yàn)需求。除安川交流伺服電機(jī)I與光杠螺母2外，系統(tǒng)整體布置于環(huán)境倉6內(nèi)，所述的六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)通過底板13固定于環(huán)境倉，所述的Z軸方向的滾珠絲杠粗進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和Z軸方向的壓電陶瓷精密進(jìn)給單元、載荷信號(hào)和位移信號(hào)的檢測(cè)單元、壓頭夾持單元固定于環(huán)境倉6上端，在實(shí)驗(yàn)過程中可以根據(jù)需求可將觀測(cè)高分辨率數(shù)字顯微成像系統(tǒng)深入到環(huán)境倉6內(nèi)，觀測(cè)工件在壓痕劃痕過程中變形損傷狀況，如有特殊材料需要對(duì)工件環(huán)境進(jìn)行控制可調(diào)節(jié)艙蓋7，使環(huán)境倉6整體封閉，通過底部的圓孔對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。
[0033]在納米壓痕測(cè)試中，由于金剛石壓頭與試件間的接觸力通常為毫牛級(jí)甚至更低，機(jī)械系統(tǒng)各環(huán)節(jié)變形量十分微小，壓頭壓入試件的深度可通過十六張應(yīng)變片27測(cè)得；而壓痕過程中金剛石壓頭10施加給試件表面的接觸載荷可通過微型力傳感器8拾取，通過對(duì)加工過程中的位移、作用力精確控制，對(duì)加工試件表面缺陷、損傷等能夠達(dá)到實(shí)時(shí)觀測(cè)，保證了材料加工的穩(wěn)定性與精確性。
[0034]以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡對(duì)本實(shí)用新型所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)，其特征在于:包括六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)、Z軸方向的滾珠絲杠粗進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、Z軸方向的壓電陶瓷精密進(jìn)給單元、載荷信號(hào)檢測(cè)單元、位移信號(hào)的檢測(cè)單元、壓頭夾持單元及環(huán)境倉，所述六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)固定在環(huán)境倉(6)上，Z軸方向的壓電陶瓷精密進(jìn)給單元和Z軸方向的滾珠絲杠粗進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均與螺母座(22 )相連，載荷信號(hào)檢測(cè)單元(8)固定在柔性鉸鏈(20)與金剛石壓頭夾持單元之間；位移信號(hào)檢測(cè)單元(27)均布于柔性鉸鏈(20)上，壓頭夾持單元固定在柔性鉸鏈(20)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)，其特征在于:所述的六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)由底板(13)、壓電控制缸(14)、載物平臺(tái)(16)組成，所述底板(13)與固定塊(11)相連，三個(gè)固定塊(11)均布于底板(13)上，所述壓電控制缸(14 )與固定塊(11)和連接塊(15 )相連，三個(gè)連接塊(15)均布于載物平臺(tái)(16)上，并與固定塊形成互補(bǔ)角度，即三個(gè)連接塊和三個(gè)固定塊構(gòu)成的俯視圖為正六邊形，所述的載物平臺(tái)與連接塊相連，所述的六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)整體通過底板固定于環(huán)境倉(6)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)，其特征在于:所述的Z軸方向的滾珠絲杠粗進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由安川交流伺服電機(jī)(I)、光杠(3)、滾珠絲杠(25)組成，所述安川交流伺服電機(jī)(I)與聯(lián)軸器(26)相連，電機(jī)提供Z軸方向的粗進(jìn)給，電機(jī)具有自鎖并自帶編碼器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，形成半閉環(huán)控制，所述光杠(3)通過光杠螺母(2)固定于環(huán)境倉(6)上，并與柔性鉸鏈(20)相連，彈簧(5)套于光杠(3)，起到預(yù)緊作用，所述的滾珠絲杠(25)與聯(lián)軸器(26)相連,傳輸電機(jī)的位移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)，其特征在于:所述的Z軸方向的壓電陶瓷精密進(jìn)給單元由柔性鉸鏈(20)、壓電陶瓷(19)組成，所述壓電陶瓷(19)安裝于柔性鉸鏈(20)中，并由擋塊(28)固定，四個(gè)柔性鉸鏈(20)與螺母座(22)相連，能夠?qū)崿F(xiàn)保證Z軸單一方向位移。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)，其特征在于:所述的載荷信號(hào)檢測(cè)單元由高分辨率的力傳感器(8)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)壓痕和劃痕過程中的壓頭受力情況，所述力傳感器(8)固定在柔性鉸鏈(20)與壓頭夾持單元之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)，其特征在于:所述的位移信號(hào)檢測(cè)單元由十六張應(yīng)變片(27)所組成，所述十六張應(yīng)變片均布于柔性鉸鏈(20)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)，其特征在于:所述的壓頭夾持單元由壓頭(10)、激光對(duì)焦儀(17)、夾持體(9)組成，所述壓頭夾持單元整體與力傳感器(8)相連，所述夾持體(9)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壓頭(10)的固定與更換，采用配重方式將激光對(duì)焦儀(17)固定于夾持體上，保證壓頭不因激光對(duì)焦儀而偏移，激光對(duì)焦儀(17)能夠?qū)崿F(xiàn)保證壓頭垂直壓入工件，通過檢測(cè)對(duì)六自由度自適應(yīng)式方位調(diào)節(jié)精密定位的載物臺(tái)進(jìn)行位置調(diào)整，形成閉環(huán)控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向自由面的超精密納米壓痕劃痕加工系統(tǒng)，其特征在于:所述的環(huán)境倉(6)能夠?qū)崿F(xiàn)隔離外部環(huán)境，通過底部氣孔能夠?qū)?nèi)部環(huán)境抽成真空，艙蓋(7)自帶開關(guān)，便于取送工件，可將測(cè)試裝置深入環(huán)境倉(6)內(nèi)，觀測(cè)工件在壓痕、劃痕過程中發(fā)生的力學(xué)行為和損傷狀況，從而有力保證對(duì)自由面壓痕劃痕的加工質(zhì)量。
【文檔編號(hào)】G01N3/40GK203443871SQ201320527179
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月28日
【發(fā)明者】趙宏偉, 高景, 韓磊, 董曉龍, 魯帥, 佟達(dá), 邵明坤, 程虹丙 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)