基于隧道电流反馈瞄准的小盲孔测量方法及测量装置制造方法及图纸

基于隧道电流反馈瞄准的小盲孔测量方法及测量装置，涉及对小孔径深盲孔的直径、圆度、锥度、直线度和表面粗糙度的测量。测量装置包括扫描隧道显微镜，带反馈的ｘｙ电动平移台和电动回转台。测量方法是：待测工件安装在扫描隧道显微镜的三维压电平移台上，分别通过对扫描隧道显微镜的电动升降柱、ｘｙ电动平移台、电动回转台以及压电平移台的调整，实现对隧道电流反馈探针的３维姿态调整和３维平移调节，用隧道电流实现纳米精度定位，用针尖的坐标作为测量点的坐标，根据电动平移台和压电平移台反馈的位置信息获取亚微米分辨率的三维坐标值，进而实现上述几何量测量。本发明专利技术可测最小孔径为０．５ｍｍ，孔深３０ｍｍ。

【技术实现步骤摘要】
基于隧道电流反馈瞄准的小盲孔测量方法及测量装置
本专利技术属于计量测试
，涉及对小孔径深盲孔孔径、圆度、锥度、直线度和表面粗糙度的测量。
技术介绍
在计量测试领域中，对孔径小于lmm的深孔进行高精度无损测量一直是精密测量技术中的难题之一。其难点表现在以下三方面①孔径太小，现有传统几何量测试用接触或非接触式传感器无法进入孔内；②采用光纤进入孔内，无法实现精密瞄准；③测量参数复杂，包括若干宏观的形状参数和微观的表面粗糙度。常规商品化圆度仪受传感器结构和尺寸的限制，无法测量深小孔。 现有的非接触测量技术主要有光学测量法、气动测量法、电容测量法和光纤测量法。对于非接触检测小直径深孔，有一些新方法和专利技术，但是都存在一定的局限性，例如"微孔自动测量方法及装置'I申请号02137742. 1，该方法使用显微物镜和CCD采集显微图像，通过图像处理技术测量小孔参数，其缺点是只能测量薄片形状零件上的小孔。"细长小孔超精密自动测量系统研究及其精度分析"刘笃喜，柴艳波，朱名铨，液压与气动，8 (2007) :50-52，采用气动测量方法，可以测量孔径、圆度、圆柱度等参数，测量精度达到0. 5 ii m，其缺点是只能测量通孔，无法测量盲孔。"电容传感微小孔径测量方法"孙长库，王小兵，刘斌，郑义忠，纳米技术与精密工程，4，2(2006) :103-106，该方法可以测量直径1. 5mm以上小孔的直径、锥度、直线度，其缺点有两点①是无法测量圆度和表面粗糙度，②电容式由于其非接触面积的平均效应，所测得的直线度、锥度误差较大。" —种光纤式数字塞规仪的设计"杨秀华，赵世平，廖俊必，中国测试技术，3，2(2004) :4-16，该方法可以测量直径、圆度、锥度，精度达到0. liim，其缺点是成本高，操作复杂，无法测量直线度和表面粗糙度。因此，现有技术不能对小孔径深盲孔进行全面测
技术实现思路
本专利技术目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于隧道电流反馈瞄准的小盲孔测量方法及测量装置。 本专利技术为一种针对小孔径深盲孔的高精度非接触测量技术，测量内容包括非接触测量瞄准定位，对小孔径深盲孔的直径、圆度、锥度、直线度等宏观参数以及表面粗糙度进行测量，并可以显示待测表面的微观三维表面。本专利技术提供的基于隧道电流反馈瞄准的小孔径深盲孔测量方法的步骤如下 第1、将隧道电流反馈探针夹持器固定在电动回转台上，该电动回转台用X向和y向电动平移台支撑，x向和y向电动平移台通过支架由扫描隧道显微镜的三个电动升降柱 第2、标定探针针尖位置随回转角变化的关系后，将待测零件固定在扫描隧道显微镜的三维压电平移台上； 第3、将隧道电流反馈探针插入待测零件的小孔径深盲孔中，分别通过对第一步所述的三个电动升降柱、xy电动平移台、电动回转台以及第二步所述的三维压电平移台的调整，实现对隧道电流反馈探针的3维姿态调整和3维平移调节；当隧道电流反馈探针针尖靠近待测表面，使所述针尖与待测表面上最接近的原子之间的距离接近lnm时，产生明显的隧道电流，将隧道电流控制在lnA以下，此时所述针尖的坐标即可作为待测表面上对应该测量点的坐标； 第4、重复上述第三步操作，即可得到所需各测量点的坐标值； 第5、根据测量要求，通过对第四步得到的各测量点的坐标值的分析计算，就能够计算出待测零件的小孔径深盲孔的孔径、圆度、锥度、直线度以及表面粗糙度。 在以上所述的隧道电流反馈探针的调整中，对水平面内任一方向的调整步骤如下 第3. 1、首先让三维压电平移台沿指定方向正向移动，当三维压电平移台沿该方向调节到满行程时，仍然没有检测到隧道电流，则隧道电流反馈探针没有找到待测表面，则反向调节三维压电平移台到最小位置； 第3.2、用xy电动平移台正向平移隧道电流反馈探针，移动量即步长为接近三维压电平移台的最大行程，再用三维压电平移台继续正向搜索待测表面，这样，两个同方向的平移台交替工作直至检测到隧道电流，即找到待测表面，实现纳米级分辨率的定位。 第4步各测量点的确定方法如下 第4. 1、将待测零件的小孔径深盲孔沿径向分成6个扇面，沿轴向分成5-10个深度，进行分组测量； 第4. 2、在同一扇面内，各测量点按照弧长等分的原则确定； 第4. 3、不同测量扇面相互独立，使用各自的坐标系进行测量，根据标定针尖位置随回转角变化的关系确定各坐标系之间的关系，并将所有测量值换算到同一坐标系中。 4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于第5步所述分析计算的方法如下 第5. 1、对于同一深度的数据，其z坐标相同，将本组坐标拟合成圆周曲线，计算该圆周的圆心坐标和半径； 第5. 2、用孔两端的直径计算孔的锥度； 第5. 4、计算各深度的圆心坐标，并将这些坐标随深度变化的曲线拟合成直线，用各圆心到该直线的最大值衡量小孔的直线度误差； 第5. 5、从相同z坐标的各测量点中找出测量点到拟合圆圆心距离的最大值为圆度误差。 5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于第5步所述表面粗糙度的计算方法如下 第5. 6、按国家标准确定取样面积，用三维压电平移台带动待测工件，根据预先设定隧道电流测量待测表面的微观起伏； 第5. 7、根据权利要求4第5. 1步方法计算的拟合圆周直径，将基于平面的微观起伏换算成基于柱面的微观起伏； 第5. 8、按国家标准计算待测表面的表面粗糙度。 本专利技术提供的用于实现以上所述方法的测量装置，是由扫描隧道显微镜改造而 成，即扫描隧道显微镜基座上设置有三维压电平移台，扫描隧道显微镜基座上设置的三个 电动升降柱的上端固定有一个支架，支架上安装有x向电动平移台和y向电动平移台，x向和y向电动平移台上安装有电动回转台，隧道电流反馈探针通过探针夹持器固定在电动回转台上。所述的电动平移台和回转台均为通用的光学实验调整台，探针夹持器采用扫描隧道显微镜上的原装件。 本专利技术的优点和积极效果 本专利技术将测量区域划分成6个扇面，用隧道电流进行纳米精度定位，用电动台和 压电平移台的位置反馈信息测量孔壁三维坐标，不仅能测量直径、圆度、锥度、直线度等宏 观参数，而且能对待测表面的表面粗糙度进行测量，并可以显示待测表面的微观三维表面。 本专利技术利用隧道电流反馈位置信息，实现非接触测量瞄准定位，不会损伤待测表 面。 可测最小孔径O. 5mm，深度直径比达到60 : 1。 定位分辨率达到lnm，测量分辨率0. 1 ii m。 可以消除转动探针引起的系统误差。附图说明图1是本专利技术测量装置的结构示意图。 图2是本专利技术标定实验的结构示意图。 图中，1扫描隧道显微镜基座，2三维压电平移台，3待测零件，4隧道电流反馈探 针，5至7扫描隧道显微镜的三个电动升降柱，8支架，9x向电动平移台，10电动回转台，lly 向电动平移台，1240倍显微物镜，13平面反光镜，14CCD，组成光学显微镜。具体实施方式 实施例1 : 本专利技术用L形金属隧道电流反馈探针探测待测零件表面，读取三维坐标。探针可 做6维调整。待测零件用三维压电平移台驱动。以隧道电流反馈探针针尖与待测零件表面 原子之间的距离。通过分扇区测量和分组计算，消除转动探针引起的测量误差。可测量小 孔径深盲孔的全部参数，如直径、圆度、锥度、直线度和表面粗糙度。 本专利技术的测量装置如图1所示，主要由扫描隧道显微镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于隧道电流反馈瞄准的小孔径深盲孔测量方法，其特征在于该测量方法的步骤如下：第１、将隧道电流反馈探针夹持器固定在电动回转台下方，该电动回转台用ｘ向和ｙ向电动平移台支撑，ｘ向和ｙ向电动平移台通过支架由扫描隧道显微镜的三个电动升降柱支撑；第２、用光学显微镜标定探针针尖位置随回转角变化的关系后，将待测零件固定在扫描隧道显微镜的三维压电平移台上；第３、将隧道电流反馈探针插入待测零件的小孔径深盲孔中，分别通过对第一步所述的三个电动升降柱、ｘｙ电动平移台、电动回转台以及第二步所述的三维压电平移台的调整，实现对隧道电流反馈探针的３维姿态调整和３维平移调节；当隧道电流反馈探针针尖靠近待测表面，使所述针尖与待测表面上最接近的原子之间的距离接近１ｎｍ时，产生明显的隧道电流，将隧道电流控制在１ｎＡ以下，此时所述针尖的坐标即可作为待测表面上对应该测量点的坐标；第４、重复上述第三步操作，即可得到所需各测量点的坐标值；第５、根据测量要求，通过对第四步得到的各测量点的坐标值的分析计算，就能够计算出待测零件的小孔径深盲孔的直径、圆度、锥度、直线度；第６、扫描测量待测表面的微观结构，计算表面粗糙度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄大刚，王宝光，张恒，方勇纯，张玉东，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]