独立式五自由度超精密材料原位测试显微观测台制造技术

本发明专利技术涉及一种独立式五自由度超精密材料原位测试显微观测台，属于精密科学显微观测仪器。该平台由X、Y、Z轴精密移动组件、X、Z轴转动组件、X、Y、Z轴柔性铰链式超精密跟随组件、超景深观测镜头组成。X、Y、Z轴精密移动组件、X、Z轴转动组件可分别对超景深镜头距观测试件的X、Y、Z方向相对位置及相对角度进行精密调整；X、Y、Z轴柔性铰链式超精密跟随组件可实现X、Y、Z方向相对于载荷下微震动中试件的主动跟随,Y轴超精密跟随组件还可辅助超精神镜头变焦。超景深镜头用于对试件围观表面形貌进行超景深观测。优点在于：体积精巧、精密驱动、跟随效果好、集成性高，实用性强，既可以独立使用又可以和其他设备组合使用。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种独立式五自由度超精密材料原位测试显微观测台，属于精密科学显微观测仪器。该平台由X、Y、Z轴精密移动组件、X、Z轴转动组件、X、Y、Z轴柔性铰链式超精密跟随组件、超景深观测镜头组成。X、Y、Z轴精密移动组件、X、Z轴转动组件可分别对超景深镜头距观测试件的X、Y、Z方向相对位置及相对角度进行精密调整；X、Y、Z轴柔性铰链式超精密跟随组件可实现X、Y、Z方向相对于载荷下微震动中试件的主动跟随,Y轴超精密跟随组件还可辅助超精神镜头变焦。超景深镜头用于对试件围观表面形貌进行超景深观测。优点在于：体积精巧、精密驱动、跟随效果好、集成性高，实用性强，既可以独立使用又可以和其他设备组合使用。【专利说明】独立式五自由度超精密材料原位测试显微观测台
本专利技术涉及精密科学显微观测仪器，特别涉及一种集超景深显微观测、精密驱动、主动跟随为一体的独立式五自由度超精密材料原位测试显微观测台。可针对在不同载荷状态下的各类材料提供原位监测，揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机理，对于新材料新工艺、精密光学、半导体技术、纳米工程、微机电系统(MEMS)技术等高技术产业的发展具有极为重要的推动作用。
技术介绍
材料测试技术是材料科学与工程应用的重要手段和方法。所有零部件在实际使用过程中都不可避免地承受着力或温度的作用，在一定的使用条件和使用时间后，材料将发生变形、磨损、表面麻点等失效现象。显微观测是在失效分析中广泛使用的技术，通过对材料试样提供痕迹分析、裂纹分析和断口分析，以获取材料的基本性能和力学规律。原位力学性能测试是指在微/纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试的过程中，通过光学显微镜、电子显微镜以及原子力显微镜等仪器对各种载荷作用下材料及其制品发生的微观变形、损伤进行全程动态在线监测的一种力学测试手段。该技术从微观层面揭示了各类材料及其制品的力学行为、损伤机理以及载荷的大小、种类与材料性能间的相关性规律。目前的原位观测设备尚存在一些不足之处:(1)目前的商用显微镜难以满足大行程的镜头移动能力，对原位观测大型试件存在制约；(2)由于外界环境的影响，在一些载荷下的试件往往自身处于微震动的状态，目前的商用显微镜难以做到对试件的同步跟随，以保证被观测区域的稳定成像；(3)扫面电子显微镜、原子力显微镜等的腔体空间十分有限，难以对处于宏观尺度下的试件进行原位观测。因此，设计一种具有五自由度大行程、可主动跟随、易于集成的超精密材料原位测试显微观测台具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种独立式五自由度超精密材料原位测试显微观测台，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术能够应用于材料微观形貌观测中。通过五自由度精密驱动组件实现对超景深镜头和被观测试件间相对位置进行五自由度精密调节；柔性铰链式X、Y、Z轴超精密跟随组件可实现X、Y、Z三方向相对于处于微震动中观测试件的超精密跟随，使超景深镜头和被观测试件保持相对静止，χ、Y、ζ轴柔性铰链式超精密跟随组件可实现X、Y、Z三方向相对于载荷下微震动中试件的主动跟随，实现对不同载荷下试件的原位观测，轴超精密跟随组件还可辅助超精神镜头变焦；通过超景深镜头观测，可以得到试件的稳定的微观三维形貌图像。本专利技术可独立作为观测平台，实现对试件微观形貌进行观察；也可安装于试验机及其他测试设备上，一体化主动跟随载荷下微振动中的被测试件，对被测试件的微观变形、损伤与断裂过程进行实时原位观测；也可以安装于机床上，对工作中的机床零部件试试跟随，在线观察及测试，可得到机床零部件在真实受力状态下微观三维形貌，为机床零部件的设计改进提供关键数据。集成性高，实用性强，既可以独立使用又可以和其他设备组合使用。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现: 独立式五自由度超精密材料原位测试显微观测台,包括X轴移动组件14、Y轴移动组件12、Z轴移动组件11、X轴转动组件7、Z轴转动组件6、X-Y-Z三轴跟随组件、超景深镜头9 ；所述Y轴移动组件12安装于X轴移动组件14之上，Z轴移动组件11安装于Y轴移动组件12之上；跟随组件底板I安装于Z轴移动组件11之上，X-Y-Z三轴跟随组件的Y-Z轴跟随组件2通过内六角螺钉3安装于跟随组件底板I之上，X轴跟随组件5通过跟随组件连接板(4)与Y-Z轴跟随组件2连接；Z轴转动组件6安装于X轴跟随组件5之上，X轴转动组件7安装于Z轴转动组件6之上；超景深观测镜头9固定于超景深镜头固定块10的孔中，超景深镜头固定块10通过显微镜连接轴8与X轴转动组件7连接。所述的X轴移动组件14提供精密的X轴方向位移，由伺服电机30提供动力，经过减速器29减速后，驱动滚珠丝杠20输出直线位移，X轴移动组件14通过两侧的双滑块的直线导轨18支撑导向，直线导轨18两侧分别装有限位开关15，用于提示完成行程控制和限位保护；所述伺服电机30通过螺钉与减速器29连接，减速器29为行星齿轮减速器，减速比为33，精度为3分；减速器29通过螺钉固定于电机座28之上，电机座28固定在X轴底板25相应的螺纹孔中；减速器29输出轴通过联轴器27与滚珠丝杠20的端部连接，滚珠丝杠20两端分别通过EF丝杠座26与EK丝杠座19支撑，EF丝杠座26与EK丝杠座19分别固定在X轴底板25上；弹簧23套在滚珠丝杠20上，两端分别与丝杠螺母22和EF丝杠座26通过螺钉连接，丝杠螺母22安装于螺母座21孔中，通过螺钉紧固；直线导轨18上安装有两个滑块24，以加大对上层工作台的支撑力；直线导轨18通过螺钉紧固于X轴底板25之上；限位开关15安装于限位开关座16上的螺纹孔内，使用前后两个螺母17将限位开关15固定在限位开关座16上，限位开关座16通过螺丝固定于X轴底板25上。所述的伺服电机30带有20位编码器及保持制动器，使电机能够达到纳米级的角位移分辨率，并且相对的移动组件具有自锁能力；z轴移动组件11与Y轴移动组件12之间的相对位移通过线位移式光栅尺13检测，以实现对Y轴位移的闭环控制；X、Z轴的位移检测原理如前所述。所述的Y轴移动组件12、Z轴移动组件11中的连接方式与X轴方向移动组件14相同；所述Z轴移动组件11中的Y-Z轴连接板31与Y轴移动组件12通过螺钉紧固连接；Z轴底板34通过螺钉与Y-Z轴连接板31相互垂直连接，连接板32与三角板33分别连接在Z轴底板34与Y-Z轴连接板31两端，起到连接和支撑两板34，31的作用，并留出了 Z方向传动链布置的空间。所述的X-Y-Z三轴跟随组件由Y-Z轴跟随组件2与X轴方向跟随组件5组成，所述Y-Z轴方向跟随组件2与X轴方向跟随组件5通过L形跟随组件连接板4连接，使得X向柔性铰链42与Y-Z向柔性铰链35相互垂直；结合安装在被观测试件附近的电容式位移传感器可以实现闭环控制，Y-Z轴方向跟随组件2与X轴方向跟随组件5 —起响应可实现X-Y-Z三轴联动跟随。所述的Y-Z轴跟随组件2由Y-Z向柔性铰链35、楔形块36、压电陶瓷37组成，所述Y-Z向柔性铰链35通过三个连接螺钉固定在跟随组件底板I上；y-ζ向柔性铰链35由两个相互垂直的平行四连杆机构组成，Y向平行四连杆机构嵌套在Z向平行四连杆机构之内；通过压电陶瓷37的压电效应提供驱动力，Z向平行四连杆机构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种独立式五自由度超精密材料原位测试显微观测台，其特征在于：包括X轴移动组件（14）、Y轴移动组件（12）、Z轴移动组件（11）、X轴转动组件（7）、Z轴转动组件（6）、X?Y?Z三轴跟随组件、超景深镜头（9）；所述Y轴移动组件（12）安装于X轴移动组件（14）之上，Z轴移动组件（11）安装于Y轴移动组件（12）之上；跟随组件底板（1）安装于Z轴移动组件（11）之上，X?Y?Z三轴跟随组件的Y?Z轴跟随组件（2）通过内六角螺钉（3）安装于跟随组件底板（1）之上，X轴跟随组件（5）通过跟随组件连接板(4)与Y?Z轴跟随组件（2）连接；Z轴转动组件（6）安装于X轴跟随组件（5）之上，X轴转动组件（7）安装于Z轴转动组件（6）之上；超景深观测镜头（9）固定于超景深镜头固定块（10）的孔中，超景深镜头固定块（10）通过显微镜连接轴（8）与X轴转动组件（7）连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，任露泉，高景，董晓龙，邵明坤，张鹏，程虹丙，唐可洪，范尊强，张志辉，张富，朱冰，邹青，裴永茂，董景石，张启勋，朱玉祥，李法新，呼咏，马敬春，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：