用于纳米三坐标机的非接触式触发探头的研制
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
DOI:10.16661/ki.1672-3791.2019.13.069
用于纳米三坐标机的非接触式触发探头的研制
张珂 蒋庆磊
(潍坊工程职业学院山工机电学院 山东潍坊 262500)
摘 要:在进行微米级测量时,纳米三坐标机常用的接触式探头会损伤软的或脆的待测品。
该文研制了一种用蓝光DVD 读取头作为传感器的非接触式触发探头。
该探头的测量原理是当待测样品位于探头聚焦面时,聚焦误差信号返回值为零。
将该探头安装于三维纳米平台上实验,结果显示触发分辨率达1nm,标准差约12nm。
关键词:蓝光DVD读取头 非接触式触发探头 纳米三坐标中图分类号:TH721
文献标识码:A
文章编号:1672-3791(2019)05(a)-0069-02
随着产品微型化的发展,对产品质量的要求随着制造工艺的发展而提高。
由于待测表面和坐标测量技术并不真正适用于微结构的测量,因此产生了严重的测量问题。
在过去的十几年中,一些具有纳米分辨率的中、微尺度零件的微米或纳米坐标测量机已经被开发出来,它们采用的是接触式探头。
接触探头虽然具有环境影响小、测量角度大等优点,但也存在着难以克服的缺点,如工件损坏、探头磨损、接触力大、无法测量小空腔等问题。
针对微米/纳米三坐标机,也有很多非接触式探头系统被研发出来了,比如基于聚焦传感器的、共焦、光纤探测器阵列等。
然而,基于聚焦的探头通常采用红光激光二极管,难以提高测量精度;基于电容传感器的探头仅适用于电子试样;基于光纤阵列的探头无法达到纳米级精度。
该文提出了一种基于蓝光DVD读取头的微米/纳米坐标测量机非接触式触发探头,并介绍其设计原理、结构和实验数据分析。
实验结果显示了该探头非接触触发测量的能力。
1 探头结构
该非接触式触发探头由聚焦传感器和用于保持和调
整传感器的机械结构组成。
图1 聚焦传感器原理图
图2 探头结构示意图
图3 6次实验FES曲线
1.1 聚焦传感器
该探头的探测系统采用的聚焦传感器由拆除三洋(BD410)DVD读取头的音圈马达改装的(见图1)。
激光二极管发出的激光通过光栅衍射后,通过分光镜和1/4波片、准直透镜和聚焦透镜,最后聚焦到光盘表面。
反射光束再经过准直透镜、1/4玻片和分光镜后,通过柱面透镜投射
(下转71页)
表1 探头触发实验数据
次数123456STDEV 位置(μm)2.3142.2912.2832.2922.3042.28511.8到四象限探测器上。
如果被测表面离焦点较近或较远,则光敏二极管上的光束图像在不同方向上会变成椭圆形状。
当被测表面处于焦点时,图像变为圆形,根据4个象限的光斑分布,可以获得聚焦误差信号(FES)。
经过校正后,FES 曲线可以描述出光盘表面轮廓。
1.2 探头结构
为了减少非接触式触发探头的尺寸,用直角棱镜使激光光束转90°用细长管固定聚焦透镜。
图2是安装在纳米三坐标机上的非接触式触发探头机械结构示意图。
该非接触式触发探头可由柔性机构内的4颗螺钉调节从而使聚焦透镜光轴垂直于反射面。
2 实验设备和结果
实验装置包括运动平台、探头和试验件组成。
由Physik生产的重复性为2nm的纳米平台被用作运动平台和位移传感器,镜子作为试验件。
FES曲线信号由D/A转换器(NI DAQ卡)传递到个人计算机。
实验重复进行了6次,其聚焦误差信号(FES)曲线如图3所示。
从图3可以看出FES曲线在1~3μm之间的位置线性度高,相应的电压差是8V,拟合直线的斜率为0.25nm/mV。
我们收集了该探头的聚焦误差信号(FES)在2h内噪声数据发现,2h内,噪声小于4mV。
因此,我们可以估计该非接触式触发探头的分辨率小于1nm。
若将FES为零时的位置设为探头触发点,由表1列出的6次触发数据我们能得到:探头的触发标准偏差小于12nm,该数据验证了该探头的高重复性。
3 结语
该文研究了一种基于商用蓝光DVD读取头的非接触触发探头,并设计制造了其聚焦传感器和机械结构。
蓝光激光具有比红光更短的FES距离,从而能获得更好的分辨率。
实验结果表明,该非接触式触发探头的分辨率为1nm,标准偏差为12nm。
该非接触式触发探头可用于微/纳米三坐标测量仪上,用来测量硬、软材料。
此外,这种零触发式传感器可以测量任何由MEMS工艺制成的材料或复合材料。
参考文献
[1] 向萌.微纳米三坐标接触式探头优化设计[D].合肥工业
大学,2016.
[2] 高伟,陈晓怀,陈贺.一种基于DVD读取头的非接触触发
探头[J].现代显示,2012(12):35-40.
[3] 南刚雷.基于线结构光的铰链几何参数高精度测量系
统[D].天津大学,2016.
在电弧不短路的情况下,尽量控制电弧长度,一般弧长近似等于钨极直径。
(4)焊接速度:通常是由焊工根据熔池的大小、形状和焊件熔合情况随时调节。
过快的焊接速度会使气体保护氛围破坏,焊缝容易产生熔合不好和气孔;焊接速度太慢时,焊缝容易烧穿和咬边。
(5)氩气流量与喷嘴直径:喷嘴直径的大小,直接影响保护区的范围,一般根据钨极直径来选择。
按生产经验,2倍的钨极直径再加上4mm即为选择的喷嘴直径。
流量合适时,熔池平稳,表面明亮无渣,无氧化痕迹,焊缝成形美观;流量不合适,熔池表面有渣,焊缝表面发黑或有氧化皮。
氩气的合适流量为0.8~1.2倍的喷嘴直径。
(6)喷嘴与焊件间的距离:指喷嘴端面和焊件间的距离,这个距离越小保护效果越好。
所以,喷嘴距焊件间的距离应尽量小些但过小使操作、观察不便。
(7)钨极伸出长度:为了防止电弧热烧坏喷嘴,钨极端部应突出喷嘴以外,其伸出长度一般为3~4mm。
6 焊接之中,解决遇到问题
(1)焊接中遇到的问题:焊接时间稍长,填丝稍慢,接口有缝隙处,管壁被击穿,焊接进行困难。
(2)分析出现问题的原因:管壁太薄,焊接电流大。
(3)解决问题的办法:①减小焊接电流。
②焊丝施焊前放在焊缝处;减小焊接电流对焊缝的热输入和电弧吹力。
③改连续焊接为断续点焊,减小热输入。
(4)继续施焊的效果:①减小焊接电流,引弧困难,电弧不稳,效果不好。
②方法效果有作用,采纳。
但还是焊接电流有些偏大,稍有不慎就焊“漏”,焊接效率还不高。
(5)继续分析改进:钨极与焊丝没有再细的了,只有另辟蹊径了。
根据多年的生产实践经验和《熔焊原理》的相关知识,决定改变焊接工艺参数,以降低焊缝的热输入,更好实施焊接。
①把钨极的伸出改为钨极內缩到喷嘴里,
②把5号陶瓷喷嘴改换为4号陶瓷喷嘴。
7 继续进行,完成全部焊接
在经过改变工艺参数,使焊缝的热输入变小,熔池变小,焊接操作得到有效控制,焊缝烧穿缺陷得到有效控制,焊接质量得到保证。
8 焊接完毕,检查打磨清理
焊接完毕,仔细检查每道焊缝,把多余的焊肉和毛刺用角磨机打磨光滑,直至满意为止,然后关闭焊机,收拾机具,清理场地。
9 总结分析
为什么把钨极缩到喷嘴内觉得焊接电流好像减小了,熔池的大小等都变化了呢?
其实很简单:对图1、图2两幅图对比分析,其中的奥秘便孑然醒悟。
(1)通过图1钨极的外伸与内缩氩气流对电弧约束的比较,可以看出钨极內缩后,再加上换了小直径的4号喷嘴,对熔池的冷却作用加大,使热影响区减小,熔池存在的时间变短。
(2)通过图2钨极外伸与内缩焊接电弧的横截面积对比,可以看出钨极內缩后,喷嘴到焊件之间的距离减小了,对熔池的横截面变小,同时冷却作用也加大了,使热影响区减小,熔池存在的时间变短。
参考文献
[1] 孙景荣.焊接难题解析问答[M].北京:化学工业出版社,
2007.
[2] 徐佩兰,石学军.焊工操作技巧与禁忌.北京:机械工业出
版社,2008.
[3] 张其枢.不锈钢焊接技术[M].北京:机械工业出版社,2000.
(上接69页)。