三维纳米接触式测头结构设计与优化

查小娜，杨洪涛， 费业泰

(1.安徽理工大学机械工程学院，安徽　淮南　232001；2.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽　合肥　230009)



三维纳米接触式测头结构设计与优化

查小娜1，杨洪涛1， 费业泰2

(1.安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001；2.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥230009)

摘要：采用螺旋片簧弹性支承和压阻元件作为测量三维测力敏感元件的新型接触式三维纳米测头,进行了纳米测头的结构设计，建立了测头系统的三维模型。为了提高测头的触测灵敏度，采用正交试验法设计实验方案，应用ANSYS仿真软件进行静力学和动力学仿真分析，对纳米测头的结构进行优化设计，确定测头的最优尺寸、弹性体支承结构的最优结构，并分析其静、动态特性。分析结果表明，所研制的三维纳米测头横向测量灵敏度达到13.99 με/mN，Z向测量灵敏度达到5.90 με/mN。测头各阶固有频率最低为1291.6 Hz，不易发生共振。测头响应和稳定时间不超过0.1 ms，具有很好的实时性和稳定性，可以用于纳米三坐标测量机的测量触发。

关键词：纳米测头；弹性支承；正交试验法；ANSYS仿真分析

随着微电子机械系统(MEMS)技术的快速发展，各种微型器件相继问世，这就需要提高关于MEMS器件的高精度检测技术。普通商用三坐标测量机的测量精度不够，其中测头是影响测量机精度和灵敏度的关键器件，而弹性支承是测头系统的核心元件，常见的弹性支承有：螺旋弹簧支承、十字悬丝、120度均匀分布的三叉形灵敏杠杆机构以及十字型结构等。螺旋弹簧支承的重复性精度低，测头从不同方向触测工件时的预行程不同[1]；十字悬丝受较大的张拉力时会产生塑性变形，导致测头性能的长期稳定性差[2]；120度均匀分布的三叉形灵敏杠杆机构的测量精度不高[3]；十字型结构测量大范围时的各向同性较差，具有较大的各向异性差别，影响纳米级测量精度[4]。因此有必要对弹性支承进行研究，本文提出了一种螺旋片簧弹性体支承元件，对其结构进行优化设计，以达到高精度、实时性等优点。

1测头结构及工作原理

新型接触式三维纳米测头主要由测球、测杆、螺旋片簧弹性体支承组成，测杆和弹性体支承之间采用粘贴剂粘合，其结构如图1所示。

1.1　弹性体支承结构设计

螺旋片簧弹性体支承是在片簧圆片上刻划阿基米德螺旋槽制成(见图2)。将螺旋片簧弹性支承外端固定在外壳上，内端与测杆测球连接在一起。当测头触测物体时，产生的测力会通过测杆、测球传递到螺旋片簧弹性支承上。当片簧弹性支承受测杆轴向力作用时，圆片簧各部分均产生轴向位移，但中心部位位移最大，外缘部位位移最小，而且沿着阿基米德方向，由内向外的各部分位移是连续变化的。由于螺旋槽的作用，其中心部分的位移变形能保证垂直于该表面上的圆柱轴线基本上与表面垂直，而且当垂直轴线横向受力时，其横向作用力大小与片簧横向位移量具有沿圆周各向同性。此特性表明螺旋片簧弹性支承是三维纳米测头理想的弹性支承元件。螺旋片簧弹性支承的材料采用硅锰钢60 Si2Mn，其强度高，性能好，该三维纳米测头所产生的应力及应变都较小，其强度完全符合要求[5-6]。考虑到该测头的安装条件，螺旋片簧直径取5 mm。

1.2　测杆及测球结构设计

球形测头能够测定高度、槽宽、孔径和轮廓形状，为通用型测头，所研制的三维纳米测头采用通用型的球形测头。三维纳米测头的测球直径较小，测杆的直径小于测球的直径，测杆和测球应当具有高硬度、耐磨损等性质。选取金属钨作为测杆和测球的材料。其加工工艺采用电火花一体化加工方法。

1.3　测头工作原理

三维纳米测头采用螺旋片簧弹性体支承元件，用溅射加工方式将压阻元件粘贴在螺旋片簧弹性体支承应变敏感区域，利用所建立的测头三维模型，采用有限元软件进行仿真分析，所确定的测头X、Y、Z三个方向测力应变敏感区域如图3所示。当测球触测被测物体时，测力通过测球和测杆传递至弹性体支承，弹性体支承产生相应的变形，从而引起应变敏感区域的压阻元件产生触测信号，完成测头的触发[7]。

2测头系统的优化设计

2.1　正交试验方案

根据纳米测头工作原理可知，影响纳米测头测量灵敏度的主要参数有螺旋片簧弹性体支承中的螺旋圈数、圆片簧直径、簧宽、厚度，测杆直径和长度以及测球直径等。利用文献[8]研究成果和纳米三坐标测量机对测头测杆直径、长度和测球直径的要求，直接选定测杆直径为0.2 mm，测杆长度为4.5 mm，测球直径为0.3 mm。因此可以进行优化的参素主要有螺旋圈数、簧宽和厚度。为了确定这三种影响参素的最佳尺寸组合，利用正交试验法、ANSYS仿真软件进行上述三种参数优化选择，目的是实现在1mN的测力作用下，所设计的测头三维方向的灵敏度均达到较高水平。

正交试验设计是安排多因素多水平，寻求最优水平组合的一种优化实验设计方法。本文设计的优化实验方案选择螺旋圈数(A)、簧宽(B)和厚度(C)作为三个因素，并将簧宽和螺旋圈数之间的交互作用单独作为一个因素。考虑到测头的实际加工情况，本实验中各因素选择2个水平(见表1)，所设计的正交实验方案如表2所示。

表1　正交试验水平

2.2　ANSYS仿真分析

利用ANSYS Workbench模块分析由表1所示的3因素2水平的不同结构尺寸测头系统应变情况。测头和测杆部分材料采用金属钨，其弹性模量E=3.447×1011Pa，泊松比μ=0.28，密度ρ=1.93×104kg/m3；螺旋片簧弹性体支承材料采用硅锰钢60 Si2Mn，其弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3。根据测头工作情况，将弹性体支承外端施加全约束，载荷施加在测球部分，通过仿真分析可得到测头系统的应变云图[9]。分别施加沿X轴Y轴Z轴三个方向，大小为1 mN的测力，其应变情况如图4所示。

纳米测头中测力引起的测球位移可分为横向和Z向两种情况，在XY平面内的位移称为横向，垂直于XY平面的位移为Z向。测头在横向位移中受X向载荷和Y向载荷所产的应变情况具有明显的对称性，因此正交试验的横向位移以受X向测力为例。

1) ANSYS静态分析。纳米测头的测量灵敏度[10]定义为测球所受的载荷使螺旋片簧弹性体支承产生的最大微应变与载荷的比值。下面将分别分析测头横向和Z向的灵敏度，选用等水平正交表L8(27)，沿X轴方向施加1 mN的测力，应用ANSYS软件仿真测头的应变情况，对实验结果(见表2)进行极差法分析，其结果如表3所示；沿Z轴方向施加1 mN的测力的分析结果如表4所示。

表2　横向灵敏度分析方案及结果

表3　横向灵敏度的极差分析及结果

表4　Z向灵敏度的极差分析及结果

从上述横向灵敏度分析可知，各因素对测头灵敏度影响情况是C>B>A>A×B，测头最优组合是A2B1C1。从上述Z向灵敏度分析可知，各因素对测头灵敏度影响情况是C>B>A×B>A，最优组合是A1B1C1。由于螺旋圈数(A)的两水平对横向灵敏度影响的极差值是0.22，对Z向灵敏度影响的极差值是0.08，所以螺旋圈数对横向位移的影响作用较Z向位移影响作用明显，因此螺旋圈数的水平由横向灵敏度确定，选定测头最优组合为A2B1C1，即螺旋圈数为3圈，簧宽为0.3 mm，厚度为0.2 mm。

2) 模态分析。为了确定测头固有频率和振型，对测头进行模态分析。将弹性体支承外端施加全约束，测球不施加任何载荷进行求解[11]，采用空间迭代法提取其前六阶模态频率以及前六阶模态振型(见表5)。测头的各阶固有频率最低为1 291.6 Hz，而纳米测量机的触测速度一般较低，因此很难发生共振现象，满足使用要求。

表5　测头系统固有频率及振型

3) 瞬态动力学分析。为了确定三维测头在瞬态测力作用下的动态响应特性[11]，对所研制的三维测头进行了瞬态动力学分析。在Analysis Settings命令里设置总时间步为5，结束时间为5 ms，对测球施加沿Y轴方向1 mN的测力(F)，作用时间(t)1 ms (见图5)。测头在该测力作用下的响应(H)如图6所示，测球在测力作用下，测头系统在0.1 ms时即可响应，响应幅值2.3 μm，惯性力所产生的振荡幅值误差不超过1 μm，稳定性较好。撤销测力后，测头在0.09 ms即可恢复稳定。由此可知，所研制的测头响应时间短，稳定性好，可以实现高精度实时触发。

3结语

新型接触式三维纳米测头，创新设计了测头的弹性体支承结构，应用片簧圆片刻划阿基米德螺旋槽制成。仿真实验结果表明，设计测头横向测量灵敏度达到13.99 με/mN，Z向测量灵敏度达到5.90 με/mN，测量灵敏度高，但其各向同性有待于进一步研究解决；测头各阶固有频率最低为1 291.6 Hz，不易发生共振；测头承受和脱离瞬态测力时，其响应和稳定时间不超过0.1 ms，具有很好的实时性和稳定性，可以用于纳米三坐标测量机的测量触发。

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(责任编辑：何学华，吴晓红)

Structural Design and Optimization of Three Dimensional Nano-contact Probe

ZHA Xiao-na1，YANG Hong-tao1，FEI Ye-tai2

(1.School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001,China; 2.School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China)

Abstract:A new kind of three dimensional nano-contact probe was introduced in the paper,whose measuring three dimensional strain sensitive element was made of spiral leaf spring elastic and piezoresistive element. The nano-probe structure and its 3D model were designed and established respectively.In order to improve the probe contacting and touching sensitivity, orthogonal experiment method was adopted to design the experiments. The statics and dynamics simulation analysis of the probe was processed by using ANSYS simulation software. The optimization design for the structure of nano probe was done to determine the optimal size of probe and optimal structure of elastic supporting.The static and dynamic characteristics of the developed nano probe were analyzed. The analysis results showed that the measurement sensitivity of the developed probe reaches 13.99 με/mN in transverse direction and 5.90 με/mN in Z direction.The minimum inherent frequency of the probe is 1291.6 Hz and the probe is not easy to resonate. The probe response and stable time are both less than 0.1 ms. The developed probe has good real-time performance and stability, which can be used in the measurement trigger of three coordinate measuring machine.

Key words:nano probe；elatstic support；orthogonal experiment；ANSYS simulation analysis

作者简介：查小娜(1991-)，女，安徽池州人，在读硕士，研究方向：精密测试技术。

基金项目：2014安徽理工大学科研资助项目(ZY1448)

收稿日期：2014-12-17

中图分类号：TH721

文献标志码：A

文章编号：1672-1098(2015)04-0040-05