[發(fā)明專利]基于隧道電流反饋瞄準的小盲孔測量方法及測量裝置

無效

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• 申請日: 2010-03-10
• 公開（公告）號: CN101776434A
• 公開（公告）日: 2010-07-14
• 發(fā)明（設計）人: 黃大剛;王寶光;張恒;方勇純;張玉東
• 申請（專利權(quán)）人: 南開大學
• 主分類號: G01B7/12
• 分類號: G01B7/12;G01B7/28;G01B7/30;G01B7/34
• 代理公司: 天津佳盟知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

【技術(shù)領(lǐng)域】：

本發(fā)明屬于計量測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及對小孔徑深盲孔孔徑、圓度、錐度、直線度和表 面粗糙度的測量。

【背景技術(shù)】：

在計量測試領(lǐng)域中，對孔徑小于1mm的深孔進行高精度無損測量一直是精密測量技 術(shù)中的難題之一。其難點表現(xiàn)在以下三方面①孔徑太小，現(xiàn)有傳統(tǒng)幾何量測試用接觸或非 接觸式傳感器無法進入孔內(nèi)；②采用光纖進入孔內(nèi)，無法實現(xiàn)精密瞄準；③測量參數(shù)復雜， 包括若干宏觀的形狀參數(shù)和微觀的表面粗糙度。常規(guī)商品化圓度儀受傳感器結(jié)構(gòu)和尺寸的 限制，無法測量深小孔。

現(xiàn)有的非接觸測量技術(shù)主要有光學測量法、氣動測量法、電容測量法和光纖測量法。 對于非接觸檢測小直徑深孔，有一些新方法和專利技術(shù)，但是都存在一定的局限性，例如：

“微孔自動測量方法及裝置”【申請?zhí)枺?2137742.1】，該方法使用顯微物鏡和CCD采 集顯微圖像，通過圖像處理技術(shù)測量小孔參數(shù)，其缺點是只能測量薄片形狀零件上的小孔。

“細長小孔超精密自動測量系統(tǒng)研究及其精度分析”【劉篤喜，柴艷波，朱名銓，液壓 與氣動，8(2007)：50-52】，采用氣動測量方法，可以測量孔徑、圓度、圓柱度等參數(shù)，測 量精度達到0.5μm，其缺點是只能測量通孔，無法測量盲孔。

“電容傳感微小孔徑測量方法”【孫長庫，王小兵，劉斌，鄭義忠，納米技術(shù)與精密工 程，4，2(2006)：103-106】，該方法可以測量直徑1.5mm以上小孔的直徑、錐度、直線度， 其缺點有兩點①是無法測量圓度和表面粗糙度，②電容式由于其非接觸面積的平均效應， 所測得的直線度、錐度誤差較大。

“一種光纖式數(shù)字塞規(guī)儀的設計”【楊秀華，趙世平，廖俊必，中國測試技術(shù)，3，2(2004)： 4-16】，該方法可以測量直徑、圓度、錐度，精度達到0.1μm，其缺點是成本高，操作復雜， 無法測量直線度和表面粗糙度。因此，現(xiàn)有技術(shù)不能對小孔徑深盲孔進行全面測量。

【發(fā)明內(nèi)容】：

本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于隧道電流反饋瞄準的小盲 孔測量方法及測量裝置。

本發(fā)明為一種針對小孔徑深盲孔的高精度非接觸測量技術(shù)，測量內(nèi)容包括：非接觸測 量瞄準定位，對小孔徑深盲孔的直徑、圓度、錐度、直線度等宏觀參數(shù)以及表面粗糙度進 行測量，并可以顯示待測表面的微觀三維表面。

本發(fā)明提供的基于隧道電流反饋瞄準的小孔徑深盲孔測量方法的步驟如下：

第1、將隧道電流反饋探針夾持器固定在電動回轉(zhuǎn)臺上，該電動回轉(zhuǎn)臺用x向和y向 電動平移臺支撐，x向和y向電動平移臺通過支架由掃描隧道顯微鏡的三個電動升降柱支 撐；

第2、標定探針針尖位置隨回轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系后，將待測零件固定在掃描隧道顯微鏡 的三維壓電平移臺上；

第3、將隧道電流反饋探針插入待測零件的小孔徑深盲孔中，分別通過對第一步所述 的三個電動升降柱、xy電動平移臺、電動回轉(zhuǎn)臺以及第二步所述的三維壓電平移臺的調(diào) 整，實現(xiàn)對隧道電流反饋探針的3維姿態(tài)調(diào)整和3維平移調(diào)節(jié)；當隧道電流反饋探針針尖 靠近待測表面，使所述針尖與待測表面上最接近的原子之間的距離接近1nm時，產(chǎn)生明 顯的隧道電流，將隧道電流控制在1nA以下，此時所述針尖的坐標即可作為待測表面上對 應該測量點的坐標；

第4、重復上述第三步操作，即可得到所需各測量點的坐標值；

第5、根據(jù)測量要求，通過對第四步得到的各測量點的坐標值的分析計算，就能夠計 算出待測零件的小孔徑深盲孔的孔徑、圓度、錐度、直線度以及表面粗糙度。

在以上所述的隧道電流反饋探針的調(diào)整中，對水平面內(nèi)任一方向的調(diào)整步驟如下：

第3.1、首先讓三維壓電平移臺沿指定方向正向移動，當三維壓電平移臺沿該方向調(diào) 節(jié)到滿行程時，仍然沒有檢測到隧道電流，則隧道電流反饋探針沒有找到待測表面，則反 向調(diào)節(jié)三維壓電平移臺到最小位置；

第3.2、用xy電動平移臺正向平移隧道電流反饋探針，移動量即步長為接近三維壓 電平移臺的最大行程，再用三維壓電平移臺繼續(xù)正向搜索待測表面，這樣，兩個同方向的 平移臺交替工作直至檢測到隧道電流，即找到待測表面，實現(xiàn)納米級分辨率的定位。

第4步各測量點的確定方法如下：

第4.1、將待測零件的小孔徑深盲孔沿徑向分成6個扇面，沿軸向分成5-10個深度， 進行分組測量；