[發明專利]基于原子力顯微鏡在薄壁微小球面加工微納米結構的五軸加工裝置及方法

無效

• 申請號: 201410385541.0
• 申請日: 2014-08-07
• 公開（公告）號: CN104140077A
• 公開（公告）日: 2014-11-12
• 發明（設計）人: 閆永達;趙學森;耿延泉;于博文;胡振江
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B82B3/00
• 分類號: B82B3/00;B82Y40/00
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

1.一種基于原子力顯微鏡在薄壁微小球面加工微納米結構的五軸加工裝置，其特征在于所述裝置包括AFM、二維微調心機構、精密氣浮軸系、二維高精度定位平臺和帶動AFM進行轉動的電動旋轉臺，二維微調心機構與精密氣浮軸系的上端連接，精密氣浮軸系的下端與二維高精度定位平臺連接，二維高精度定位平臺底座固連在AFM的樣品臺上，電動旋轉臺與AFM相連接。

2.根據權利要求1所述的基于原子力顯微鏡在薄壁微小球面加工微納米結構的五軸加工裝置，其特征在于所述二維高精度定位平臺由X方向精密工作臺和Y方向精密工作臺層疊組成，精密氣浮軸系的下端與X方向精密工作臺的滑塊連接，Y方向精密工作臺底座固連在AFM的樣品臺上。

3.根據權利要求2所述的基于原子力顯微鏡在薄壁微小球面加工微納米結構的五軸加工裝置，其特征在于所述X方向精密工作臺與Y方向精密工作臺都是毫米尺度、納米級定位精度的位移臺。

4.一種基于原子力顯微鏡在薄壁微小球面加工微納米結構的五軸加工方法，其特征在于所述方法步驟如下：

一、將被加工微球固定在二維微調心機構上，對被加工微球和精密氣浮軸系進行調心，確定精密氣浮軸系旋轉軸心與被加工微球球心；

二、尋找加工角度，確定AFM探針和精密氣浮軸系回轉中心的相對加工位置；

三、AFM探針在接觸模式下接觸被加工微球，使精密氣浮軸系進行旋轉，在指定環帶上進行加工，完成該環帶的微納米結構；

四、通過控制電動旋轉臺使AFM探針回縮一定距離，改變AFM轉動到另一角度，控制二維高精度定位平臺到相應距離，重復步驟三，進行下一環帶的加工；

五、重復步驟四，直至完成所有環帶的加工。

5.根據權利要求4所述的基于原子力顯微鏡在薄壁微小球面加工微納米結構的五軸加工方法，其特征在于所述步驟一中，調心方法如下：

（1）粗調心：首先將CCD與計算機相連，通過調整CCD，當被加工微球旋轉整周時，能清晰地在屏幕看到被加工微球在視野范圍內；選定一個位置，進入界面后選中被加工微球的輪廓至少3個點，生成被加工微球的輪廓線；然后旋轉精密氣浮軸系角度至180°，利用上述方法同樣提取幾點生成被加工微球輪廓線；利用旋轉前后輪廓及位置確定精密氣浮軸系的回轉中心和被加工微球的半徑，生成精密氣浮軸系旋轉軸線與被加工微球中心軸線重合時球的輪廓并確定回轉中心位置；最后，通過調節二維微調心機構將被加工微球移動到與生成的輪廓線重合位置，粗調心過程完成；

（2）精調心：首先將經過粗調心的精密氣浮軸系置于AFM運動控制部件下方，使AFM探針在四個與二維微調心機構調整旋鈕相同的方向分別逼近表面，通過系統顯示的AFM探針到達被加工微球表面時的豎直坐標，并比較四個豎直坐標的大小，在這兩方向分別用相應旋鈕進行調節，多次調節使對應位置的豎直坐標的差值為5-6微米后，精調心過程結束。

6.根據權利要求4所述的基于原子力顯微鏡在薄壁微小球面加工微納米結構的五軸加工方法，其特征在于所述步驟一中，確定精密氣浮軸系旋轉軸心與被加工微球球心的方法為：根據所需加工環帶的緯度及位置，控制電動旋轉臺帶動AFM轉過相應的角度，控制二維高精度定位平臺移動被加工微球至待加工位置；通過兩次轉動AFM探測頭到兩已知角度，根據AFM軸線方向的伸長距離及關系式，得到電動轉臺轉動軸心與被加工微球球心的水平和豎直距離，通過計算關系式計算得出轉動給定角度對應被加工微球需要移動的距離，從而準確確定AFM探針與精密氣浮軸系回轉中心的位置。