基于平板扫描器的新型AFM系统

研制了一种基于平板扫描器的新型原子力显微镜(AFM)系统。该系统创新地把二维平板扫描器和一维反馈控制器相结合,有效地克服了传统扫描器Z向反馈控制与XY扫描平面之间的非线性交叉耦合误差,同时保证了大范围扫描时检测光路的稳定性。利用该系统与传统AFM作了氧化铝薄膜和光栅对比扫描实验,结果表明这种AFM系统能够获得无扭曲、规则的理想图像。     

扫描探针显微镜单管式扫描器结构误差的研究

单管式扫描器的结构误差是影响扫描探针显微镜测量精度的主要误差因素之一。本文对单管式扫描器的结构误差,主要包括交叉耦合误差、非正交误差以及扫描器形状误差,进行了实验和理论研究,并提出了一些相应的补偿措施。     

补偿压电陶瓷迟滞和蠕变的逆控制算法

研究了用于扫描探针显微镜,特别是原子力显微镜(AFM)中的扫描器高精度定位问题。压电陶瓷驱动器通常用于这种扫描器中,在无补偿的开环控制期间,它在输入电压和输出位移之间表现出明显的迟滞和蠕变。迟滞和蠕变降低了扫描器的定位精度并使扫描图像出现了畸变。给出了迟滞和蠕变模型及参数的在线辨识方法。在AFM的扫描控制中,使用基于该模型的逆控制算法补偿了压电陶瓷的迟滞和蠕变。在分析中,Preisach迟滞模型和对数蠕变模型被用于描述压电陶瓷驱动器的非线性。由于该方法不需要在控制过程中进行参数设置,因此很容易使用。此外由于是开环控制方法,可以具有更好的分辨率。闭环操作能够给出较好的迟滞和蠕变补偿,但由于在高带宽情况下传感器动态范围的限制,对于小扫描区域或样本特征,它减小了成像的分辨率。三角波轨迹跟踪的仿真结果说明轨迹误差在传感器噪声量级上,证明了这个方法的有效性。     

复合型超精密表面形貌测量仪

研制了基于同一显微镜基体实现原子力探针扫描测量与非接触光学测量两种功能的复合型超精密表面形貌测量仪.分析了基于白光显微干涉原子力探针的测量方法、探针微悬臂变形量与白光干涉条纹移动量的关系以及探针微悬臂测量非线性误差的修正方法,和通过融合垂直扫描系统的位移量和悬臂梁变形量得到了原子力探针的工作方式.研制了三维精密位移系统...     

大范围扫描原子力显微镜自动调平控制技术

为了进一步扩大原子力显微镜(AFM)的应用范围,研制出一套大范围高速AFM系统.该系统采用上、下两个扫描器,上扫描器负责Z方向闭环控制的动态响应,下扫描器负责X、Y方向平面扫描及Z方向补偿控制.针对样品放置倾斜对大范围扫描成像的影响,提出基于多线扫描的样品自动调平控制技术.首先通过多线扫描确定样品倾斜位置,然后将所有扫描点的倾斜位移差用函数式表达,最后将位移差换算为控制电压作为扫描器Z向的前馈控制输入.实验结果表明,能消除样品倾斜对AFM大范围扫描的影响.     

高速大扫描范围原子力显微镜系统的设计

针对目前高速扫描型原子力显微镜(AFM)主要是限于物检测且扫描速度和扫描范围均有待提高,提出了一种高速原子力显微镜结构设计方案。在压电陶瓷致动器驱动的柔性铰链结构式位移台的基础上,构建了AFM大范围扫描器,使原子力显微镜在x-y扫描方向的运动范围达到了100μm×100μm。通过傅里叶频谱分析,计算获得了AFM扫描器常用的三角波驱动信号和正弦波驱动信号的高次谐波特性及其对AFM高速扫描成像的影响程度。为了消除在扫描运动过程中的机械自激振荡,提出了将正弦波信号作为高速扫描的驱动信号,行扫速度达到50line/s。在正弦波驱动的基础上提出了一种基于位置采样的图像获取方法,有效地减小了AFM扫描器的非线性误差造成的图像畸变现象。     

基于压电陶瓷管扫描器的大范围纳米定位系统

提出一种基于压电陶瓷管扫描器的X-Y二雏大范围纳米级定位系统,该系统利用摩擦力和惯性使样品产生步进式的微位移.阐述了该系统的设计和工作原理,并给出了它在原子力显微镜中用于探针一样品间的定位控制的应用实例,取得了理想效果.     

X轴分离式高速原子力显微镜系统设计

为了提高原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)的成像速度,本文提出了一种新的AFM结构设计方案并搭建了相应的实验系统。在该方案中,Y、Z扫描器集成于测头内驱动探针进行慢轴扫描和形貌反馈;X扫描器与测头分离,驱动样品做快轴扫描。X扫描器采用高刚性的独立一维纳米位移台,能够承载尺寸和质量较大的样品高速往复运动而不易发生共振;同时Z扫描器的载荷实现最小化,固有频率得以显著提高。为了避免测头的扫描运动引起检测光束与探针相对位置的偏差,设计了一种随动式光杠杆光路;为了便于装卸探针以及精确调整激光在探针上的反射位置,设计了基于磁力的探针固定装置和相应的光路调节方案。对所搭建的AFM系统的初步测试结果表明,该系统在采用三角波驱动和简单PID控制算法的情况下,可搭载尺寸达数厘米且质量超过10g的较大样品实现13μm×13μm范围50Hz行频的高速成像。     

大范围快速AFM的高速高精度控制系统

针对原子力显微镜难以同时实现快速、高精度、大范围扫描成像的不足,逐渐出现了带两级扫描器的原子力显微镜。基于自行研制的大范围快速原子力显微镜(含两级扫描器),为其设计了一种以DSP_FPGA为核心的高速高精度控制系统。包括DSP和FPGA间数据传输模式和相互配置等关键技术的设计,然后嵌入PI控制器,最后用实验验证了控制系统的有效性。     

原子力显微镜测量高分子纳米材料力学性能探针选择的研究

以高分子单晶为测试样本,主要研究了利用原子力显微镜(AFM)对高分子纳米材料进行力学性能测试时样本的厚度和探针的弹性系数(k)对其测试结果的影响。结果表明测试的样本厚度比较低时测试结果受基底影响较大;在样本确定足够厚度的前提下,探针采用k值过小的探针得到的测试值偏低,采用合适k值的探针才能得到较接近真实值得测试结果。     

Error analysis and regression mode of the V‐grooved sample in the atomic force microscope simulation measurement mode by the molecular mechanics

Based on the molecular mechanics, this study uses the two‐body potential energy function to construct a trapezoidal cantilever nano‐scale simulation measurement model of contact mode atomic force microscopy (AFM) under the constant force mode to simulate the measurement the nano‐scale V‐grooved standard sample. We investigate the error of offset distance of the cross‐section profile when using the probes with different trapezoidal cantilever probe tip radii (9.5, 8.5, and 7.5 Å) to scan the peak of the V‐grooved standard sample being reduced to one‐tenth (1/10) of its size, and use the offset error to inversely find out the regression equation. We analyze how the tip apex as well as the profile of the tip edge oblique angle and the oblique edge angle affects the offset distance. Furthermore, a probe with a larger radius of 9.5 nm is used to simulate and measure the offset error of scan curve, and acquire the regression equation. By the conversion proportion coefficient of size (ω), and revising the size‐reduced regression equation during the small size scale, a revised regression equation of a larger size scale can be acquired. The error is then reduced, further enhancing the accuracy of the AFM scanning and measurement. SCANNING 31: 147–159, 2009. © 2009 Wiley Periodicals, Inc.     

Measuring probe alignment errors on cylindrical coordinate measuring machines

This note describes a method for measuring probe alignment errors on precision cylindrical coordinate measuring machines. Specifically, this method is used to determine the minimum distance between the line of travel of the center of a spherical probe tip and the axis of rotation of a rotary axis. Within the Timken facility, we refer to this error as intersection error [Bryan JB. Private communication; 7 June 1992]. In addition to intersection error, this method determines the position along the probe line of travel at which the center of the probe tip passes nearest to the axis of rotation. This position is commonly referred to as probe offset error. It is used to adjust the probe location such that its radial position is zero where it intersects (or nearly intersects) the axis of rotation. In this way, the probe tip location is datumed to the axis of rotation.     

激光跟踪测量系统跟踪转镜的误差分析

激光跟踪测量系统是目前最新型的便携式空间大尺寸坐标测量系统,可对空间运动目标进行跟踪并实时测量其三维空间坐标,具有精度高、范围大、实时快速等特点。然而,激光跟踪测量系统中跟踪转镜的几何误差严重影响了其测量精度;所以激光跟踪测量系统在使用前必须对其进行建模和误差分析。在全面研究了激光跟踪测量系统结构和工作原理的基础上,建立了系统运动学模型和跟踪转镜中心偏移数学模型。详细分析了系统测量中基点位置变动误差、转镜跟踪目标反射器跟踪误差和转镜反射面与激光束不垂直误差等。结果表明跟踪转镜中心偏移、回转轴不对称、基点位置变动、光束反射点与基点不重合是导致测量误差的主要原因。因此,在跟踪转镜结构设计中,为保证激光束反射点与基点位置重合及转镜旋转跟踪目标反射器时基点空间位置保持不变,应尽量减少跟踪转镜旋转点与镜面之间的距离。     

关节机器人定位精度影响因素分析

通过调查研究找出机器人定位精度的影响因素,进行机器人运动学分析,建立以D-H模型为基础的MDH机器人运动学误差模型,结合已设计完成的机器人,利用SolidWorks软件的公差分析插件分析由零件制造误差、装配误差和关节间隙引起的运动学误差,得出机器人各关节精度偏差的极限值。分析结果得出在运动学因素的影响下,机器人名义位姿与实际位姿之间的误差较大,影响了机器人的定位精度,需进一步对其进行补偿。     

在机测量激光测头位姿的线性标定

针对在机激光扫描测量中激光测头安装位置和姿态引起的测量误差,提出了一种适用于在机激光测量的测头标定方法。构造了在机激光扫描测量原型系统,建立了激光测头随机床运动的测量模型;通过多角度扫描标准球球面拟合球心,给出了一种线性求解测头安装位姿参数的算法,避免了非线性优化求解中的大量计算和不稳定问题。分析了测量过程中机床各个轴的运动误差对测量结果的影响,建立了误差模型,并给出补偿机床系统误差的方法。实验显示,对直径已知的标准球进行测量时,测头在不同摆角测得的标准球直径误差小于0.05 mm,误差补偿后球心位置误差减小了83%。实验结果验证了该标定方法的可行性,以及机床误差对测量精度影响的模型及补偿方法的正确性。     

四轴数控机床误差综合建模原理及分析

详细分析了机床运动副的误差运动，利用基于齐次坐标变换的方法分析并给出了一台既包含移动副又包含转动副的四轴数控机床的误差综合数学模型，此模型中不仅包含了机床的几何误差且包含了热误差共计46个误差元素。本数学模型的建立方法可为其它类型的四轴及各种五轴数控机床的误差综合建模分析及误差补偿提供参考。     

中子谱仪样品台几何误差建模和灵敏度分析

介绍了中子衍射残余应力测试谱仪样品台的结构和基于标准探针的定位测量方法;利用多体运动学和齐次变换矩阵建立了基于标准探针定位测量方法的样品台定位误差模型;最后分别对模型中涉及的42个误差分量进行了定位误差的灵敏度分析。分析结果对中子衍射残余应力测试谱仪样品台的精度设计具有参考作用。     

The geometric dynamic errors of CMMs in fast scanning-probing

Quasi-stiffness model is effective for the compensation of the geometric errors of coordinates measuring machines (CMMs) in slow probing, but degrade the error compensation accuracy due to the generation of dynamic errors in fast probing. It is usually regarded that acceleration is the major origin of dynamic errors; and yet the dynamic effects that rise from the quick fluctuation of geometric errors in fast probing had attracted little attentions. This paper presents a model for the dynamic effects of the geometric errors of CMMs in fast probing, and investigates their properties with experiments. The error model is built with recursive least squares (RLS) identification technique by taking probing acceleration and the 6 geometric errors of X slideway for the inputs while the positioning error of probe tip for output. Then the positioning error of probe tip is decomposed into 7 components corresponding to the 7 inputs. Analyses on the experiments show that the angular errors around Y and Z axes, ε_Y(x) and ε_Z(x), can induce remarkable dynamic effects, especially in a CMM with low stiffness air bearing. Error compensation with RLS identification seems feasible theoretically, but it is not recommendable due to the veracity uncertainty of identification. Nevertheless smoothening the sharp corners of the curves of geometric errors, especially ε_Y ∼ x and ε_Z ∼ x, in terms of probing speed and Y coordinates of probe tip is considered as a simple but effective and reliable method to improve the accuracy of CMMs errors compensation in fast probing.     

基于螺旋理论的卧式加工中心空间误差建模方法及其量化验证

针对现阶段机床空间误差建模过程中存在的繁琐性与非统一性问题，以及现有模型验证策略难以实现量化评价的局限性，以某卧式加工中心为研究对象，提出一套较完善的空间误差建模方法及其验证技术体系。以螺旋理论与串联机构运动学为理论基础，结合机床运动链拓扑分析，推导建立加工中心运动学模型。所提运动学建模方法可以有效避免传统方法中矩阵变换时潜在的奇异性问题，并且有利于简化机构运动学分析。通过系统讨论在不同参考系下定义运动误差对运动学模型的影响，提出名义运动矩阵与运动误差矩阵乘积关系的确定方法及原则，进而在此基础上构建卧式加工中心空间误差模型。为量化验证所建空间误差模型的准确性，提出基于空间矢量欧氏范数的量化验证策略与实施技术。数据对比显示，空间矢量欧氏范数偏差的预测值与实测值较吻合，最大相对误差为15.79%,表明所提空间误差建模方法可行且准确性较高，所提模型量化验证策略具有较好的直观性与有效性。     

一种新颖并联运动坐标测量机的误差建模与仿真

给出了三自由度并联运动坐标测量机的运动学模型,依据全微分理论,导出测头位置误差与各运动副误差及移动副运动误差之间的相互关系,建立了该坐标测量机的误差模型。用计算机对所建误差模型进行了仿真,讨论了机构参数误差对测量结果的影响,为运动校正和控制奠定了基础。