毕业设计（论文）-高温微纳米压痕测试仪设计.doc

本科生毕业设计（论文）设计说明书高温微纳米压痕测试仪设计学生姓名：学 号：班 级：11级机械八班专 业：机械工程及其自动化指导教师：中文摘要纳米压痕技术是一种先进的微尺度力学测试技术，同时也是精密的无损检测方法，有着很广泛的应用。我国纳米压痕的研究工作较国外落后，因此，自主研制的纳米压痕仪在打破国外技术垄断、科研工作中具有重要意义。随着工业和科技的进步，传统的纳米压痕已经不能再满足要求，多物理场下的纳米压痕技术问题亟待解决，本文中的1000下的高温纳米压痕就是其中一种。相比起传统的纳米压痕测试，高温会带来许多棘手的问题，比如：传感器温漂、隔热等等，其中最主要的是温差引起的信号波动。本文首先论述了纳米压痕的研究背景和国内外发展和现状，并且提出了高温带来的一些问题。之后，针对以上提出的部分问题提出了相应的解决方法，经比较得出最终的方案，并对部分重要零部件进行了计算。然后，又对电路控制部分进行了简要说明。最后，本文提出了一些改进方案。关键词：纳米压痕；精密载荷；信号波动；高温压痕 全套图纸加扣3012250582 外文摘要Title the design of High temperature micro/nano indentationorAbstractThe Nanoindentation technique,which is an advanced microscale mechanical testing technology and a precise nondestructive testing methods, has a wide range of applications. The research of Nanoindentation in our country has a gap from abroad, therefore, independence of the Nanoindentation apparatus in breaking foreign technology monopoly and research work is of great significance.With the development of industry, science and technology, the traditional Nanoindentation can no longer meet the requirements.there are lots of technical problems of Nanoindentation in multi-physics field to be solved, the Nanoindentation under 1000 high temperature is one of them. Compared with the traditional Nanoindentation test, high temperature will bring many difficult problems, such as: the thermal drift of sensors, heat insulation, etc.,the signal fluctuation which is caused by the difference in temperature is main of them.This article first discusses the research background of Nanoindentation and the development and current situation both at home and abroad, and puts forward some of the problems of high temperature. After, in view of the above part of the problem,the article puts forward the corresponding solutions to be compared with,and gets the final solution, and some of important parts are caculated.And then,the section of controlling circuits is carried on the brief explanation. Finally, this paper put forward some improvements.Keywords:Nanoindentation; precise load;signal fluctuation;high temperature indentation目 录第一章 前言11.1 纳米压痕技术的特点及研究意义11.2 纳米压痕技术的发展与现状21.3 本文研究内容31.4 高温纳米压痕的关键问题（难点）4第二章 总体方案设计52.1 加热方法的选择52.2 加热装置的选择62.3 微位移产生机构的选择72.4 压入载荷和压入深度的测量方案讨论82.5 探针和试件相对运动的选择92.6 减少传感器温漂的方法92.7 减小由于试件与探头温差的方案10第三章 测试装置总体方案的确定133.1 总体方案133.2 仪器机架133.3 z向移动机构和x向移动机构133.4 绕z方向旋转机构和试件夹具143.5 加热装置153.6 保温箱163.7 纳米压痕测试装置163.8 隔热措施小结17第四章 重要零部件的计算184.1 电机的选择184.2 丝杠的校核214.3 滚动导轨的计算25第五章 电路部分设计285.1 方案设计285.2 硬件介绍295.3 信号流说明31第六章 方案改进和工作展望32致 谢33参 考 文 献34附录1 CATIA截图36附录2 ADuC831引脚功能37第一章 前言1.1 纳米压痕技术的特点及研究意义纳米压入技术是一种先进的微尺度力学测试技术。它通过将探头压入材料表面，从而测出压入载荷和压入深度的大小，通过接触力学等理论基础，得出材料的硬度、模量等的方法。纳米压入技术同时也是一种精密的无损检测，而且有着丰富的材料行为测试种类（硬度、模量、蠕变特性、温度变化特性、粘弹特性、断裂韧度等等）以及极多的材料测试种类（金属、陶瓷、复合材料、高聚物等）1，更重要的是它将在许多方面成为研究纳米尺度下的物理现象的有力工具，加深了人们对纳米尺度下材料行为的认知，具有极高的科研价值。纳米压入技术目前尚不成熟，但是它的科研价值和良好的前途已经显现。相信在不久的将来，纳米压入技术能够成为纳米力学测量的标准！1.1.1 纳米压痕技术的特点纳米压痕技术有着如下特点2：1.样品制备简单：由于微纳米压痕测试是在微纳米尺度下在样品表面上进行的测量，因此对材料的几何形状和尺寸没有特别的要求；2.操作方便：纳米压痕测试是通过测量压入载荷和深度大小，作出载荷深度曲线（以后都简称为P-h图），从而通过P-h图得出材料模量和硬度等丰富的信息，大大简化了测量的人为工作量。与传统的测量方法相比，人们不用再进行寻找压痕位置和测量残余面积的繁琐工作，并且避免了由此产生的诸多误差；3.测量和定位精度高:目前，商业用的纳米压痕仪的载荷和位移的分辨率已经分别达到100nN和1nm水平。同时，工作台的定位精度也到达了微米级，满足测试要求；4.测试内容丰富：P-h图中蕴含了大量的材料力学性质的信息（硬度、模量、蠕变特性、温度变化特性、粘弹特性、断裂韧度等等）；5.适用范围广泛：纳米压痕测试可以适用于多种材料（金属、陶瓷、复合材料、高聚物等）。1.1.2 纳米压痕技术的研究意义1.由于各种材料实际上的工况是很复杂的，往往是多种物理场的复杂耦合。由于人们在多物理场耦合情况下的材料力学性质和微观机理仍有许多不解，因此，多物理场下的纳米压痕测试具有极高的科研价值；2.由于目前在材料使用之前的检测往往是有损的抽样检测，不仅造成了材料的浪费，也造成了一些隐患的存在，而纳米压痕测试是一种精密的无损检测，可以随用随测，有效地避免了上述问题。除此之外，由于其检测内容丰富，可以同时检测出大量的材料性质，大大减少了工作量和工作难度；3.我国相对于国外起步较晚，目前技术也较为落后，且尚无自主研发的商业化产品，这就使得从国外购买仪器价格昂贵、耗时较长。而且存在核心技术垄断问题，就阻碍了仪器升级和模块化，从而阻碍了我国相关领域的科研进展。4.纳米压痕技术的成熟就会意味着纳米力学测量标准的统一3。1.2 纳米压痕技术的发展与现状1.2.1 纳米压痕技术的发展与现状在1961年，英国学者Tabor和Stillwell提出了通过压入的弹性恢复来测定材料力学性质的方法4；之后，在1975年俄国的Bulychev开创了利用P-h曲线卸载部分测量接触面积的方法5。从此，纳米压痕技术有了理论上的雏形和基础。之后，在1992年美国的Oliver和Pharr提出利用试验得到的P-h曲线中卸载曲线的顶端斜率（接触刚度）得出硬度和弹性模量的计算方法6，该方法是当今最流行的计算方法，奠定了纳米压痕技术的理论基础。随后，在2004年瑞士的R.Rabe和J.Mickler设计了一套可以放置于 SEM 下的微纳米压痕/刻划测试装置，该装置可以对一些材料的微观物理行为进行原位观测，从而使人们更加理解这些材料物理行为的微观尺度下的机理。目前，国外有很多厂家可以生产商品化的纳米压痕仪。比如美国的MTS公司7（现 Agilent 公司）和Hysitron公司8，瑞士的CSM公司9，英国的MML公司10以及澳大利亚的CSIRO公司11等等（各厂家产品实物图如图1.1所示）。现今的纳米压痕仪不仅可以实现测针原位扫描成像，还可以进行多种工作模式的切换，正在向更高的精度和更广的量程以及更加复杂的多物理场方向不断迈进。我国在纳米压痕技术上起步较晚。我国近些年也有一些学者进行过纳米压痕技术的相关研究，比如中国科学院力学研究所研究员张泰华2和西安交通大学的院士蒋庄德12以及清华大学院士温诗铸13都进行过相关研究。但这些都是依赖国外的商品化的仪器，很少有对自主开发产品的研究，因此，我国的相关研究在一定程度上受限。 a)美国MTS公司产品 b)美国Hysitron公司产品 c)瑞士CSM公司产品 d)英国MML公司产品e)澳大利亚CSIRO公司产品图1.1 国外各公司的商业化产品1.2.2 高温纳米压痕技术的发展与现状由于某些材料实际上是在高温的环境下下进行工作的，而高温下材料的力学性质的检测就成为了一个工业难题。同时，材料在高温下的微观尺度上的力学行为和机理也是具有很高的科研价值。因此，高温下的纳米压痕技术亟需发展成熟。在1995年Poisl，Oliver和Fabes通过把一台商业纳米压痕仪放在可控温度的房间并且增加室温至3234来测试非晶硒的力学性质引入了变温纳米压痕的概念。两年后，铃木和大村开发了第一台高温纳米压痕工具，它可以用于高达600的快速纳米压痕。14之后，还有许多的团队或公司制造了高温纳米压痕仪，而且最高测试温度被不断突破。目前，最高温度大约是120014。但是，温度的提升就会带来传感器温漂，以及探头和试件的温差带来的测量数据波动（有人算出，对典型的测试仪器1K的热波动会导致将近100nm多的的人为位移漂移，几乎是实际位移的十几倍15），以及材料氧化层等问题。温度越高，带来的问题就越多，也越难解决。突破最高测试温度并且保证一定的测试精度仍是现在亟需解决的难题。1.3 本文研究内容本文是高温纳米压痕仪的设计方案以及相关计算。第一章简单介绍纳米压痕仪的特点、研究意义及其发展与现状，并且说明本次设计的基本内容和关键问题；第二章将进行方案论证，根据仪器某些部分实现的功能拟定一些子方案，并且将它们作比较，选最优的作为最终方案；第三章将详细介绍本次设计的各个细节，包括该方案的结构设计以及工作原理等等；在第四章，本文将进行部分重要零部件的计算、选型以及校核；第五章将会对该方案的电路部分设计做较为详细的阐述。本次设计的参数如下：高温纳米压痕仪的温度变化范围是0-1000，其温度波动是1；最大压入深度是200m，位移噪音背景为100nm；压入载荷的范围是0-100N，其分辨率为20mN；该仪器是4060规格的圆柱试件在空气氛围中进行试验的。1.4 高温纳米压痕的关键问题（难点）1.由于该仪器具有多种功能：试件表面取点、位移和载荷控制与测量、以及温度测量以及控制等。多种功能的结合，可能会使得各功能之间产生一定的干扰，使得仪器的集合性成为较为棘手的难题，因此像隔热问题以及信息抗干扰问题显得极为重要；2.由于实验是在高温场下进行的，因此高温会带来测试结果的诸多误差。首先，较高温度会引起力和位移传感器的温漂，这直接会影响到测量数据的精度；其次，更严重的是，如果试件表面和探针之间存在温差，该温差会在探针和试件表面第一次接触之后产生热流动，探针端部的热膨胀以及接触区端部的样品热收缩最终会导致载荷和位移信号的波动，这些波动会产生比测量结果还要大十倍以上的误差。即使在样品表面和探针接触之后，也仍存在测量误差产生的源头。因此，在高温下进行的纳米压痕测量必须保证温度稳定而且探针和试件温差尽可能地小，使得测量仪器的温漂减到最低；3.由于工作环境是空气氛围下的高温，因此样品表面层的氧化问题是不能避免的。由于纳米压痕测量的位移范围很小，而且纳米压痕测试精度很高，即使试件表面的氧化层很薄，也会对实验结果产生巨大影响，使得后期的数据解释工作变得复杂。而且对于不同材料，其产生氧化层的温度以及氧化层性质等也不同，这无疑加大了测试工作的难度，使得测试的适用性受到一定的限制。对于这个问题，我们可以采取一些特殊的修正方法来减小误差。一种方法是引进一层抗氧化层；比如说，Volinsky等人进行了有关130的铜膜的纳米压痕研究，一个薄铂层镀在了铜层上面来防止表面氧化。铂层的附加不会影响铜层力学性质的测量因为铂层的厚度大体上小于压痕深度15。本文主要以第一和第二个问题展开讨论，提出相应的解决方案。第二章 总体方案设计 高温纳米压痕仪的功能较多（温度测试与控制、载荷与位移的测试与控制等），关键问题也较多（传感器温漂、试件与探针温差等），本章重点讨论各功能的实现方案以及一些关键问题的解决方法。由于对于同一功能（或关键问题）的实现方法（或解决方法）不止一个，本文将根据它们的特点来进行比较，选出最优方案。本次选用方案的基本原则是：在满足基本功能和精度的前提下，方案尽可能经济、简单；在满足人身安全、使用方便和测试精度等要求的基础下，方案尽可能使用人控，从而减少系统的复杂性以及空间体积。2.1 加热方法的选择加热器是一种常用的加热器件，它可靠性高，寿命长，加热功率高，使得它的适用性广泛。尤其是它控制温度精度高，可以连接控制芯片、计算机甚至网络，人机交互性强，操作方便，是各种测试仪器的首选。按照原理，加热器可以分为以下三类：162.1.1 电磁加热：1.电磁加热原理：电磁加热是一种利用电磁感应现象将电能转化为热能的加热方法。高频高压的交流电流流过线圈后会产生高速变化的交变磁场，当含铁容器放置在上面时，在容器底部会有涡流产生，涡流使得铁原子摩擦和碰撞，从而产生大量的热量。2.电磁加热优点：(1)加热安全性和可靠性高，使用寿命长且维护简单；(2)加热功率大且热转化率极高，因此十分节能；(3)由于加热时，加热器对外耗散很小，因此即使加热温度很高，但装置对于环境温度的影响极小；(4)加热快，温度控制准。3.应用领域：电磁加热不仅可以提升产品的品质，还能够提高生产效率减少能源损耗降低成本，因此，它可以代替传统火焰加热和电阻加热，在机械、建筑、表面热处理、焊接、纺织等领域均有广泛应用。2.1.2 红外线加热1.红外线加热原理：红外线加热是靠电磁波来传递能量的。当红外线照射到被加热物体表面时，有一部分红外线会被物体吸收，一部分会被反射，剩下的部分会穿透物体。当发射的红外线波长等于物体吸收的红外线的波长时，被加热物体内部分子或原子会发生共振，使它们振动和旋转，从而产生大量热量。2.红外线加热优点：(1)由于红外线加热的加热方式是热辐射，因此不需要传递介质，热效率良好；(2)由于红外线具有穿透力，可以同时加热物体表面和内部，受热均匀；(3)可以使用红外线加热进行物体的局部加热，节省能源；(4)红外线加热清洁环保，而且设施安装维修方便，同时能提供安全舒适的作业环境；(5)升温迅速，温度易控。3.红外线加热缺点：由于红外线吸收能力较弱，不能直接加热物体。在加热前，要根据被加热物体的要求选择合适的辐射元件，并涂上不同的选择性辐射涂层材料，使得被测物体的材料种类受到一定限制，并增加了一些繁琐的工作量。4.红外线加热应用领域：该技术在木材、油漆、塑料、皮革以及纺织品等制品或物料的干燥、整形等加工中广泛应用。2.1.3 电阻加热1.电阻加热原理：电阻加热利用电流的热效应将电能转化为热能进行加热。2.电阻加热的特点：热转化率高但耗能大，因此电阻加热效率低下，已经在多种场合被电磁加热代替。综上所述，由于电磁加热的方法安全可靠，效率高，适用性广而且升温快，易于控温。所以本仪器将使用电磁加热的方法来对测试环境加热。2.2 加热装置的选择在上文已经确定利用电磁加热的方法来对测试环境进行加热。下面进行加热设施的选择。加热装置大致有两种：现成的加热腔和组装加热腔。在总体设计中，不可能将一起其他部分均放在加热装置内部进行加热，因为仪器中大部分的零部件都不能够耐高温。因此只需要把探针和试件放在加热空间中即可。由于在测试中，探针或试件经常进行直线运动，而加热装置也不可能跟随它们一起运动，只能固定。因此，加热装置的顶部或者底部要开一个较大的豁口，如果使用现成的加热腔改造，很有可能造成加热腔损坏，必须订制。由于定制加热腔价格昂贵，而且生产周期长，因此本文不讨论这种办法。本仪器中使用的加热腔是组装加热腔，它分为两部分：加热元件（可以测温和控温）和保温罩。加热元件这里使用的是电磁加热圈，如图2.1所示（说明：图中物品仅仅是示例，并非实际物体，仪器中的加热圈需要在功率、尺寸以及形状等方面订做）。该电磁加热圈中安装有温度传感器，可以随时监测加热温度，并且与电磁加热控制器相连，从而可以设定和控制加热温度。保温罩使用高温隔热保温材料制成（如专利号200310105767.2所述材料）或耐热钢（如3Cr18Ni25Si2、3Cr18Mn12Si2N等）上涂上高温隔热材料（如MascoatWeatherbloc-IC系列中的1600隔热涂瓷）。 图2.1 电磁加热圈及其控制箱示例2.3 微位移产生机构的选择由于在测试过程中，探针的压入深度往往在微纳米数量级中，因此纳米压痕仪必须具有一个微位移产生机构。常用的微位移机构有：丝杠螺母机构、杠杆机构、楔块机构、扭簧机构、弯曲弹簧机构、横向压缩弹簧机构、弹簧减压机构、弹簧膜片机构、电致伸缩机构、电热伸缩筒、磁致伸缩机构、压电机构以及电磁驱动机构等等。172.3.1 电热式微位移机构181.分类：电热伸缩棒和电热伸缩筒2.原理：物体的热膨胀3.优点：操作方便，结构简单；4.缺点：(1)由热交换所产生的微位移误差不可避免；(2)由于热惯性不可避免，因此微位移的响应速度受到影响，因此不宜用于行程长、频率高的场合。2.3.2 磁致伸缩式微位移机构191.原理：某些磁铁物质，在磁场的作用下，会产生体积和长度的变化，将磁能转化为了机械能；2.优点：结构简单，重复性好，工作稳定，响应快；3.缺点：机构在磁场作用下会产生一定的热量，影响了微位移的精度；2.3.3 电致伸缩式微位移机构20所有电介质在电场中会产生正比于场强二次方大小的应变，这就是电致伸缩现象，但由于电致伸缩的变化及其微弱，而且线性度差，控制性就相对于压电来说较差。因此在一般的微位移机构中，很少使用电致伸缩驱动。2.3.4 杠杆微位移机构杠杆机构是机械中常用的位移放大和缩小的机构。输入点和输出点的竖直方向上的位移大小和它们与支点的距离成正比。因此，调节支点、输入点或输出点的位置，可以改变输入位移和输出位移之间的比值大小。2.3.5 压电元件式微位移机构21这里利用了压电材料的逆压电性质工作的。即在压电材料的极化方向上施加电场时，这些材料将会产生微小的位移。由于压电材料的微位移大小只需要通过改变加在其上的电压大小就可以产生，因此往往该机构操作方便且尺寸小、结构简单。除此之外，压电元件还具有节能、分辨率高且抗干扰性强、便于操控且反应速度快等特点，使得该机构成为了微位移产生的很好的选择。2.3.6 柔性铰链微位移机构22柔性铰链是一种结构简单、形状较为规则的弹性支承，是经常被采用的机械式微位移产生机构。它经常使用压电元件驱动，并通过杠杆机构将压电元件产生的微位移再次缩小，从而实现微小位移。该机构的特点是：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏性高且抗干扰性强。综上所述，本文使用压电叠堆柔性铰链机构，从而可以又快（响应快）又准（分辨率高）又稳（抗干扰性强）地产生测试所需的微小位移（纳米级别）。2.4 压入载荷和压入深度的测量方案讨论纳米压痕测试的关键就是提取信息量丰富的P-h曲线，再从中获取我们想要的如硬度、模量、韧性等等材料的物理性质的信息。因此，提取的P-h曲线的准确度直接影响了测试结果的准确性，压入载荷与压入深度的测量方案至关重要。有关压力传感器和位移传感器类型的选择将在第五章说明，这里只是讨论它们的布置方案。总共有以下两种布置方案：2.4.1 力传感器和位移传感器分别测量：如图2.2所示，压电叠堆（3）驱动柔性铰链（4）产生微位移，与此同时，电容式位移传感器（2、6）用来测量压入深度，压电式力传感器（5）用来测压入载荷。由于电容式位移传感器的高精度和高线性度只是在很小的间距范围内才能够保证，所以螺旋微调仪（1）需要随时对电容间距作出调整，以保证测量的精度。但是电容式位移传感器直接测量的是压电式力传感器下部的位移，要转化为压入深度，就必须考虑冷却环节和探针的弹性变形。但由于这两部分刚度很高，而且载荷较小（不超过5N），因此这两部分弹性变形所引起的误差可以忽略不计。因此，电容式位移传感器测量的就是压入深度大小。6543211螺旋微调仪；2电容式位移传感器主体；3压电叠堆；4柔性铰链；5压电式力传感器；6电容式位移传感器下板图2.2 布置方案一2.4.2 利用有自检测功能的压电叠堆控制其形变（位移）的大小相对于上述的方案一来说，方案二减少了电容式传感器以及螺旋微调仪。相对于方案一来说，结构明显简单，体积明显减少，人机交互性明显增强（不用再人为调控传感器精度了），在小仪器以及大仪器的压痕模块中，应优选该方案。但是由于在压电叠堆的形变向压入深度的换算过程中，除了要考虑方案一中的因素以外，还需考虑压电叠堆以及力传感器的弹性变形。为了解决这个问题，必须推出一套修正理论，在此过程中，需要进行一定量的实验。在仪器使用之前，还需要利用方案一中的方法对仪器进行调试，这些无疑增加了较多的额外工作量，同时误差也可能会比方案一略高一点。综上所述，我采用方案二所述的方法。虽然方案二会带来一些额外工作，但是这些仅仅是仪器使用之前的调试工作，对于每一台仪器来说，这些工作量是值得的，方案二的优势还是很明显的。2.5 探针和试件相对运动的选择为了排除试验中的偶然性并提高实验结果的准确性，我们往往会在试件表面上的不同点上进行重复的足够量的实验，因此我们需要选择探针和试件表面之间的相对运动形式，使得在换测试点的位置过程中，操作简单、方便。为了方便说明，我们把垂直于测试表面的方向称为z向，并将该表面上与柔性铰链基准平面平行的方向称为x向，与之垂直的方向称为y向。为了使得试件的拆装以及探针与试件表面z向距离宏观调控方便，它们之间的z方向上的相对运动应为直线。下面我们来讨论探针和试件在测试表面上的两种相对运动方案：1.x向y向型：类似于平面上的直角坐标系形式，探针和试件的x向和y向相对运动均为直线，需要两组丝杠螺母副以及配套的电机和导轨就可实现。2.x向绕z旋转型：类似于平面上的极坐标形式，探针和试件的x向相对运动为直线，而另一方向为绕z轴旋转的方向，需要一组丝杠螺母副及其配套的电机与导轨、一个电动机就可以分别实现。本文选用第二种方案。因为方案二有直线和圆两种取点轨迹，而方案一只有一种（虽然通过编程可以实现多种取点模式，但程序复杂度两种方案有很大差距），况且直线取点轨迹在较大尺度下才会得到足够多的点，显示出优势。方案二的导轨也比方案一少，减少了仪器空间，简化了仪器结构并降低了成本。最重要的是，由于试件是放在加热器腔内进行加热的，方案二由于具有旋转自由度，在加热时可利用它来保证加热均匀，从而降低测量误差。 2.6 减少传感器温漂的方法由于测试环境是高温，探头的温度也基本等于环境温度，但是力传感器是在加热器之外，处于室温，由于热传导作用，力传感器的温度会上升，从而造成很大的温漂，影响测试结果。因此，为了减少温漂，有如下两种措施：第一，必须尽量减少从探头传来的热量；第二，必须尽量使得传感器处于其工作温度范围内。根据第一种措施，探头与力传感器之间必须具有一个隔热的中间环节；根据第二种措施，探头和力传感器之间必须有一个冷却环节。因此，最终方案是：探头依次连接一个隔热的棒状零件，一个冷却环节，最终再连接力传感器。这些连接均采用螺纹连接，并涂有隔热材料。下面对冷却环节的冷却方法进行选择：首先，电子制冷（又称半导体制冷）、吸收式制冷以及压缩式制冷是人们常用的制冷方式，但是由于结构比较复杂且体积较大成本高，而且热量经过隔热环节已经减少很多，这样做无非小题大做。水循环吸热方法简单，成本也比较低，但也需要额外的设施（电控部分、泵等），本文也不采取。本文将采取水浴冷却的方法进行制冷，在热量传递路线中只需加入一个小水箱，该水箱中有冰水混合物，使得水箱温度稳定在0附近。由于一般的力传感器都能在该温度下正常工作，而且我们也可以通过观察冰的有无来确定温度是否稳定在该值，并且可以适时加入冰块使温度稳定。这样做既减小了以其结构的复杂性，也减小了该环节的体积，并把成本降到最低，而且方便易行。2.7 减小由于试件与探头温差的方案在上文中已经提及，探头和试件的温差带来的测量数据波动会带来比测试结果大十几倍的误差，减小由于试件与探头温差是高温纳米压痕仪所要解决的的关键问题，有如下三种方案：2.7.1 方案一：由于探头和试件之间的温差产生了热流，从而产生了不必要的巨大的人为误差，因此要想从根本上解决问题，唯一的方法是消除温差。消除温差就应该使得探头端部和试件表面温度相同。最直接的办法就是在一般的装置上加一个加热装置，该加热装置将试件和传感器以及探头全部封装在内。等到一段比较长的加热时间以后，试件和探头温度相同时（由温度传感器决定），就可以开始测试。但是该方法等待时间过长，不适合频繁使用，更不能使用在变温测试中。因此，有一种改进方法，图2.3所示：23图2.3 方案一示意图该装置是Micro Materials Ltd.公司温度控制模块。通过电阻加热元件和测温热电偶，使得试件和探头温差为零。大大缩短了测试等待时间，提高了测试效率。由于电磁加热加热速度快而且节能可靠，所以在高温下，应把该装置的加热电阻元件改为电磁加热装置。2.7.2方案二：为了能够缩短加热等待时间，应该能够在有温差的情况下就进行测试，所以相应的措施就是改进现有的传感器，改进测试系统布局以及设计出一套消除误差的算法，从而可以在实际测试结果基础上进行修正。装置示意图如图2.4：图2.4 方案二示意图其中，1加热箱以及隔热层，它是固定的，将整个装置包含在一个封闭的变温环境中，其加热温度可以由温度传感器来测量。2力传感器，该力传感器可以沿Z轴运动。该传感器的探头是用隔热材料制作，可以减少由于温差造成的温漂。传感器外壳使用高刚度材料制成，内部敏感元件是用恒弹性材料制成。24这样，就可以将力学信号转化为与之线性对应的位移变形信号，且该信号不受温度变化的影响。3试件，它固定在载物台（4）上。4载物台，它固定在压电驱动系统和柔性铰链（5）上。5压电驱动系统和柔性铰链，用来连接移动平台（7）以及载物台（4）上。6位移传感器，它用于测量载物台（4）的位移，从而可以计算出压入深度。由于热变形造成的误差可以通过大量实验得到修正算法。7移动平台（7）可以沿X、Y轴运动。8辅助位移传感器。可以测量试件（3）上表面的位置变化，其中的热变形也可以用大量实验来消除。和位移传感器（6）配合使用就可以得到更准确的压入深度测量值。该方案的力传感器可以在任何变温情况下使用，而且探头隔热可以减少热流对精度的影响，因此测量比较精准。而且位移传感器可以通过实验来消除掉实际误差。所以，该装置可以在有温差的情形下使用，大大缩短了测试时间。但是由于该方案所需要进行的实验较多，而且工程量和理论量较大，所以在短时间内难以完成。2.7.3方案三：由于纳米压痕技术是要通过精确测量压入深度和载荷，但是由于温度不同的探头和试件表面发生接触造成测量误差。所以方案三使用气体压头（喷出集中的高压气体）直接作用在试件上。实验过程中的力可以用放在试件和载物台下的精密力传感器来测量，压力等于实验过程中测量压力以及空载压力的差值。实验过程中的压入深度可以用精密的原位扫描系统进行全局或者局部扫描，深度可以用实验过程中试件表面图像以及空载时试件表面的图像的差值表示（该计算过程可以用Matlab实现）。在该方案中，载物台以及试件、力传感器等全部在加热装置腔中，来尽量消除温差，同时气体探头应该加热为测量环境温度。由于气体导热快，因此大大减少了加热时间。同时，位移测量装置是原位测量，因此可以忽略表面质量的影响且测量精确。综上所述，从实验的可行性来说，方案一方案二方案三（方案三的气体压头不好实现）；从工作量角度来讲，方案二方案三方案一；从理论难度来讲，方案二方案三方案一（方案二的修正算法太多）。因此我的方案是方案一，通过用电磁加热装置来同时加热试件和探针。第三章 测试装置总体方案的确定 由上一章所述，本文已经选定了最终方案，下面，本文将简单介绍最终方案的总体结构并说明工作机理，之后将逐一地详细介绍各部分的设计方案。3.1 总体方案如图3.1所示，该仪器大致由八个部分组成：仪器机架（8）、z向移动机构（1）、x向移动机构（7）、绕z方向旋转机构（6）、试件夹具（5）、加热装置（3）、保温箱（4）、纳米压痕测试装置（2）。3.2 仪器机架仪器机架是用大理石制作的，强度高且防震性好，它分为底座部分和立座部分，两部分通过螺钉连接。底座厚度较厚，是为了将整台仪器的重心降低，使得仪器放置更加稳定。3.3 z向移动机构和x向移动机构z向移动机构可以实现纳米压痕测试装置探针的z向位置宏观调控，而x向移动机构可以实现试件的x向直线运动。在此，以z向移动机构为例说明，如图3.2所示。该直线运动机构是由步进电机驱动的、由滚珠丝杠螺母副和滚动直线导轨滑块副实现直线运动的。滚珠丝杠由固定支座固定，并通过联轴器与电动机相连。电动机带动滚珠丝杠旋转时，与之相连的螺母通过与之法兰连接的螺母连接块带动移动平台做直线运动。876543211z向移动机构；2纳米压痕测试装置；3加热装置；4保温箱；5试件夹具；6绕z方向旋转机构；7x向移动机构；8仪器机架图3.1 纳米压痕仪最终方案总体结构图786543211步进电机；2电机法兰；3丝杠固定侧支座组件以及联轴器；4丝杠-螺母副；5螺母连接块；6导轨座；7导轨滑块副；8移动平台图3.2 z向移动机构3.4 绕z方向旋转机构和试件夹具543211试件夹具；2套筒；3深沟球轴承；4x向移动平台；5步进电机图3.3绕z方向旋转机构 如图3.3所示，该机构中，步进电机（5）通过键直接带动试件夹具（1）绕z轴旋转，从而带动试件做相同的运动。为了保证探头和试件表面安装的垂直度，应使用两个深沟球轴承固定该夹具（夹具体是轴状的）。X向移动平台的作用有三个：一是作为步进电机的连接法兰；二是作为该轴系结构的端盖，对轴承作轴向定位；三是带动整个机构x向移动。该机构的x向移动平台是x向移动机构的一度分，而套筒（2）直接与保温箱活动箱底法兰连接，夹具处于保温箱腔内，而其装夹的试件处于加热腔内。整个试件夹具体涂有隔热材料。下面说明夹具的结构，其结构如图3.4所示：1试件；2卸荷块；3锥销；4夹具体图3.4 夹具结构示意图从图中可以知道：试件（1）和夹具体通过螺纹连接，且其下端面通过卸荷块（2）上表面定位。如果没有卸荷块，在试件旋紧时其下端面会和夹具体定位表面产生较大压力，使得试件的拆卸工作困难，因此卸荷块的作用是定位和卸掉拆卸试件时的压力，保证拆卸方便。具体拆卸方法是：拔掉锥销（3），使得卸荷块掉在及具体腔下表面，卸去压力，再拆卸试件。3.5 加热装置1在上一章中可知，本文采用了电磁加热的方式，采用的加热装置是电磁加热圈，该装置还可以测量环境温度。654321上隔热板；2隔热罩；3定位块；4定位钉；5电磁加热圈；6加热器支架图3.5 加热装置如图3.5所示，电磁加热圈（5）由上隔热板和两个隔热罩（2）包围，以减少热量向外耗散的损失，改善工作环境。两个隔热罩的耳部由定位块（3）卡住并用销连接固定，其中，隔热罩的作用有二：一是起到隔热作用；二是起到加热装置夹持作用。而定位块的作用也是两个：保证两个隔热罩的连接与定位，并与加热器支架槽形成一个直线移动副，可以使得加热线圈上下移动，方便试件的装拆。试件替换方法是：先将拿着定位钉端部将加热圈向上抬，到了支架槽顶部时，通过隔热罩耳部的滑槽移动定位钉，使之搭在支架凸台上。冷却之后取下试件，再换上新的试件，再滑动定位钉，拿着定位钉，将加热装置放在最低位置。3.6 保温箱3211保温箱箱体；2保温箱箱门；3保温箱滑动箱底图3.6 保温箱如图3.6所示，保温箱主要由箱体（1）、箱门（2）以及滑动箱底（3）组成。保温箱箱体和大理石立座直接螺钉连接，而滑动箱底和绕z方向旋转机构的轴套直接法兰连接。由于探针只进行z向直线运动，所以箱体顶部只开一个比探针绝热连接杆直径略大的孔。因为试件除了做绕Z方向的转动以外，还做x方向的直线移动，所以保温箱箱底开一个跑道形（一个正方形和两个半圆组成的形状）通槽。由于该槽较大，所以需要一个可以挡住该槽的结构，减少热损失，并减少箱体外其他结构的受热。保温箱滑动箱底就是这样的结构，它用隔温材料制成。滑动箱底和箱体用燕尾槽导轨相连，且其中间的孔和夹具体对应位置间隙配合，以减少从该孔耗散的热损失，同时，它随着夹具的x向移动而做相同运动，从而减少由于箱体箱底开槽而产生的热损耗。 3.7 纳米压痕测试装置76543211柔性铰链；2自检测式压电叠堆；3隔热连接杆；4楔形调整结构；5压电式力传感器；6冷却环节；7探针图3.7 纳米压痕测试装置这是纳米压痕仪的核心结构。本装置通过压电驱动柔性铰链（1）产生微位移，分别通过压电叠堆的自检测功能和压电式力传感器（5）获得压入深度和压入载荷的大小。柔性铰链的作用有两个：1.产生与与压电叠堆轴心同轴的位移和载荷；保护压电叠堆，使之不受拉力（压电叠堆不能受拉）。由于柔性铰链加工精度的影响，为使得压电叠堆和柔性铰链较好地安装并且保证压电叠堆受拉，应该加上楔形调整机构（4）。但是由于该仪器是要在高温这样特殊的环境下进行纳米压痕测试，如上文所述，该装置应该有隔热环节（即图3.7中的隔热连接杆（3）和冷却环节，以减少由于热传递产生的力传感器温漂。冷却环节由冷却连接杆和水箱组成，连接杆和压电式力传感器螺纹连接，水箱用两个圆螺母在连接杆上定位，并用水封做好密封措施。水箱中有适量的冰水混合物，可以根据冰量多少加入适量冰块，来保证力传感器能保持在其正常工作温度范围内（0左右）。隔热连接杆用隔热材料制成，和探头与冷却连接杆均是螺纹连接。3.8 隔热措施小结上文中多处提到了各部分的隔热以及冷却方法。如果热量处理不好，就会引起传感器温漂和信号波动，更严重的是，过多的热量泄漏会导致保温箱外其他零部件的失效。这里总结一下各个部分的隔热措施：首先，对于热对流，热量由电磁加热圈产生，电磁加热本来对外热耗散小，由隔热材料制成的隔热罩和上隔热板进一步阻止了热量的耗散，保温箱阻止了热量对外扩散，具体措施不再赘述。此外，热量还会通过固体传递，共有两条路线：一个是通过探头传递的，另一个是通过试件传递给夹具，再传到外部。具体方法就是采取隔热材料制造零件或某些零件进行隔热涂层处理，对于纳米压痕测试装置还有一个冷却装置。而热辐射基本可以忽略不计，本文没有相应的隔热措施。第四章 重要零部件的计算本装置x、z方向移动机构使用的是滚珠丝杠螺母副，在本章只对滚珠丝杠、滚动导轨以及电机进行选型和校核。4.1 电机的选择254.1.1 z向伺服电机的选择1.已知参数：工作速度：v=1m/s500m/s，丝杠导程ph=1mm，压痕最大测试压力为5N。丝杠选择的型号为：BGFCP0801L145。2.丝杠转速计算：即：丝杠转速范围是0.06,30r/min。3.丝杠所需扭矩（T）计算：由于纳米压痕测试装置在z向移动机构上，最大压力为5N；且z向移动导轨是竖直放置的。因此，丝杠最大轴向负荷为：从CATIA中可以测得：运送体积V=186.42310-6m3，按照=7.9103kg/m3计算，运送质量m=V=7.9103186.42310-6=1.473kg。因此：Famax=1.4739.8+5+1.4730.510-3/2=19.436N。取安全系数为2，则丝杠安全计算轴向负荷为：Fa=2Famax=38.872N根据下式可以计算出丝杠所需扭矩T：下面，计算进给丝杠的正效率1（如图4.1所示）：图4.1 正效率表导程角的计算如下：查图可知：1=79.5%(按=0.01查知)，则丝杠所需扭矩T：4.电机选型这里采用伺服电动机，各种型号电机参数如表4-1所示。因此，最终方案选用40型A伺服电机。其输出功率为30w，额定转矩为0.1Nm，最高转速为5000r/min。很明显，nmax=30r/min5000r/min，T=0.007782Nm0.1Nm符合要求。下面计算装置运行时最大功率：综上所述，40型A伺服电机完全满足仪器的使用要求。表4-1 各种型号伺服电机参数型号输出功率/W额定转速/（r/min）最高转速/（r/min）额定转矩/（Nm）转子惯量/(kgm2)40型A30300050000.11.510-6B500.163.010-6C1000.324.110-657型A200300036000.640.1710-4B4001.270.3010-4C6001.910.4410-476型A500300036001.590.1410-4B7502.390.2610-4C10003.180.3810-495型A500300036001.591.2310-4B7502.392.2610-4C10003.183.6910-4D12003.824.3110-4123型A1100300036003.57.2010-4B15004.789.2010-4C22007.013.210-4D30009.5517.210-4E400012.725.210-44.1.2 x向步进电机的选择1.已知参数：试件工作速度：每一次在1s内前进50m5000m，丝杠导程ph=5mm，轴向不受力。丝杠型号为：BGNTP2005L180B4。2.丝杠转速计算：即：丝杠转速范围是0.6,60r/mi3.丝杠所需扭矩（T）计算： 由于x向移动机构是水平放置的，因此，丝杠最大轴向负荷为：利用CATIA软件可以计算得出：运送体积V=2.34210-3m3，按照=7.9103kg/m3计算，运送质量m=V=2.34210-37.9103=18.502kg，因此（按导轨=0.1,ta=2s计算）：Famax=0.118.5029.8+18.502510-3/2=18.178N。取安全系数为2，则丝杠安全计算轴向负荷为：Fa=2Famax=36.356N根据式(4-3)计算导程角：查图4.1，按照=0.01可知：1=87%。根据式(4-2)计算丝杠所需扭矩T：4.电机选型：这里采用步进电动机，各种型号电机参数如表4-2所示。因此，最终方案选用86-118步进电机。其额定转矩为8.5Nm，步距角1.8，相数为4。很明显，T=0.033254Nm8.5Nm符合要求。下面计算装置运行时的通电频率：每通一次电，x向移动距离为：s=1.8/3605=2510-3mm=25m,故通电频率f的范围是2,200Hz综上所述，86-118步进电机完全满足仪器的使用要求。表4-2 各种型号步进电机参数型号相数步距角/（）转子惯量/(g/cm2)保持转矩/(Nm)额定转矩/(Nm)35-2621.8120.070.139-3421.8200.080.1242-3421.8380.150.242-4821.8820.250.457-4121.81350.220.457-5421.82600.380.857-5521.82600.40.957-7621.84600.71.386-6541.88000.83.586-8041.811001.34.586-9141.812001.03.886-9421.813001.52.286-11841.828002.58.5 4.2 丝杠的校核26由于两丝杠校核方法一样，这里只以z向丝杠为例进行校核：1.丝杠精度由于丝杠轴向所受外力大小为5N，且定位要求很高，因此，选用直径小、高精度和小导程的丝杠。丝杠型号为BGFCP0801L145，所选的精度为C3。2.丝杠的固定方式丝杠的固定方式为一端固定一端自由。3.容许轴向载荷：丝杠轴挫曲载荷、丝杠拉压载荷的计算方法分别如公式(4-5)、(4-6)所示：计算安装间距：la=最大行程+丝杠螺母长度+保险余量=60+17+15=92mmP1大于5N，丝杠不会发生锉曲。P2大于5N，丝杠满足容许拉压载荷。4.丝杠的容许转速计算：丝杠的危险转速如式(4-7)所示：DN值计算：钢球中心直径D=8.25mm，由于N2nmax=30r/min，所选丝杠满足要求。5.丝杠轴向载荷的计算：（1）静态安全系数的计算：计算方法如式(4-8)所示，其中，C0a=820N故：，符合使用要求（2）工作寿命计算：计算方法式(4-9)所示，其中，Ca=490N因此：（3）工作寿命时间：如式(4-10)，工作寿命时间为： 表4-3 静态安全系数fs 表4-4 负荷系数fw振动、冲击速度（V）fw微小微速 V0.25m/s11.2小低速 0.25V1m/s1.21.5中中速 12m/s23.5使用机械负荷条件Fs的下限一般工业机械无振动或冲击时11.3有振动或冲击时23工具机无振动或冲击时11.5有振动或冲击时2.57（4）运行距离寿命：6.刚性计算当安装方法是固定-支撑（或自由）时，丝杠轴的轴向刚性曲线如图4.2所示：图4.2 丝杠轴的轴向刚性曲线计算可知：因此符合使用要求。7.丝杠的扭转强度校核（1）旋转转矩：在上文已经算出：T=7.782Nmm（2）丝杠轴端钢度计算：（d=4.5mm）滚珠丝杠轴轴端有扭曲负荷作用时，有：符合使用要求。4.3 滚