微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置制造方法
【專利摘要】微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置，涉及一種微構(gòu)件力學(xué)性能測(cè)試裝置。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)微米尺度構(gòu)件的力學(xué)性能靜態(tài)參量測(cè)量及疲勞特性的探究。X-Y二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)置在大理石隔振平臺(tái)上面，且X-Y二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的Y向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)置在X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上面，所述的微拉伸測(cè)試系統(tǒng)安裝在Y向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上面，所述的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)安裝在大理石橫梁前側(cè)面上，所述的大理石橫梁的兩端各通過一個(gè)所述的大理石立柱支撐，且兩個(gè)大理石立柱的下端固定在大理石隔振平臺(tái)上面，所述的原位觀測(cè)系統(tǒng)安裝在動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的豎直高精度電移臺(tái)上。本發(fā)明用于微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試。
【專利說明】微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微構(gòu)件力學(xué)性能測(cè)試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]慣導(dǎo)系統(tǒng)高彈性合金微構(gòu)件在地面加載測(cè)試中極易斷裂失效，慣性傳感器中微構(gòu)件的特征尺寸大致在亞微米到毫米的范圍內(nèi)。當(dāng)細(xì)微到微米/納米尺度后，由于尺寸效應(yīng)，微構(gòu)件材料本身的物理性質(zhì)及其受環(huán)境影響的程度等都會(huì)發(fā)生很大改變，其力學(xué)特性以及所受體積力和表面力的相對(duì)關(guān)系等也會(huì)發(fā)生顯著的變化。宏觀條件下材料的力學(xué)性能參數(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足MEMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，而由微小試件帶來的一系列等技術(shù)問題使得傳統(tǒng)的測(cè)試方法和裝置也已不再適用。
[0003]近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來越重視微構(gòu)件材料力學(xué)性能的研究，提出了一些新的測(cè)試方法和測(cè)試裝置。但是，各種方法測(cè)得的數(shù)據(jù)分散性較大，甚至連最基礎(chǔ)的彈性模量都沒有一個(gè)一致公認(rèn)的結(jié)果。在微構(gòu)件設(shè)計(jì)和進(jìn)行可靠性分析時(shí)，由于缺乏有關(guān)微構(gòu)件材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，目前還沒有建立起一個(gè)有效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，導(dǎo)致成品率低，可靠性差，這嚴(yán)重阻礙了 MEMS的發(fā)展。
[0004]微構(gòu)件的力學(xué)性能測(cè)試分為靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試兩大類。靜態(tài)特性測(cè)試是測(cè)量微構(gòu)件在靜止?fàn)顟B(tài)的特性參數(shù)，常用的方法包括單軸拉伸法、納米壓痕法、鼓膜法、微梁彎曲法和襯底曲率法等。其中，最常用的方法是單軸拉伸法，微拉伸實(shí)驗(yàn)是測(cè)量微米級(jí)材料彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度最直接的方法，拉伸實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)容易解釋，測(cè)試結(jié)果比彎曲實(shí)驗(yàn)可靠。動(dòng)態(tài)特性測(cè)試則是采用激勵(lì)裝置對(duì)器件施加特定激勵(lì)信號(hào)，使器件運(yùn)動(dòng)起來，在器件運(yùn)動(dòng)過程中，測(cè)量處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的器件的動(dòng)態(tài)特性變化。動(dòng)態(tài)特性決定了微構(gòu)件的基本性能，可以反映出微構(gòu)件的材料屬性、三維微運(yùn)動(dòng)情況、可靠性、機(jī)械力學(xué)參數(shù)、器件失效模式以及失效機(jī)理等關(guān)鍵問題。
[0005]但是由于試樣尺寸微小，無論是在靜態(tài)測(cè)試還是動(dòng)態(tài)測(cè)試中，微構(gòu)件的對(duì)中、裝夾、微位移驅(qū)動(dòng)以及微小載荷和微位移的測(cè)量等一系列技術(shù)難題使得傳統(tǒng)的測(cè)試方法和裝置也已不再適用。目前測(cè)試裝置還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而且大部分測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，所需儀器都很昂貴，測(cè)試數(shù)據(jù)分散性很大。如何最大限度的減少測(cè)試誤差，保證獲得精確一致的測(cè)試結(jié)果，提高測(cè)試效率，使測(cè)試數(shù)據(jù)能夠迅速加以處理而進(jìn)行反饋監(jiān)控或直接應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，這些問題對(duì)科研人員來說是亟待突破的難關(guān)也是挑戰(zhàn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前微構(gòu)件力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)的缺點(diǎn)與不足，提供一種針對(duì)高彈性合金微構(gòu)件的綜合力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微米尺度構(gòu)件的力學(xué)性能靜態(tài)參量測(cè)量及疲勞特性的探究。
[0007]本發(fā)明解決上述問題采取的技術(shù)方案是:
本發(fā)明的微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置，它包括原位觀測(cè)系統(tǒng)、微拉伸測(cè)試系統(tǒng)、輔助機(jī)械系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)；所述的機(jī)械輔助系統(tǒng)包括X-Y 二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、大理石隔振平臺(tái)、大理石橫梁和兩個(gè)大理石立柱，所述的X-Y 二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)置在大理石隔振平臺(tái)上面，且X-Y 二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的Y向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)置在X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上面，所述的微拉伸測(cè)試系統(tǒng)安裝在Y向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上面，所述的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)安裝在大理石橫梁前側(cè)面上，所述的大理石橫梁的兩端各通過一個(gè)所述的大理石立柱支撐，且兩個(gè)大理石立柱的下端固定在大理石隔振平臺(tái)上面，所述的原位觀測(cè)系統(tǒng)安裝在動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的豎直高精度電移臺(tái)上。
[0008]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是:本發(fā)明將動(dòng)態(tài)測(cè)試與靜態(tài)測(cè)試結(jié)合起來，通過動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)微構(gòu)件的高頻疲勞激振，采用半閉環(huán)的控制方案實(shí)現(xiàn)金剛石壓頭在豎直方向的位置精確控制，極大的提高了對(duì)中的準(zhǔn)確性。通過微拉伸測(cè)試系統(tǒng)對(duì)微構(gòu)件進(jìn)行原位拉伸測(cè)試，在原位觀測(cè)系統(tǒng)的輔助下，實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜載物臺(tái)的對(duì)中，微構(gòu)件加持可靠；采用高精度的力傳感器器(精度5mN)，實(shí)現(xiàn)載荷的精確測(cè)量(精度可達(dá)5mN);采用高精度光柵檢測(cè)試件的微位移，分辨率高(分辨率為5nm)，便于安裝調(diào)試。該裝置不僅實(shí)現(xiàn)靜態(tài)參量的測(cè)量，如彈性模量、屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度的測(cè)量，而且還能實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻疲勞特性的探究，如疲勞強(qiáng)度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置的測(cè)試原理示意圖，圖中丨箭頭所示方向?yàn)榻蛔冚d荷方向，""箭頭所示方向?yàn)槔燧d荷方向；
圖2是本發(fā)明的微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置總體裝配圖；
圖3是圖1中的微拉伸系統(tǒng)裝配圖；
圖4是圖3中的微拉伸系統(tǒng)的水平精密驅(qū)動(dòng)單元裝配圖；
圖5是圖3的A處局部放大圖；
圖6是圖1中的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的豎直精密驅(qū)動(dòng)單元裝配圖；
圖7是圖1的B處局部放大圖。
[0010]上述圖中涉及到的部件名稱及標(biāo)號(hào)分別為:
原位觀測(cè)系統(tǒng)1、CCD相機(jī)1-1、夾具1-2、變倍縮放鏡頭1-3、微拉伸測(cè)試系統(tǒng)2、水平精密驅(qū)動(dòng)單元2-1、第一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)2-1-1、第一預(yù)緊螺釘2-1-2、第一壓電陶瓷2-1-3、第一墊片2-1-4、鋼珠2-1-5、第一安裝孔2-1-6、微力傳感器2_2、水平直線光柵測(cè)量裝置2_3、光柵尺讀數(shù)頭安裝架2-3-1、讀數(shù)頭2-3-2、光柵尺2-3-3、水平高精度電移臺(tái)2_4、左載物平臺(tái)2-4-1、右載物平臺(tái)2-4-2、絲杠螺母副2-4-3、L形底座2_4_4、支撐座2_4_5、步進(jìn)電機(jī)2-4-6、左滑塊2-4-7、右滑塊2-4-8、導(dǎo)軌2_4_9、水平載物臺(tái)2_5、動(dòng)載物臺(tái)2_5_1、靜載物臺(tái)
2-5-2、力傳感器固定塊2-6、固定件2-7、輔助機(jī)械系統(tǒng)3、Y向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)3_1、X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)
3-2、大理石隔振平臺(tái)3-3、大理石立柱3-4、大理石橫梁3-5、動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)4、豎直高精度電移臺(tái)4-1、豎直精密驅(qū)動(dòng)單元4-2、第二預(yù)緊螺釘4-2-1、第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)4-2-2、第二安裝孔4-2-3、豎直直線光柵測(cè)量裝置4-2-4、金剛石壓頭4-2-5、第二壓電陶瓷4-2-6、第二墊片
4-2-7、微構(gòu)件5。
【具體實(shí)施方式】
[0011]【具體實(shí)施方式】一:如圖2、圖7所示，微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置，它包括原位觀測(cè)系統(tǒng)1、微拉伸測(cè)試系統(tǒng)2、輔助機(jī)械系統(tǒng)3和動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)4 ;所述的機(jī)械輔助系統(tǒng)3包括X-Y 二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、大理石隔振平臺(tái)3-3、大理石橫梁3-5和兩個(gè)大理石立柱3-4，所述的X-Y 二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)置在大理石隔振平臺(tái)3-3上面，且X-Y 二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的Y向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)
3-1設(shè)置在X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)3-2上面，所述的微拉伸測(cè)試系統(tǒng)2安裝在Y向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)3-1上面，所述的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)4安裝在大理石橫梁3-5前側(cè)面上，所述的大理石橫梁3-5的兩端各通過一個(gè)所述的大理石立柱3-4支撐，且兩個(gè)大理石立柱3-4的下端固定在大理石隔振平臺(tái)3-3上面，所述的原位觀測(cè)系統(tǒng)I安裝在動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)4的豎直高精度電移臺(tái)4-1上。
[0012]【具體實(shí)施方式】二:如圖2、圖3及圖5所示，【具體實(shí)施方式】一所述的微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置，所述的微拉伸測(cè)試系統(tǒng)2包括水平精密驅(qū)動(dòng)單元2-1、微力傳感器2-2、水平直線光柵測(cè)量裝置2-3、水平高精度電移臺(tái)2-4、水平載物臺(tái)2-5、力傳感器固定塊2-6、兩個(gè)固定件2-7，所述的水平高精度電移臺(tái)2-4包括左載物平臺(tái)2-4-1、右載物平臺(tái)2-4-2、絲杠螺母副2-4-3、L形底座2-4-4、支撐座2_4_5、步進(jìn)電機(jī)2_4_6、四個(gè)左滑塊2_4_7、四個(gè)右滑塊2-4-8、兩根導(dǎo)軌2-4-9，所述的水平載物臺(tái)2-5包括動(dòng)載物臺(tái)2_5_1和靜載物臺(tái)2-5-2，所述的水平直線光柵測(cè)量裝置2-3包括光柵尺讀數(shù)頭安裝架2-3-1、讀數(shù)頭2_3_2和光柵尺2-3-3，
所述的L形底座2-4-4的長(zhǎng)板水平且沿X向設(shè)置，所述的兩根導(dǎo)軌2-4-9平行于L形底座2-4-4的長(zhǎng)邊并固定在L形底座2-4-4的長(zhǎng)板上；所述的左載物平臺(tái)2_4_1和右載物平臺(tái)2-4-2左右并列設(shè)置，所述的水平精密驅(qū)動(dòng)單元2-1固定在右載物平臺(tái)2-4-2上表面，所述的動(dòng)載物臺(tái)2-5-1與水平精密驅(qū)動(dòng)單元2-1的左側(cè)面固定連接，所述的靜載物臺(tái)2-5-2與動(dòng)載物臺(tái)2-5-1相鄰且相對(duì)應(yīng)設(shè)置，靜載物臺(tái)2-5-2與動(dòng)載物臺(tái)2-5-1的上表面對(duì)應(yīng)位置分別加工有一用于固定微構(gòu)件5的定位槽，利用微細(xì)銑削技術(shù)，加工出定位槽；所述的靜載物臺(tái)2-5-2、微力傳感器2-2及力傳感器固定塊2-6由右至左依次設(shè)置在左載物平臺(tái)2-4-1的上表面，且靜載物臺(tái)2-5-2與微力傳感器2-2固定連接，微力傳感器2_2與力傳感器固定塊2-6固定連接，力傳感器固定塊2-6與左載物平臺(tái)2-4-1的上表面固定連接，所述的光柵尺2-3-3安裝在水平精密驅(qū)動(dòng)單元2-1的前側(cè)面或后側(cè)面上，右載物平臺(tái)2-4-2上與光柵尺2-3-3位于同側(cè)的側(cè)面上固定有讀數(shù)頭安裝架13，所述的度數(shù)頭15與光柵尺2-3-3相對(duì)設(shè)置并固定在讀數(shù)頭安裝架13上；所述的右載物平臺(tái)2-4-2的下表面與絲杠螺母副2-4-3的螺母固定連接，絲杠螺母副2-4-3的絲杠一端與支撐座2-4-5轉(zhuǎn)動(dòng)連接，絲杠螺母副2-4-3的絲杠另一端與L形底座2-4-4的短板轉(zhuǎn)動(dòng)連接，支撐座2_4_5與L形底座2-4-4的長(zhǎng)板固定連接，右載物平臺(tái)2-4-2的下表面與呈矩形設(shè)置的四個(gè)右滑塊2-4-8固定連接，四個(gè)右滑塊2-4-8與兩根導(dǎo)軌2-4-9滑動(dòng)連接，進(jìn)行導(dǎo)向，所述的步進(jìn)電機(jī)2-4-6固定于L形底座2_4_4的短板上，步進(jìn)電機(jī)2_4_6驅(qū)動(dòng)絲杠螺母副2_4_3運(yùn)動(dòng)；左載物平臺(tái)2-4-1的下表面與呈矩形設(shè)置的四個(gè)左滑塊2-4-7固定連接，四個(gè)左滑塊2-4-7設(shè)置在兩根導(dǎo)軌2-4-9上，設(shè)置在同一根導(dǎo)軌2-4-9上的兩個(gè)左滑塊2-4-7之間安裝有一與導(dǎo)軌2-4-9固定連接的固定件2-7，工作中左載物平臺(tái)2-4-1相對(duì)導(dǎo)軌2_4_9固定不動(dòng)，右載物平臺(tái)2-4-2相對(duì)導(dǎo)軌2-4-9進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。所述的微力傳感器2-2為商用傳感器，微力傳感器2-2型號(hào)是GS0-1000-T。水平精密驅(qū)動(dòng)單元2-1不僅可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單拉伸位移的驅(qū)動(dòng)，而且可以實(shí)現(xiàn)微構(gòu)件的一定頻率的疲勞加載。
[0013]【具體實(shí)施方式】三:如圖3、圖4所示，【具體實(shí)施方式】二所述的微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置，所述的水平精密驅(qū)動(dòng)單元2-1包括第一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)2-1-1、第一預(yù)緊螺釘2-1-2、第一壓電陶瓷2-1-3、兩個(gè)第一墊片2-1-4、兩個(gè)鋼珠2-1-5、三個(gè)第一安裝孔2-1-6，所述的第一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)2-1-1中部設(shè)有第一凹槽，所述的第一壓電陶瓷2-1-3設(shè)置于第一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)2-1-1的第一凹槽內(nèi)，第一壓電陶瓷2-1-3兩端分別通過鋼珠2-1-5、第一墊片2-1-4與第一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)2-1-1的第一凹槽內(nèi)壁相接觸，第一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)2-1-1上設(shè)有三個(gè)用于與右載物平臺(tái)2-4-2固定連接的第一安裝孔2-1-6，第一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)
2-1-1的右端面加工有第一螺紋孔，所述的第一預(yù)緊螺釘2-1-2與第一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)2-1-1的第一螺紋孔螺紋連接，第一預(yù)緊螺釘2-1-2通過第一墊片2-1-4及鋼珠2-1-5預(yù)壓緊第一壓電陶瓷2-1-3。
[0014]【具體實(shí)施方式】四:如圖2所示，【具體實(shí)施方式】二所述的微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置，所述的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)4包括豎直高精度電移臺(tái)4-1和豎直精密驅(qū)動(dòng)單元4-2，所述的豎直精密驅(qū)動(dòng)單元4-2安裝在豎直高精度電移臺(tái)4-1的載物臺(tái)上。豎直高精度電移臺(tái)4-1為外購(gòu)部件，型號(hào)為卓立漢光KSA050-13-X。
[0015]【具體實(shí)施方式】五:如圖2、圖3及圖6所示，【具體實(shí)施方式】四所述的微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置，所述的豎直精密驅(qū)動(dòng)單元4-2包括第二預(yù)緊螺釘4-2-1、第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)4-2-2、豎直直線光柵測(cè)量裝置4-2-4、金剛石壓頭4-2-5、第二壓電陶瓷4-2-6、兩個(gè)第二墊片4-2-7、多個(gè)第二安裝孔4-2-3 ；
所述的第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)4-2-2中部設(shè)有第二凹槽，所述的第二壓電陶瓷4-2-6設(shè)置于第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)4-2-2的第二凹槽內(nèi)，第二壓電陶瓷4-2-6兩端各安裝一個(gè)第二墊片
4-2-7，第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)4-2-2的上端面加工有第二螺紋孔，所述的第二預(yù)緊螺釘4-2-1與第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)4-2-2的第二螺紋孔螺紋連接，第二壓電陶瓷4-2-6通過第二預(yù)緊螺釘4-2-1進(jìn)行預(yù)緊，所述的豎直直線光柵測(cè)量裝置4-2-4安裝在第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)4-2-2的正面，第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)4-2-2的下端面安裝有金剛石壓頭4-2-5，金剛石壓頭4-2-5的頭端豎直并朝下設(shè)置，工作時(shí)，金剛石壓頭4-2-5的頭端與所述的微構(gòu)件5上表面接觸；所述的第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)4-2-2上設(shè)有用于與所述的豎直高精度電移臺(tái)4-1的載物臺(tái)固定連接的多個(gè)第二安裝孔4-2-3，第二安裝孔4-2-3內(nèi)穿入螺釘，通過螺釘與豎直高精度電移臺(tái)
4-1的載物臺(tái)固定連接。金剛石壓頭4-2-5的對(duì)中及原位觀測(cè)是原位觀測(cè)系統(tǒng)I通過X-Y二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)4的豎直高精度電移臺(tái)4-1的配合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。豎直直線光柵測(cè)量裝置4-2-4與水平直線光柵測(cè)量裝置2-3結(jié)構(gòu)相同，豎直直線光柵測(cè)量裝置4-2-4中的各構(gòu)件的安裝位置根據(jù)需要確定，為現(xiàn)有技術(shù)。
[0016]【具體實(shí)施方式】六:如圖2所示，【具體實(shí)施方式】一所述的微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置，所述的原位觀測(cè)系統(tǒng)I包括CXD相機(jī)1-1、夾具1-2和變倍縮放鏡頭1-3，所述的CXD相機(jī)1-1與變倍縮放鏡頭1-3由上至下設(shè)置且連接在一起，CXD相機(jī)1-1與變倍縮放鏡頭
1-3整體通過夾具1-2豎直安裝在動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)4的豎直高精度電移臺(tái)4-1的載物臺(tái)上。
[0017]下面具體結(jié)合圖廣圖7具體說明:本整套微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置放置在大理石隔振平臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境潔凈、恒溫。首先打開控制系統(tǒng)總電源，壓電陶瓷控制電源預(yù)熱30分鐘。再利用圖像采集系統(tǒng)的輔助，調(diào)整動(dòng)、靜載物臺(tái)的位置，使其標(biāo)記中心重合。然后，用鑷子將微細(xì)銑削工藝加工的微構(gòu)件取出，用膠粘在動(dòng)、靜載物臺(tái)的定位槽中。
[0018]動(dòng)態(tài)測(cè)試前，標(biāo)定好樣件(微構(gòu)件)中心與CXD相機(jī)視場(chǎng)中心刻線的位置，通過X-Y二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，使金剛石壓頭與樣件中心在X-Y方向重合，再利用動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的豎直高精度電移臺(tái)在豎直方向上執(zhí)行大行程的進(jìn)給，當(dāng)金剛石壓頭接近目標(biāo)位置時(shí)，利用壓電陶瓷進(jìn)行微進(jìn)給。當(dāng)微力傳感器有電壓信號(hào)輸出時(shí)，說明金剛石壓頭剛接觸到樣件上表面，此時(shí)立即停止微進(jìn)給，豎直方向進(jìn)給完成。通過測(cè)試軟件對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行控制，豎直精密驅(qū)動(dòng)單元帶動(dòng)金剛石壓頭對(duì)樣件進(jìn)行高頻載荷的激勵(lì)，測(cè)試過程中力信號(hào)及電信號(hào)分別通過微力傳感器和水平直線光柵測(cè)量裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。疲勞循環(huán)達(dá)到預(yù)定周次的時(shí)候，動(dòng)態(tài)測(cè)試完成。再通過X-Y二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的豎直高精度電移臺(tái)，將CCD相機(jī)視場(chǎng)中心刻線與樣件中心重合，在原位觀測(cè)系統(tǒng)的輔助下進(jìn)行微拉伸測(cè)試。利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器控制微拉伸測(cè)試系統(tǒng)的水平精密驅(qū)動(dòng)單元，對(duì)樣件進(jìn)行拉伸，直至樣件拉斷。記錄測(cè)試數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最后用丙酮溶液浸潤(rùn)被拉斷的樣件，5分鐘后用鑷子將樣件取下。測(cè)試過程結(jié)束。
[0019]本發(fā)明的微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置對(duì)微構(gòu)件直接進(jìn)行微拉伸測(cè)試，測(cè)量試件的靜態(tài)力學(xué)性能。
【權(quán)利要求】
1.一種微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征是:它包括原位觀測(cè)系統(tǒng)(I)、微拉伸測(cè)試系統(tǒng)(2)、輔助機(jī)械系統(tǒng)(3)和動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)(4);所述的機(jī)械輔助系統(tǒng)(3)包括X-Y 二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、大理石隔振平臺(tái)(3-3)、大理石橫梁(3-5)和兩個(gè)大理石立柱(3-4)，所述的X-Y 二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)置在大理石隔振平臺(tái)(3-3)上面，且X-Y 二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的Y向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(3-1)設(shè)置在X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(3-2)上面，所述的微拉伸測(cè)試系統(tǒng)(2)安裝在Y向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(3-1)上面，所述的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)(4)安裝在大理石橫梁(3-5)前側(cè)面上，所述的大理石橫梁(3-5 )的兩端各通過一個(gè)所述的大理石立柱(3-4)支撐，且兩個(gè)大理石立柱(3-4)的下端固定在大理石隔振平臺(tái)(3-3)上面，所述的原位觀測(cè)系統(tǒng)(I)安裝在動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)(4)的豎直高精度電移臺(tái)(4-1)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征是:所述的微拉伸測(cè)試系統(tǒng)(2)包括水平精密驅(qū)動(dòng)單元(2-1)、微力傳感器(2-2)、水平直線光柵測(cè)量裝置(2-3)、水平高精度電移臺(tái)(2-4)、水平載物臺(tái)(2-5)、力傳感器固定塊(2-6)、兩個(gè)固定件(2-7)，所述的水平高精度電移臺(tái)(2-4)包括左載物平臺(tái)(2-4-1)、右載物平臺(tái)(2-4-2)、絲杠螺母副(2-4-3)、L形底座(2-4-4)、支撐座(2-4-5)、步進(jìn)電機(jī)(2-4-6)、四個(gè)左滑塊(2-4-7)、四個(gè)右滑塊(2-4-8)、 兩根導(dǎo)軌(2-4-9)，所述的水平載物臺(tái)(2-5)包括動(dòng)載物臺(tái)(2-5-1)和靜載物臺(tái)(2-5-2)，所述的水平直線光柵測(cè)量裝置(2-3)包括光柵尺讀數(shù)頭安裝架(2-3-1)、讀數(shù)頭(2-3-2)和光柵尺(2-3-3)，所述的L形底座(2-4-4)的長(zhǎng)板水平且沿X向設(shè)置，所述的兩根導(dǎo)軌(2-4-9)平行于L形底座(2-4-4)的長(zhǎng)邊并固定在L形底座(2-4-4)的長(zhǎng)板上；所述的左載物平臺(tái)(2-4-1)和右載物平臺(tái)(2-4-2)左右并列設(shè)置，所述的水平精密驅(qū)動(dòng)單元(2-1)固定在右載物平臺(tái)(2-4-2)上表面，所述的動(dòng)載物臺(tái)(2-5-1)與水平精密驅(qū)動(dòng)單元(2-1)的左側(cè)面固定連接，所述的靜載物臺(tái)(2-5-2)與動(dòng)載物臺(tái)(2-5-1)相鄰且相對(duì)應(yīng)設(shè)置，靜載物臺(tái)(2-5-2)與動(dòng)載物臺(tái)(2-5-1)的上表面對(duì)應(yīng)位置分別加工有一用于固定微構(gòu)件(5)的定位槽；所述的靜載物臺(tái)(2-5-2)、微力傳感器(2-2)及力傳感器固定塊(2-6)由右至左依次設(shè)置在左載物平臺(tái)(2-4-1)的上表面，且靜載物臺(tái)(2-5-2)與微力傳感器(2-2)固定連接，微力傳感器(2-2)與力傳感器固定塊(2-6)固定連接，力傳感器固定塊(2-6)與左載物平臺(tái)(2-4-1)的上表面固定連接，所述的光柵尺(2-3-3)安裝在水平精密驅(qū)動(dòng)單元(2-1)的前側(cè)面或后側(cè)面上，右載物平臺(tái)(2-4-2)上與光柵尺(2-3-3)位于同側(cè)的側(cè)面上固定有讀數(shù)頭安裝架(13)，所述的度數(shù)頭(15)與光柵尺(2-3-3)相對(duì)設(shè)置并固定在讀數(shù)頭安裝架(13)上；所述的右載物平臺(tái)(2-4-2)的下表面與絲杠螺母副(2-4-3)的螺母固定連接，絲杠螺母副(2-4-3)的絲杠一端與支撐座(2-4-5)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，絲杠螺母副(2-4-3)的絲杠另一端與L形底座(2-4-4)的短板轉(zhuǎn)動(dòng)連接，支撐座(2_4_5)與L形底座(2-4-4)的長(zhǎng)板固定連接，右載物平臺(tái)(2-4-2)的下表面與呈矩形設(shè)置的四個(gè)右滑塊(2-4-8)固定連接，四個(gè)右滑塊(2-4-8)與兩根導(dǎo)軌(2-4-9)滑動(dòng)連接，所述的步進(jìn)電機(jī)(2-4-6)固定于L形底座(2-4-4)的短板上，步進(jìn)電機(jī)(2_4_6)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母副(2-4-3)運(yùn)動(dòng)；左載物平臺(tái)(2-4-1)的下表面與呈矩形設(shè)置的四個(gè)左滑塊(2-4-7)固定連接，四個(gè)左滑塊(2-4-7)設(shè)置在兩根導(dǎo)軌(2-4-9)上，設(shè)置在同一根導(dǎo)軌(2-4-9)上的兩個(gè)左滑塊(2-4-7 )之間安裝有一與導(dǎo)軌(2-4-9 )固定連接的固定件(2-7 )，工作中左載物平臺(tái)(2-4-1)相對(duì)導(dǎo)軌(2-4-9)固定不動(dòng)，右載物平臺(tái)(2-4-2)相對(duì)導(dǎo)軌(2-4-9)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征是:所述的水平精密驅(qū)動(dòng)單元(2-1)包括第一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)(2-1-1)、第一預(yù)緊螺釘(2-1-2)、第一壓電陶瓷(2-1-3)、兩個(gè)第一墊片(2-1-4)、兩個(gè)鋼珠(2-1-5)、三個(gè)第一安裝孔(2-1-6)，所述的第一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)(2-1-1)中部設(shè)有第一凹槽，所述的第一壓電陶瓷(2-1-3)設(shè)置于第一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)(2-1-1)的第一凹槽內(nèi)，第一壓電陶瓷(2-1-3)兩端分別通過鋼珠(2-1-5)、第一墊片(2-1-4)與第一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)(2-1-1)的第一凹槽內(nèi)壁相接觸，第一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)(2-1-1)上設(shè)有三個(gè)用于與右載物平臺(tái)(2-4-2)固定連接的第一安裝孔(2-1-6)，第一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)(2-1-1)的右端面加工有第一螺紋孔，所述的第一預(yù)緊螺釘(2-1-2)與第一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)(2-1-1)的第一螺紋孔螺紋連接，第一預(yù)緊螺釘(2-1-2)通過第一墊片(2-1-4)及鋼珠(2-1-5)預(yù)壓緊第一壓電陶瓷(2-1-3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征是:所述的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)(4)包括豎直高精度電移臺(tái)(4-1)和豎直精密驅(qū)動(dòng)單元(4-2)，所述的豎直精密驅(qū)動(dòng)單元(4-2)安裝在豎直高精度電移臺(tái)(4-1)的載物臺(tái)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征是:所述的豎直精密驅(qū)動(dòng)單元(4-2)包括第二預(yù)緊螺釘(4-2-1)、第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)(4-2-2)、豎直直線光柵測(cè)量裝置(4-2-4)、金剛石壓頭(4-2-5)、第二壓電陶瓷(4-2-6)、兩個(gè)第二墊片(4-2-7)、多個(gè)第二安裝孔(4-2-3)； 所述的第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)(4-2-2)中部設(shè)有第二凹槽，所述的第二壓電陶瓷(4-2-6)設(shè)置于第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)(4-2-2)的第二凹槽內(nèi)，第二壓電陶瓷(4-2-6)兩端各安裝一個(gè)第二墊片(4-2-7)，第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)(4-2-2)的上端面加工有第二螺紋孔，所述的第二預(yù)緊螺釘(4-2-1)與第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)(4-2-2)的第二螺紋孔螺紋連接，第二壓電陶瓷(4-2-6)通過第二預(yù)緊螺釘(4-2-1)進(jìn)行預(yù)緊，所述的豎直直線光柵測(cè)量裝置(4-2-4)安裝在第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu) (4-2-2)的正面，第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)(4-2-2)的下端面安裝有金剛石壓頭(4-2-5)，金剛石壓頭(4-2-5)的頭端豎直并朝下設(shè)置，工作時(shí)，金剛石壓頭(4-2-5)的頭端與所述的微構(gòu)件(5)上表面接觸；所述的第二柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)(4-2-2)上設(shè)有用于與所述的豎直高精度電移臺(tái)(4-1)的載物臺(tái)固定連接的多個(gè)第二安裝孔(4-2-3)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征是:所述的原位觀測(cè)系統(tǒng)(I)包括CCD相機(jī)(1-1 )、夾具(1-2)和變倍縮放鏡頭(1-3)，所述的CCD相機(jī)(1-1)與變倍縮放鏡頭(1-3)由上至下設(shè)置且連接在一起，CXD相機(jī)(1-1)與變倍縮放鏡頭(1-3)整體通過夾具(1-2)豎直安裝在動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)(4)的豎直高精度電移臺(tái)(4-1)的載物臺(tái)上。
【文檔編號(hào)】G01N3/08GK104007014SQ201410271006
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】車琳, 王波, 李國(guó) , 丁飛, 王石磊 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)
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