[实用新型]面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工系统

说明书

技术领域

    本实用新型涉及光机电一体化的精密科学仪器领域，特别涉及一种面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工系统，可用于各类试件或材料的微观力学性能检测中的纳米压/划痕加工。 

背景技术

随着工业的现代化、规模化、产业化，以及高新技术和国防技术的发展，对各种材料表面性能的要求越来越高。20世纪80年代，现代表面技术被国际科技界誉为最具发展前途的十大技术之一。20世纪80年代末在美国、日本等发达是国家兴起的高新科学技术，由于其巨大的应用前景，因此自问世以来微纳米技术受到了各国政府和学者的普遍重视，是当前科技界的热门研究领域之一，其主要包括纳米压痕(Nanoindentation)、纳米划痕（Nanoscratch)、原子力显微镜(AFM)、微机电系统(MEMS)专用测试技术(如微拉伸等)及相关支撑技术等。其中的纳米压痕、划痕试验方法是一种在传统的布氏和维氏硬度试验基础上发展起来的新的力学性能试验方法，它通过连续控制样品上压头加载和卸载过程并记录载荷和位移数据，通过对这些数据进行分析从而得出材料的力学性能指标，该测试方法优点在于可以从载荷—位移曲线中直接测出材料的力学性能而不需要测量压痕的面积，故即便深度在纳米范围，只要载荷和深度位移的测量精度足够高也可以得到材料的力学性能。 

六自由度运动平台是由六支作动筒，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六支作动筒的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。可广泛应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域，甚至可用到空间宇宙飞船的对接，空中加油机的加油对接中。在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。由于六自由度运动平台的研制，涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等等一系列高科技领域，因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。六自由度运动平台是传动及控制技术领域的皇冠级产品，掌握了它，在传动和控制领域基本上就没有了难题。 

目前，以美国、英国、瑞士等发达国家纳米压痕、划痕技术日益成熟，并实现了于纳米压痕/划痕测试、加工装置的商业化，而我国对此领域缺少核心技术仅处于起步阶段，而且对于超精密纳米压痕、划痕加工装置的开发研究少之又少，阻碍了我国在相关领域内的发展。因此，有必要研究与开发面向超精密自由面纳米压痕划痕加工系统，这能为我国在材料微观力学检测、加工与研究领域赶超发达国家提供坚实保障。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种面向自由面的超精密纳米压痕划痕加工系统，解决了现有技术存在的上述问题。其是一种集驱动、加载、检测、六自由度自适应式方位调节、超精密压痕、划痕的超精密跨尺度纳米压痕划痕加工系统。本实用新型不仅能够实现对平面工件的压痕与划痕的精密加工，更能够实现曲面工件的压痕与划痕的精密加工与检测，而现实中对曲面材料的压痕、划痕加工需求不占少数，例如生物医学中的骨质压/划痕、超精密曲面加工等，这些都对纳米压痕与划痕加工过程中的精度提出更高的要求，而本实用新型能够实现对工件位置的精确定位，保证测试精度，这对新材料新工艺、精密光学、微电子技术和半导体技术、汽车飞机关键零部件制造、钢铁冶金、生物医学工程、微机电系统(MEMS)技术、纳米工程和国防军工等高技术产业集群的发展具有极为重要的支撑推动作用和广阔的产业应用价值。本实用新型主要由六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台、Z轴方向的滚珠丝杠粗进给传动机构和Z轴方向的压电陶瓷精密进给单元、载荷信号和位移信号的检测单元、压头夹持单元、环境仓组成。六自由度自适应式方位调节精密定位的载物台能够保证工件的精确位置，Z轴方向的粗进给传动机构能够快速调整金刚石压头和工件间的位置，压电陶瓷精密进给单元保证金刚石压头向材料内部压入，环境仓保证特殊材料在压入过程中对物理场的要求。 

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：