【基于激光干涉传感的台阶仪系统设计10000字（论文）】

基于激光干涉传感的台阶仪系统设计摘要接触式表面轮廓仪是一种应用十分广泛的测量仪器，在多个领域有着举足轻重的作用，特别是半导体领域。本文研究的便是基于激光干涉的龙门式台阶仪设计，包括光学传感器结构设计以及机械系统结构设计。其中为了提高测量精度，龙门式台阶仪的工作台、工作底座采用花岗岩材质，利用聚四氟乙烯作为胶合剂，胶合工作台与仪器底座。并将传统的导轨传动转变为更柔性的皮带传动，从而在提高精度的同时达到减震，耐磨的效果。交流伺服电机与滚珠丝杠进行组成驱动结构，驱动传感器竖直方向稳定运动。关键词：接触式表面轮廓仪；龙门式台阶仪；结构设计目录TOC\o"1-3"\h\u19848摘要 I1092一、绪论 14764（一）课题研究背景 13009（二）国内外概况 14855（三）本文主要研究工作 218388二、台阶仪的整体结构和性能指标 38818（一）台阶仪工作原理和整体结构 3237861.台阶仪工作原理 3278362.台阶仪整体结构 35276（二）台阶仪性能指标 519831三、传感器光学部分设计 622833（一）传感器光学部分原理 611152（二）传感器光学部分结构设计 8190661.光源 819472.偏振模块设计 9119833.干涉模块设计 1122745（三）本章小结 132420四、机械系统设计 14617（一）传感器支撑结构设计 1429293（二）台阶仪的机械结构设计 15246211.台阶仪固定工作基台设计 15128522.纵向驱动结构设计 16266403.横向驱动结构设计 172120（三）滚珠丝杠的选型 1730738（四）本章小结 185197五、总结与展望 209732（一）全文总结 20539（二）展望 2011472参考文献 21一、绪论（一）课题研究背景形状、表面粗糙度等这些复杂信息及表面划痕，凹凸不平的槽等奇形怪状的特征，都是属于一个物体表面形貌的研究范畴。从工程方面来理解，各式各样的工艺加工过程就形成这些表面形貌，比如机械加工，表面涂层等等。对于工程应用领域来说，对表面形貌进行高精度的测量，一方面，是探讨它与应用性能的关联，是否耐用，是否符合安全使用的原则等等。一方面，也可以优化工艺加工的过程，验证该工艺加工方法是否能生产出优秀的加工产品。随着先进制造业的发展，零件结构趋于精密化复杂化，如果测量仪器发展迟缓，不但测量结果不能正确反映加工零件的表面情况，还会出现测量效率低，稳定性差等情况。因此，研究高精度的用于表面形貌测量的仪器是有很重要的意义的。台阶仪长期以来一直用于几何量的超精密测量，例如半导体的形貌测量。使用特殊的结构、材质，不同的测量原理，台阶仪可以对各式各样材质的加工产品表面形貌进行高精度测量。研究激光干涉式台阶仪正是顺应先进机械制造的需求。DektakXT台阶仪如图1.1.1所示。图1.1.1DektakXT台阶仪（二）国内外概况目前市场占比最大的是DektakXT，我国各大高校实验室以及研究室基本是使用该型号产品。国内有产地为广东的Alpha-StepD-50探针式轮廓仪能够测量从几纳米到1200微米的2D台阶高度。D-500还可以在研发和生产环境中支持粗糙度、翘曲度和应力的2D测量。D-500包括一个手动140毫米平台和先进的光学系统以及加强视频控制。国外有来自美国的Rtec-台阶仪，大压电探针扫描XY:达到110x110um，具有光学形貌上超高的横向分辨率，附有5百万自动分辨率的CCD相机，空间下样可调至0.05um，是表面特征以及形貌的测量的理想配置。布鲁克公司的新型DektakXTL探针式轮廓仪系统可容纳多大350mm*350mm的样品，将Dektak有意的可重复性和再现性应用于大尺寸晶片及面板制造业。德国布鲁克DektakXT台阶仪（探针式表面轮廓仪）可以提供更高的重复性和分辨率，测量重复性可以达到5A。不论应用于研发还是产品测量，通过在研究工作中的广泛使用，DektakXT能够做到功能更强大，操作更简易，检测过程和数据采集更完善。目前我国国内自研发的可商业化的台阶仪种类和数量屈指可数，而且由于日益增长的精度要求，以及可进口的便利性，导致我国国内研发水平相较于国外的研发水平还有一段大的距离。一方面，还不能满足新的发展趋势的要求，需要研发新的满足要求的台阶仪。另一方面，如果技术不能自研发，在半导体制造领域里，总会受到各方的限制，从而对半导体制造行业造成不利的影响。（三）本文主要研究工作总体目标：设计一个满足精度要求（其垂直测量范围可达±3mm，垂直分辨率可达0.01µm）的基于激光干涉传感的台阶仪系统。个人目标：设计该系统的光学机械系统。即机械系统及光学传感器部分的设计。对于光学传感器部分的设计，基于迈克尔逊干涉原理，首先，经计算，设计符合要求的干涉模块，偏振模块，通过使用这两个模块来完成光学传感器的部分设计。其中，偏振模块中，有使用到胶合件，以达到结构紧凑的目的，胶合件是用PBS与四分之一波长的玻片进行胶合。然后，让角锥棱镜与触针形成杠杆结构，达到接触式触针测量的目的。最后，将这两部分组成最终的光学传感器。机械系统设计方面，采用龙门立柱式结构，使用柔性的皮带传动工作台，使用花岗岩的材质，并通过聚四氟乙烯胶合工作台与仪器底座，从而达到精度更高的要求，龙门式而非传统立柱式的设计使测量范围更加的广泛。二、台阶仪的整体结构和性能指标（一）台阶仪工作原理和整体结构1.台阶仪工作原理图2.1.1台阶仪工作原理示意图1．纵向驱动结构；2.传感器；3.触针；4.待测工件；5.X单向工作台；6皮带如图2.1.1所示为台阶仪工作原理示意图，首先将待测工件固定在X单向工作台上，利用电机和滚珠丝杠的纵向驱动结构驱动传感器竖直方向运动,直至触针触碰到工件所需的被测量的位置，此时触针达到校准归零状态，然后用户开始在使用界面设置各种测量时的参数，参数设置完开始进行测量，当计算机接收到测量指令时，会控制电机带动柔性皮带，从而使工作台X向运动。此时，触针在待测工件微观表面的峰谷滑动，并因其表面形貌产生竖直方向的上下运动。同时，触针的上下运动引起干涉条纹的变化，光电信号接收器通过对干涉条纹的处理，然后经过信号处理电路，将数据传输到计算机中，再经滤波、拟合等等处理获得最终所需的表面形貌特征信息。2.台阶仪整体结构台阶仪一共有五个部分：激光干涉光学传感器、X单向工作台、传感器纵向驱动结构、传感器信号处理电路、计算机。结构关系图如图2.1.1，基于3D模型的仪器整体结构示意图如图2.1.2。图2.1.2仪器结构关系图图2.1.3基于3D模型的仪器整体结构示意图1.激光干涉光学传感器；2.X向工作台；3.纵向驱动结构如图2.1.3所示为仪器整体结构示意图。激光干涉光学传感器基于迈克尔逊干涉原理，使用金刚石尖端的探针对样品进行接触式测量，样品定位在X向可调工作台，扫描过程中样品在探针下方移动，X向可调工作台即扫描基台，在光学参考平面上平滑运动，保证扫描基线的稳定。纵向驱动结构使传感器探针可以平稳的触碰到工件表面，驱动结构由伺服电机与滚珠丝杠组成。信号处理电路处理光电变换后的信号，然后传输至计算机中，通过计算机数据处理，最终结果输出。本文不讨论信号处理电路与计算机的数据处理、结果输出。（二）台阶仪性能指标本课题的目标是研究符合以下要求的基于激光干涉原理的台阶仪：垂直测量范围：±3mm垂直方向调整范围：40mm最大测量面积：20mm×20mm最大测量速度：1mm/s垂直分辨率：0.01µm样品台尺寸：100mm仪器体积：600mm×300mm×600mm个人目标：研究台阶仪的传感器部分的光学系统设计以及激光干涉台阶仪总体的机械系统设计。三、传感器光学部分设计（一）传感器光学部分原理干涉测量的基本原理：激光器光源出射的光通过分光镜分成两束光，一束通过被测工件表面反射，一束通过参考镜反射，此时这两束反射光具有相同频率、恒定相位差、相同振动方向的特点，可以进行干涉，产生明暗交替的干涉条纹。干涉测量就是通过这一原理，来分析干涉条纹的变化以获取所需的表面形貌特征信息。由于测量精度与测量范围的要求，干涉系统需要具备几个条件：（1）对外界环境的干扰因素不敏感，即优良的抗干扰性；（2）干涉系统结构精简，布局合理，以减少误差，便于调整；（3）能产生对比度好，光暗强度合适的干涉条纹。基于此，我们选择迈克尔逊干涉仪作为光学传感器系统设计基础。迈克尔逊干涉基本原理如图3.1.1所示：图3.1.1迈克尔逊干涉示意图光源发出一束光通过分光镜B，其中两束光分别经过反射镜M1与可移动镜M2发射，经过光电阵列P1、P2接收处理，得到干涉条纹。如果移动M2，新的位置与原始位置的距离为L，此时光电阵列的干涉条纹会产生变化由公式推算可知，两束光的光程之差即光程差Δ每改变一个波长λ的量，由此两束光产生的干涉条纹就会明暗交替变化一次。故而可以通过测量变化次数K，可获得移动的距离L。（3.1.1）其中n为介质的折射率，此处为空气的折射率。由上述可知迈克尔逊干涉的测量实际可以以入射光光源的波长为计量单位。图3.1.2传感器光学部分基本结构示意图图3.2所示为传感器光学部分基本结构示意图，该结构示意图在迈克尔逊干涉的基础上设计。激光器发射的光通过反射镜到达分光棱镜，分出两束光，一束光为b，经过参考镜反射回到分光棱镜；另一束光a通过角锥棱镜再经过反射镜反射，重回分光棱镜，此时两束光干涉，被光电阵列接收。图中工件微观表面的波峰使触针在竖直方向运动，从而引起角锥棱镜的变化，最终引起两束光的光程差变化。此时，计算光电阵列中两束光形成的干涉条纹的数量变化，可以得出触针竖直方向的位移，最终反馈出被测工件的表面形貌信息。本文基于图示基本结构，进行优化，设计偏振模块，干涉模块。其中，偏振分光棱镜PBS与玻片形成胶合件，保证结构的紧凑性，进一步提高测量精度。胶合件与参考镜形成偏振模块，放大镜与光电阵列形成干涉模块。优化后的最终结构如图3.1.3所示。图3.1.3优化后的最终结构在优化后的最终结构中，基于迈克尔逊干涉原理，完成了干涉模块与偏振模块的设计。氦氖激光器发出的激光通过偏振模块，分成了左旋右旋两路偏振光，这两束偏振光从偏振模块发射出来后，相互重合进入干涉模块。在干涉过程中，两束偏振光被转换成四束相位差相差90°的干涉光，各自从a、b、c、d四个方向射出，最终光电探测器接收到，进行下一步的模拟信号处理。在此结构中，金属膜平面反射镜始终固定不变，另一侧的角锥棱镜随着触针测量时竖直方向位移改变而改变，从而导致光程差的改变，最终引起干涉条纹的数量变化，反馈出表面形貌信息。（二）传感器光学部分结构设计1.光源选用华上激光的氦氖激光器作为激光光源，产品名称：升级款632.8nm氦氖激光器，产品型号为：HS-HN632.8-2mw-F62*82*300。该氦氖激光器可以很好的适用于精密计量与测量。自带电源，即插即用。而且具有三好一高即单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特点。具体参数如表3.2.1。表3.2.1氦氖激光器参数表参量参数值波长632.8nm出光孔4.2mm输出功率大于2mw工作电流4-6mA外形尺寸外径×长度：Φ35×250mm2.偏振模块设计（1）偏振器件选型在整个偏振模块中，本文使用偏振分光棱镜即PBS与四分之一波长的波片和反射镜，以达到振动面分割的效果。本文选择使用的氦氖激光器的中心波长为632.8nm。氦氖激光波长是纯净的单色光，线宽极窄，波长误差只有几纳米，且不受温度的影响，具有极大的相干长度。故通过选用单波长的PBS，以保证激光通过PBS时只有较小的激光能量的消散。氦氖激光器发出的激光射入PBS后，透射光（p光）与反射光（s光）方向不同，对于入射平面而言，前者平行，后者垂直其入射平面。同时，为了防止出现对激光光源和干涉信号的不必要的影响，偏振分光棱镜需要满足两个条件：对p光而言为高透射率，对s光而言为高反射率。通过同时满足这两个条件以保证s光与p光的尽可能不重合。故选择联合光科技偏振分光棱镜，产品编号为353509，其具体的参数如表3.2.2。表3.2.2偏振分光棱镜具体参数表材料H-ZF3类型单波长，632.8nm尺寸12.5mm尺寸误差±0.2mm透射光偏移±5弧分有效孔径90%透射效率Tp>90%反射效率Rs>99.5%镀膜斜面分光膜，其余直角面宽带增透此型号偏振分光棱镜为单波长，中心波长为632.8nm，透射效率与反射效率保证了两光p光与s光尽可能分开。此外，斜面分光膜，其余直角面宽带增透膜可以避免出现对激光光源和干涉信号的不必要影响。尺寸为12.5mm，可以让传感器整体结构紧凑且便于安装，便于调节。波片的作用是让通过它的光在两个互相正交的偏振分量上产生一定的相位偏移，在偏振模块中，四分之一波片输出的正弦波和输入的正弦波信号的相位差即相移量为或者它的奇数倍。真零级波片能够产生精确的相位延迟。相比于普通零级波片，真零级波片具有更好的消光比，延迟精度更好，本文选择淘宝店铺光学镜片加工销售的真零级波片，型号为WPF633H-03，其波长为632.8nm，两面镀增透膜。具体参数如表3.2.3。表3.2.3真零级波片参数表材料石英晶体类型真零级波片，632.8nm尺寸直径d=12.7mm直径公差+0.0/-0.2mm相位延迟精度λ/300平行度<1秒通光孔径>90%镀膜两面增透，R<0.25%@中心波长反射镜选择基座光学型号为TFA-C05的金属平面高反镜，表面镀膜为增强铝多层电介质膜，反射率大于90%。具体参数如表3.2.4。表3.2.4金属平面高反镜材质硬质玻璃有效范围外径的90%尺寸d=12.7mm直径公差+0.0/-0.2mm通光孔径>90%镀膜增强铝多层电介质膜（2）偏振模块结构设计对于传感器光学元件来说，从最开始的安装光路到后续的调节光路，如何精确的确定光轴的位置成为首位需要解决的问题。一般来说，传统上的设计是用波片支架来支撑、固定波片，然后通过旋转波片支架达到精确定位光轴的目的。但是，在本结构中，使用了数量不少的波片，如果采用传统方式会导致结构复杂，降低操作可行性，增加实际操作难度。为了更见简洁便利，紧凑结构，方便实际调节光路，本文将采用胶合件，即将偏振分光棱镜与四分之一波长胶合为一个整体的组合件，在胶合过程中，直接将波片全部沿着x轴放置。胶合剂如图3.2.1所示。图3.2.1胶合件此时，胶合时使用的胶会影响激光的质量，为了极大程度降低胶对激光的影响，本文采用空气隙胶合的方式，也就是说胶合时仅仅对光学元件外侧进行了该操作，通光的部分即可等效于空气隙，降低了后续对干涉条纹信号的影响。图3.2.2偏振模块具体结构示意图1.偏振模块；2.反光镜；3.偏振分光棱镜；4.波片4；5传感器基板；6.分光棱镜基座偏振模块的具体结构如图3.9。在偏振模块中，反射镜通过反射镜支架固定在传感器基座上，偏振分光棱镜被固定在分光棱镜基座上，基座通过紧固螺钉被固定在传感器基板上。其中，从波片4出射的光射入三角棱镜，并以此使杠杆结构的触针测量部分成为传感器的一部分。3.干涉模块设计干涉模块由一个消偏振分光棱镜（NPBS），两个偏振分光棱镜（PBS），四处光电接收器组成。由偏振模块射出的两束光，左旋右旋偏振光，在干涉模块中被转换成四束相位差为90度的干涉光。干涉模块具体示意图如图3.2.3。图3.2.3干涉模块具体结构示意图1.接收器基座；2.光电接收器；3.分光棱镜基座；4.传感器基板；5.NPBS；6.PBS；7.PBS本结构中，分光棱镜被固定在于酚醛塑料（电木）制成的基座上。底部为传感器基板，用于承载光电接收器与分光棱镜。为了避免对光电接收器的电路系统造成不必要的影响，选择酚醛塑料材料制作的接收器基座为中间承载体，起到固定的作用。因为酚醛塑料是塑料中第一次投入工业生产的品种，性能好，有较高的机械强度，绝缘效果好，化学性能优异，耐热耐腐蚀。通过紧固螺钉，将接收器基座和分光棱镜基座固定在传感器基板上。既可以起到固定作用，又方便对位置进行调整，让光电接收器能够处于光斑的中央位置。图3.2.4传感器光学部分模型图1.偏振分光棱镜1；2.偏振分光棱镜2；3.消偏振分光棱镜3；4.偏振分光棱镜4；5.反光镜传感器光学部分模型图如图3.2.4。氦氖激光器发出的激光先经过偏振模块，即图中所示偏振分光棱镜2、胶合的四分之一波长波片与反射镜5所形成的部分，形成左旋与右旋的两束偏振光线：p光与s光。然后两束光入射干涉模块，即偏振分光棱镜1，3与消偏振分光棱镜4组成的部分，相互重合后在消偏振分光棱镜3处被均分成两份，分别通过偏振分光棱镜1、4，偏振光在四个光电接收器的各自中心发生干涉，最终可以在四个地方形成两两光束之间相互干涉且干涉相位为二分之一π的干涉信号。通过杠杆结构，触针上下位移引起三角棱镜位置变化，使光程差发生变化，从而导致光电接收器的干涉信号发生变化，通过信号电路处理与计算机数据处理，得到所需的表面轮廓特征信息。如果发现获得的干涉条纹可见度不高，可以在氦氖激光器与偏振分光棱镜2之间添加二分之一波长的波片，旋转该波片，可以使得出射的两束圆偏振光光强相等，以达到最大干涉条纹可见度的效果。该光路结构，从电木材质上避免了对光电接收器的影响，从结构上通过胶合件，干涉模块，偏振模块达到紧凑，便于调节的效果，选用氦氖激光器，降低了温度的影响。（三）本章小结本章以完成传感器光学部分设计为最终目标，通过迈克尔逊干涉原理得知测量的基本原理：通过计量干涉条纹变化次数来反馈触针竖直方向位移，进一步得知被测工件表面形貌信息。并且基于迈克尔逊干涉原理设计了基本结构，通过优化基本结构，设计胶合件，偏振模块，干涉模块，使整个传感器光学部分结构紧凑，符合精度要求。理论分析与模块设计完成后，构建了传感器光学部分的3D模型。同时，在设计过程中，针对重要的光学元件进行选型等。四、机械系统设计（一）传感器支撑结构设计在表面形貌测量仪器中，支撑结构有着至关重要的作用，它关系着各方各面，影响着安装精度，测量精度等等。对于台阶仪而言，有立柱式台阶仪，有龙门式台阶仪。本文采用龙门式台阶仪，因为相较于立柱式，龙门式测量范围更广，测量精度更高，传感器在龙门柱上竖直方向运动，工件固定在扫描基台上，扫描基台水平方向单向前后运动。支撑结构原理图如图4.1.1所示。图4.1.1仪器支撑结构原理示意图图4.1.2台阶仪整体机械结构模型示意图1.交流伺服电机；2.滚珠丝杠；3.龙门柱；4.传感器；5.龙门机架；6.固定工作基台；7.皮带；8.步进电机；9.底部机架；10.X向扫描工作基台图4.1.2为仪器整体机械结构模型示意图，在该仪器中，龙门柱与龙门机架通过紧固螺钉紧固。交流伺服电机与滚珠丝杠形成纵向驱动结构，驱动龙门柱上的传感器竖直方向运动。X向扫描工作基台嵌入在固定工作基台中，两者内壁均镀一层聚四氟乙烯膜形成滑动副，达到平稳运行的效果。被测工件固定在X向扫描工作基台上，当传感器的探针触碰到被测工件时，仪器测量前的准备工作完成，等待操作者设置参数，然后开始进行测量。在计算机下达测量指令后，步进电机配合柔性皮带形成X向横向传动机构，X向扫描工作基台通过该传动机构前后运动，由此带动工件运动，探针开始测量工件表面形貌。传感器Z向运动的行程范围为200mm,扫描工作基台的X向行程范围为150mm。（二）台阶仪的机械结构设计1.台阶仪固定工作基台设计台阶仪的固定工作基台是该仪器中一种大尺寸的支承件，一般情况使用铸造件。但是，在工艺加工过程中，浇铸时由于被铸件每个地方的冷却速度难以均匀，会不可避免的产生内应力，逐渐释放的内应力会导致最终铸造件缓慢形变。而且，除了固定工作基台外，龙门机架与龙门柱用紧固螺钉固定，也会出现用力不均，导致形变，这些都会对稳定性产生影响。为了增强稳定性，可以进行时效处理，也可以进行特殊的选材。现在国内外较为普遍的使用花岗岩作为仪器的支承件，并非铸造件。花岗岩的优点如下：（1）稳定性优良，从应力方面看，花岗岩已经有很长时间天然时效的处理，内应力很小甚至不存在，不存在变形的可能性，所以具备良好的稳定性。（2）加工简单便捷，相比于铸造，只需研磨抛光就能得到很高的精度和表面粗糙度，就耐磨性而言，高于普通铸铁5-10倍。（3）吸振性能好，特别对于电机驱动而言，它不传递振动，抗冲击。（4）绝缘性好，耐腐蚀，难以被磁化，且使用的可持续性好，易保养维修。（5）对温度不敏感，受温度影响低，导热性差，在室内这种温度变化小的环境中，形变量仅为铸铁件的一半。从上述可知，花岗岩较于传统的铸造件，有多方面的优势，所以本文选用花岗岩材质对扫描工作基台、固定基台以及龙门柱进行加工。其中龙门柱两侧与固定工作基台底部均有螺纹孔，分别于龙门机架与底部机架紧固。2.纵向驱动结构设计图4.2.1纵向驱动结构示意图1.交流伺服电机；2.滚珠丝杠；3.滑动摩擦导轨如图4.1.3，纵向驱动结构示意图，纵向驱动结构是由交流伺服电机、滚珠丝杠、导轨组成，主要驱动传感器竖直方向运动，让触针在测量前达到合适的高度。滚珠丝杠将回转运动转换为直线运动，由于其四个优良特性，即效率高、精度高、能实现微量进给、没有无效行程，在测量方面有广泛的应用。但同时，因为滚珠丝杠不具备自锁功能，所以需要带制动功能的伺服电机，伺服电机在仪器外对丝杠进行控制，防止自身工作时对仪器造成振动，干扰测量精度等影响。滚珠丝杠采用一端固定，一端支承的方式的安装方式。固定端的轴承可以同时承受径向力、轴向力，而支承端只承受径向力，并且在轴向可以进行微量的浮动，可以减少由于丝杠自重而导致弯曲的影响。同时，在使用过程中，由于温度影响造成的微量热变形也可以往一段延伸。纵向驱动结构中的导轨使用滑动摩擦导轨，滑动摩擦导轨相对于滚动导轨线性度更好，且吸振性好，结构简单，成本低，刚性优良。由于导轨的作用是精密控制直线运动，故需要具有符合要求的导向精度。导轨的导向精度取决于导轨面的几何精度、接触精度、导轨和基座的刚度和热变形等。为了提高导向精度，本文导轨面使用聚四氟乙烯塑料软带覆盖，通过减少磨损，增加使用寿命，以达到时间长久的具有高精度的效果。同时，龙门柱采用花岗岩材质，能有效减少导轨基座的刚度和热变形的影响。3.横向驱动结构设计横向驱动结构由步进电机与皮带组成，由于待测工件不属于重负载，且步进电机适合短距离频繁动作，所以优先选择步进电机。选用皮带而不是导轨，是因为相较于导轨传动，皮带传动工作时平稳噪声低、缓冲能力强、吸振性能好，能使测量达到更高的精度。在传动过程中，并不需要高速传动。而且皮带具有结构简单，制造容易，便于安装，已于维护等特点。（三）滚珠丝杠的选型丝杠的精度选择：丝杠的精度可以分为C0，C1，C2，C3，C5，C7和C10共七个等级，其中C0精度等级最高。由于纵向丝杠在测量时保持静止状态，仅在测量前运动，故可以选择精度要求不高的C7等级。导程为5mm，通过丝杠轴外径与导程标准组合知，盖丝杠轴外径为12mm，采用一端固定，一端支承的安装方式。丝杠轴外径与导程标准如图4.3.1。图4.3.1丝杠轴外径与导程标准容许轴向负载计算：导向面的阻力：（无载荷时）负载：导向面上的摩擦系数：最大速度：加速时间：加速度为：上升加速时：（4.3.1）上升等速时：（4.3.2）上升减速时：（4.3.3）下降加速时：（4.3.4）下降等速时：（4.3.4）下降减速时：（4.3.5）由上述可知，作用在滚珠丝杠上的最大轴向负荷为：丝杠总长度为570mm，通过固定-支承安装，安装方法的系数为，安装间距为，丝杠轴沟槽谷径。丝杠的搓曲载荷如下：（4.3.6）丝杠轴的容许拉伸压缩负荷：（4.3.7）由上述可知，丝杠轴的挫曲载荷和容许拉伸压缩负荷均大于最大轴向负荷，因此所选丝杠满足使用要求。（四）本章小结本章主要描述台阶仪的机械结构设计，对于支撑结构，选择龙门式支撑，扩大测量范围。同时，根据机械模型详细介绍了仪器的工作原理。接着，重点介绍了花岗岩材料的优势，易于加工，耐腐蚀，不导电，吸振性好等等优点，探讨了纵向驱动机构设计以及X向扫描工作基台的皮带传动设计。最后，针对重要的运动构件滚珠丝杠进行了选型。五、总结与展望（一）全文总结接触式表面形貌测量是当前广泛使用的一种测量途径，但传统的接触式表面形貌测量测量范围小、不灵敏、可获取的具有价值的参数少，难以满足先进机械制造的要求。而激光干涉是一种有着高精密度，高测量范围的光学测量方式。同时，氦氖激光器具有功率稳定性高，体积小巧，使用寿命长且价格便宜等特点。基于上述，本文提出对接触式表面轮廓仪中的基于激光干涉的台阶仪进行设计，并选用中心波长为632.8nm的氦氖激光器作为光源。先描述仪器的工作原理、整体结构与性能指标，接着对传感器光学系统进行了理论的分析、基本结构优化及最终实际的结构设计，然后对机械系统进行设计，其中重点是传感器龙门式的支撑结构设计以及对电机、滚珠丝杠这些驱动系统的选型。除此之外，为满足精度要求，进行了特殊的选材，并选用皮带进行传动。在传感器光学系结构中，基于迈克尔逊干涉原理，先理论分析整体结构，然后通过具体的分光棱镜，反射镜等重要器件的选型，完成了实际的结构设计。在整个过程中，本文还通过优化最开始的基本结构，加入了偏振模块，干涉模块以及胶合件来满足精度要求。在机械系统中，支撑主体采用大理石设计，伺服电机带动滚珠丝杠形成传动结构，让传感器在竖直方向进行运动。工作台使用花岗岩材质，同时，X单向扫描工作台通过聚四氟乙烯配合，使工作台在工作过程中减少振动，更加耐磨，最终提高测量精度。扫描工作台采用步进电机带动皮带以形成传动机构，驱动X向前后平移。（二）展望本文通过参考一些实际的表面形貌台阶仪设计，经过理论分析和3D模型建造，相关参数，精度指标基本符合最开始的设计要求。但是，仍然在设计，装配等方面有欠缺。同时，需要对光电阵列的安装进一步矫正，通过分析误差与补偿,，让仪器的部分零件达到预期目标的定位精度。由于客观条件限制，个人知识不全面，没有深入分析花岗岩与聚四氟乙烯的配合情况，需要通过观察两者的配合情况，发现其是否会出现低速爬行这种不正常的运动状态。除此之外，可以将龙门柱上的传感器由无法运动改成横向驱动箱驱动，但是肯定需要自适应的修改纵向滚珠丝杠的参数等等，这种改进，能让仪器更加便于操作。进一步改进：完成误差分析与补偿；实验观察花岗岩与聚四氟乙烯的配合情况；在传感器位置添加横向驱动装置，形成y向驱