本發(fā)明涉及三坐標(biāo)測量機(jī)微納米測球領(lǐng)域，具體是基于磁化力的抗磁性材料制備高精度微測球的重力抵消裝置。

背景技術(shù)：

隨著納米加工技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)微型產(chǎn)品的精確度增加的同時(shí)，對高精度微三維的測量需求也相應(yīng)增加。最可靠的測量三維部件大小、形態(tài)和空間位置的方式就是使用球形尾部，接觸式測頭測量系統(tǒng)，如微納米三坐標(biāo)測量機(jī)。在一個接觸式探頭中，最重要的組成部分就是球形尖端。一個接觸式探頭能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式探頭難以測量的高縱橫比的微孔，槽和側(cè)壁的測量。利用電火花加工制備測球時(shí)，纖維尖端溫度升高，并開始熔化，最終形成一個球體。球形尖端越大，重力的作用愈發(fā)明顯，將球尖端拖向重力場方向。

目前的研究領(lǐng)域主要是旋轉(zhuǎn)法來彌補(bǔ)重力對測球偏心的影響，比如臺灣大學(xué)制造的微型尖端小球，就是通旋轉(zhuǎn)法來消除重力的影響。實(shí)驗(yàn)中能通過使纖維繞著軸線180°旋轉(zhuǎn)從而使球心偏移距離最小化，這可以抵消一部分重力帶來的影響。由于加工能量仍然十分巨大，導(dǎo)致球形尖端因質(zhì)量的增加在再次移向重力場，若電弧清零周期保持不變，偏心將不可能被完全消除，會產(chǎn)生過補(bǔ)償現(xiàn)象。這仍將會制造出一個無法被接受的探頭，這是由于尖端與桿之間逐漸固化段的形成，也導(dǎo)致尖端的形狀更像微滴而非球形。當(dāng)使用該裝置補(bǔ)償先前周期的測球偏心時(shí)，各個參數(shù)必須進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而能較好地消除重力對微測球產(chǎn)生的偏心影響。由于旋轉(zhuǎn)法補(bǔ)償測球偏心無法保證同軸度，所以制成的微測球不滿足同軸度的要求。

專利名稱：高精度微測球制備與監(jiān)測裝置,專利號：201610302455.8中提出一種裝置，該裝置利用洛侖茲力消除重力在燒制微測球中的影響，但此方法適用于導(dǎo)電性較好的材料燒制微測球的場合。

所以我們提出一種裝置，該裝置能夠?yàn)閷?dǎo)電性較差且為抗磁性材料燒制微測球的場合提供微重力甚至無重力環(huán)境。在無重力環(huán)境下進(jìn)行科學(xué)研究是非常少的，大多是航空航天領(lǐng)域模擬無重力環(huán)境進(jìn)行科學(xué)研究，另外一部分就是生命科學(xué)利用無重力環(huán)境進(jìn)行科學(xué)。對于普通的生活領(lǐng)域和制造業(yè)，很少有無重力環(huán)境的模擬。所以，本文提出的利用大梯度強(qiáng)磁場模擬無重力環(huán)境的方法，能夠減小甚至去除抗磁性材料在燒制測球時(shí)重力產(chǎn)生的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種抗磁性材料制備高精度微測球的重力抵消裝置，利用磁化力產(chǎn)生無重力環(huán)境，從而減小甚至消除燒制抗磁性材料微測球的過程中由重力對微測球產(chǎn)生的偏心及圓度影響。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

抗磁性材料制備高精度微測球的重力抵消裝置，包括光學(xué)平臺5、大梯度強(qiáng)磁場系統(tǒng)、強(qiáng)磁場表觀重力分析裝置，光學(xué)平臺5上放置三維位移燒球裝置，三維位移燒球裝置包括上三維位移平臺2、下三維位移平臺4，且上三維位移平臺2與下三維位移平臺4通過檢測支架1固定連接成一體，上三維位移平臺2上固定有帶中孔的鉛筆狀柱體6，抗磁性材料絲線7插入鉛筆狀柱體6的中孔內(nèi)，下三維位移平臺4上固定有電火花塞8，通過上三維位移平臺2的x方向螺旋測微桿可以控制上三維位移平臺2在x軸方向移動，通過上三維位移平臺2的y方向螺旋測微桿可以控制上三維位移平臺2在y軸方向的移動，通過上三維位移平臺2的z方向螺旋測微桿可以控制上三維位移平臺2在z軸方向的移動；通過調(diào)節(jié)上三維位移平臺2與下三維位移平臺4的位置將電火花塞8與抗磁性材料絲線7位于同一軸線，高壓電源的陰極連線連在電火花塞8的尾部，高壓電源陽極連線連在抗磁性材料絲線7尾部；所述大梯度強(qiáng)磁場系統(tǒng)由超導(dǎo)磁體3產(chǎn)生，超導(dǎo)磁體3由兩個線圈構(gòu)成，一個是主線圈，另一個是反向線圈；所述強(qiáng)磁場表觀重力分析裝置包括有特斯拉計(jì)11、三維位移平臺10和置于光學(xué)平臺5上的磁感應(yīng)檢測支架9，特斯拉計(jì)11固定于三維位移平臺10上，三維位移平臺10固定于磁感應(yīng)檢測支架9上，調(diào)節(jié)三維位移平臺10從而調(diào)節(jié)特斯拉計(jì)11以達(dá)到檢測超導(dǎo)磁體3實(shí)驗(yàn)腔中不同位點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

所述主線圈由鈮三錫或鈮鈦線圈組成，產(chǎn)生的磁場是強(qiáng)磁場，數(shù)值高達(dá)16特斯拉；反線圈由鈮三錫線圈組成，通電導(dǎo)線材料選取nb3sn或nbti以適應(yīng)超導(dǎo)磁體3通有大電流情況下產(chǎn)生的熱量。

所述大梯度強(qiáng)磁場系統(tǒng)還包括降溫裝置，降溫裝置為裝有液氦或液氨的內(nèi)杜瓦瓶，將nb3sn或nbti線圈浸沒在液氦中用于降溫。

所述高壓電源的陰極連線連在電火花塞8的尾部采用焊錫連接。

本發(fā)明應(yīng)用于利用高壓電源，并采用電火花加工的方式燒制抗磁性材料微測球的場合，由于在燒制微測球的過程中，抗磁性材料絲線7處于超導(dǎo)磁體3實(shí)驗(yàn)腔中，即磁場中，受到了磁化力，磁化力方向與重力方向相同或相反。當(dāng)重力方向和磁化力方向相反，且重力大小與磁化力大小相等時(shí)，則合力等于0，即抗磁性材料絲線7在磁場中的表觀重力水平為-1，則該位置為抗磁性材料絲線7在磁場中的完全失重位點(diǎn)?？勾判圆牧现苽涓呔任y球時(shí)，只要在完全失重位點(diǎn)燒制微測球，即可減小甚至消除重力對微測球偏心及球度的影響。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1.利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生大梯度磁場，利用抗磁性材料在磁場中受到的磁化力抵消重力，從而減小甚至抵消抗磁性材料在燒制測球時(shí)重力對測球球度和偏心的影響。

2.本發(fā)明能夠?yàn)閷?dǎo)電性差且為抗磁性材料燒制微測球的場合提供微重力甚至無重力環(huán)境。

3.本發(fā)明以特斯拉計(jì)作為反饋，可以準(zhǔn)確定位超導(dǎo)磁體實(shí)驗(yàn)腔中抗磁性材料的完全失重位點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明整體方案示意圖；

圖2為本發(fā)明外形示意圖；

圖3為本發(fā)明中三維位移燒球裝置與大梯度磁場系統(tǒng)剖面示意圖；

圖4為本發(fā)明中強(qiáng)磁場表觀重力分析裝置示意圖。

具體實(shí)施方式

參見附圖，抗磁性材料制備高精度微測球的重力抵消裝置，包括光學(xué)平臺5、大梯度強(qiáng)磁場系統(tǒng)、強(qiáng)磁場表觀重力分析裝置，光學(xué)平臺5上放置三維位移燒球裝置，三維位移燒球裝置包括上三維位移平臺2、下三維位移平臺4，且上三維位移平臺2與下三維位移平臺4通過檢測支架1固定連接成一體，上三維位移平臺2上固定有帶中孔的鉛筆狀柱體6，抗磁性材料絲線7插入鉛筆狀柱體6的中孔內(nèi)，下三維位移平臺4上固定有電火花塞8，通過上三維位移平臺2的x方向螺旋測微桿可以控制上三維位移平臺2在x軸方向移動，通過上三維位移平臺2的y方向螺旋測微桿可以控制上三維位移平臺2在y軸方向的移動，通過上三維位移平臺2的z方向螺旋測微桿可以控制上三維位移平臺2在z軸方向的移動；通過調(diào)節(jié)上三維位移平臺2與下三維位移平臺4的位置將電火花塞8與抗磁性材料絲線7位于同一軸線，高壓電源的陰極連線連在電火花塞8的尾部，高壓電源陽極連線連在抗磁性材料絲線7尾部；所述大梯度強(qiáng)磁場系統(tǒng)由超導(dǎo)磁體3產(chǎn)生，超導(dǎo)磁體3由兩個線圈構(gòu)成，一個是主線圈，另一個是反向線圈；所述強(qiáng)磁場表觀重力分析裝置包括有特斯拉計(jì)11、三維位移平臺10和置于光學(xué)平臺5上的磁感應(yīng)檢測支架9，特斯拉計(jì)11固定于三維位移平臺10上，三維位移平臺10固定于磁感應(yīng)檢測支架9上，調(diào)節(jié)三維位移平臺10從而調(diào)節(jié)特斯拉計(jì)11以達(dá)到檢測超導(dǎo)磁體3實(shí)驗(yàn)腔中不同位點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

主線圈由鈮三錫或鈮鈦線圈組成，產(chǎn)生的磁場是強(qiáng)磁場，數(shù)值高達(dá)16特斯拉；反線圈由鈮三錫線圈組成，通電導(dǎo)線材料選取nb3sn或nbti以適應(yīng)超導(dǎo)磁體3通有大電流情況下產(chǎn)生的熱量；大梯度強(qiáng)磁場系統(tǒng)還包括降溫裝置，降溫裝置為裝有液氦或液氨的內(nèi)杜瓦瓶，將nb3sn或nbti線圈浸沒在液氦中用于降溫；高壓電源的陰極連線連在電火花塞8的尾部采用焊錫連接。

在利用高壓電壓以電火花加工微測球的過程中，抗磁性材料處于磁場中受到磁化力，磁化力f的表達(dá)式如下所示：

其中χ為磁化率，μ為空氣的磁導(dǎo)率，b為磁感應(yīng)強(qiáng)度。則表觀重力水平表達(dá)式如下所示：

其中g(shù)為抗磁性材料所受重力，m為抗磁性材料的質(zhì)量，g為重力加速度。當(dāng)表觀重力水平為-1時(shí)，抗磁性材料絲線即位于完全失重位點(diǎn)，據(jù)此表達(dá)式可以算出所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

本實(shí)例中實(shí)驗(yàn)裝置置于光學(xué)平臺5上，由所述的大梯度磁場系統(tǒng)中的超導(dǎo)磁體3產(chǎn)生大梯度磁場，再將表觀重力分析裝置的特斯拉計(jì)11一端探入超導(dǎo)磁體3實(shí)驗(yàn)腔，然后記錄特斯拉計(jì)11測量端的初始位置，隨后調(diào)整強(qiáng)磁場表觀重力分析裝置中三維移動平臺10的x軸、y軸與z軸螺旋測微桿以測量超導(dǎo)磁體3實(shí)驗(yàn)腔中不同位點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，找到上述理論計(jì)算的出的所需磁感應(yīng)強(qiáng)度對應(yīng)的位點(diǎn)，最后在記錄三維位移平臺10的x軸、y軸與z軸的位移值后將表觀重力分析裝置從超導(dǎo)磁體3實(shí)驗(yàn)腔中撤出。在此位點(diǎn)燒球，能夠減小甚至抵消抗磁性材料在燒制測球時(shí)重力對測球球度和偏心的影響。本實(shí)例選用牛津公司生產(chǎn)的超導(dǎo)磁體。

做好探測完全失重位點(diǎn)的工作之后，將三維位移燒球裝置置于光學(xué)平臺5上，首先根據(jù)記錄的特斯拉計(jì)11測量端的初始位置來調(diào)節(jié)三維位移燒球裝置上端上三維位移平臺2的x軸、y軸與z軸螺旋測微桿，使抗磁性材料絲線7頂端到達(dá)特斯拉計(jì)11測量端的初始位置，再調(diào)節(jié)三維位移燒球裝置下端下三維位移平臺4的x軸、y軸螺旋測微桿使電火花塞8與抗磁性材料絲線7同軸。然后根據(jù)記錄的強(qiáng)磁場表觀重力分析裝置中三維位移平臺10的x軸、y軸與z軸的位移值來調(diào)節(jié)三維位移燒球裝置上端三維位移平臺2使抗磁性材料絲線7頂端到達(dá)完全失重位點(diǎn)，根據(jù)記錄的強(qiáng)磁場表觀重力分析裝置中三維位移平臺10的x軸、y軸、z軸的位移值與超導(dǎo)磁體3實(shí)驗(yàn)腔高度調(diào)節(jié)三維位移燒球裝置下端三維位移平臺4使電火花塞8距離抗磁性材料絲線7頂端1至2毫米。

最后調(diào)節(jié)高壓電源放電時(shí)間、放電電壓、放電頻率、峰值電流和極間距離，在完全失重位點(diǎn)對抗磁性材料絲線進(jìn)行電火花加工，燒制微測球，從而減小甚至消除燒制抗磁性材料微測球的過程中由重力對微測球產(chǎn)生的偏心及圓度影響。

表1：

表1所示為牛津公司超導(dǎo)磁體的性能參數(shù)。