关联尺寸公差和几何公差的公差原则的应用对提高机械零件的互换性、降低制造成本具有重要意义。针对目前公差分析中很少考虑公差原则的情况,提出了一种考虑公差原则影响的统计公差分析方法。该方法采用小位移旋量参数建立尺寸和几何特征变动区域的表达模型,并将公差原则应用而获得的奖励公差建模为旋量参数的附加约束,然后将这些具有附加约束的小位移旋量集成到统一雅可比-旋量模型中,结合蒙特卡罗模拟技术实现统计公差分析。最后,通过齿轮装配实例验证该方法的可行性和有效性。

研究开发了一种大行程纳米级共运动平面二维工作台,该工作台采用宏/微两级驱动,宏驱动由滑动导轨、直流无刷电机、精密丝杠组成,微驱动由平行平板柔性铰链和压电陶瓷组成。对平行平板柔性铰链进行了力学分析,并推导计算了其固有频率。工作台移动范围为50mm×50mm,可实现5nm的运动分辨率。工作台在X、Y方向分别装有衍射光栅计量系统,宏微位移由同一套衍射光栅计量系统进行位移计量,计量系统的有效位移分辨率为2.3nm。该二维工作台具有通用化和小型化特点,可以用于微纳米表面的测量与微机电系统的控制与加工。

研制了基于同一显微镜基体实现原子力探针扫描测量与非接触光学测量两种功能的复合型超精密表面形貌测量仪。分析了基于白光显微干涉原子力探针的测量方法、探针微悬臂变形量与白光干涉条纹移动量的关系以及探针微悬臂测量非线性误差的修正方法,和通过融合垂直扫描系统的位移量和悬臂梁变形量得到了原子力探针的工作方式。研制了三维精密位移系统和基于白光显微干涉的原子力探针测头。采用原子力探针扫描测量对NT-MDT公司生产的扫描探针校准光栅TGZ2_PTB进行了重复性实验,实验显示标准差为0.96nm,相对重复性误差为3.08%。给出了原子力探针扫描测量、相移干涉测量及白光干涉垂直扫描测量的测量实例。实验结果表明,所研制的超精密表面形貌测量仪可用于超精密加工工程表面、光学表面以及微纳几何结构的测量。