منتظر

چکيده: پيشرفت هاي روبه جلو درباره استفاده از ماشين هاي بزرگ اندازه گيري مختصات سه بعدي مکانيزم هاي بزرگ آنها در پنج سال گذشته سرعت چشم گيري پيدا کرده است. از آنتجاييکه ماشين هلي اندازه گيري مختصاتي (CMM) وجود ندارد که قادر به اندازه گيري  اندازه ها و مکان ها در قطعات بسيار ريز در مقياس نانو باشد؛ از اين رو، ما شروع به ساخت دستگاه هايي CMMي جديدي نموده ايم که قادر به اندازبه گيري در مقياس نانو مي باشند که نام آنها Nano-CMM مي باشد. Nano-CMM ماشيني است که قادر به اندازه گيري ابعاد و اندازه هاي بسيار ريز ماشين ها و قطعات آنها مي باشد. در اين مقاله ايده هاي اوليه و نيز ساختمان ماشين Nano-CMM توضيح داده مي شود.

کلمات کليدي: ماشين هلي اندازه گيري مختصات سه بعدي، نانو تکنولوژي، دقت تا حد نانومتر، مکانيزم ذره اي

ايده هاي اوليه در مورد ماشين Nano-CMM :

دو نوع دستگاه در اندازه گيري برش عمودي وجود دارند (شکل شماره 1) که اندازه آنها از کوليس ورنيه دار، ميکرومترها و راپرتورها(گيج بلاک ها) به دستگاههاي اندازه گيري مختصات (CMM) افزايش يافت؛ و شکل دستگاههي اندازه گيري که زبري سطح را اندازه گيري مي کردند از انحراف و برش عمودي به دستگاه هاي دستگاه هاي اندازه گيري برش عمودي پيشرفت و تغيير يافت. هم اکنون هر دستگاهي داراي يک مرجع ار محور ها و پردازش کامپيوتري داده ها مي باشد. بنابراين هر دو نوع، در حقيقت يک ماشين اندازه گيري مختصات(CMM) خواهند بود.

مضافاٌ در اندازه گيري برش عمودي AFM (ميکروسکوپ اتمي) و STM )ميکروسکوپ تونل زني پويشي) به عنوان دستگاه هاي اندازه گيري برش عمودي در مقياس نانو استفاده مي شوند. در حاليکه ما هيچ دستگاه اندازه گيري با دقت نانو براي ابعاد سه بعدي قطعات متشين نداريم. از اين رو، ما نياز به ارتقا ماشين هاي Nano-CMM داريم.

شکل 1: اندازه گيري مختصاتي و اندازه گيري برش عمودي

ما موقعيت و هدف يک دستگاه Nano-CMM را به صورت زير بيان کرده ايم: (شکل شماره 2)

  تحول رو به جلوي دستگاه هاي اندازه گيري مختصات از دستگاه هاي برش عمودي و دستگاه هاي اندازه گيري ابعاد به دستگاه هاي اندازه گيري مختصات.

  اهداف اندازه گيري دقيق، محصولاتي با کيفيت بلال براي تولييد کننده است.

  نياز به گسترش Nano-CMM ها به جاي AFM.

قطعاتي که جهت اندازه گيري آنها از Nano-CMM ها استفاده مي شود؛ شامل قطعات بسيار ريز ماشين ها، روبات ها و قطعات نوري مي باشند.

شکل 2: ايده هاي مربوط به Nano-CMM

پيشرفت هاي فاکتورهاي مختلف ماشين Nano-CMM :

جدول شماره 1 و شکل شماره 3 مختصات يک ماشين Nano-CMM را بيان مي کند. تمام مشخصات يک ماشين Nano-CMM 100/1 يا 1000/1 مشخصات يک ماشين CMM معمولي مي باشد.

جدول 1: مشخصات ماشين CMM معمولي و ماشين Nano-CMM

شکل3: از CMM معمولي تا Nano-CMM

براي پيشرفت و ارتقا ماشين Nano-CMM ما مشخصات و نقاط حساس هر فاکتور مانند: مقياس، محرک ها، ميزها و جستجوگر ماشين (سيستم جستجوگر براي ماشين Nano-CMM ) معرفي مي کنيم. در ابتدا تصميم بر آن شد که Nano-CMM ساختماني ساده، منظم و متناسب از مواد مجزا براي پايداري و استواري اندازه گيري ها داشته باشد. بنابراين، سيستم مقياس معمولي (مقياس شيشه اي نوري) و مکانيزم کشويي V انتخاب شدند.

نانو پراب (جستجوگر ماشين Nano-CMM) داراي سيستم هاي دو بعدي و سه بعدي با دقت نانومتر مي باشد. اين مشخصه مهمترين براي پيشرفت و ارتقا يک سيستم نانو پراب مي باشد. همچنين کاليبراسيون و روش هاي توانايي تعقيب نمودن براي پيشرفت و ارتقا يک ماشين Nano-CMM بسطار مهم مي باشند.

مشخصه هاي اصلي هر فاکتور از يک ماشين Nano-CMM در زير به صورت ليست وار بيان شده است:

1- مقياس:

  صحت و دقت دقيق و حيطه سنجش بالا

  پايداري و استواري بسيار بالا شامل: سنسورهاي آنالوگ (تماسي) يا مقياسي

  کاليبراسيون و توانايي تعقيب نمودن بالا

  مقياس شيشه اي نوري که دقت را تا 10 نانومتر افزايش مي دهد.

2- محرک:

  حيطه حرکت و دقت بالا

  پس خورد کنترل (فيدبک کنترل) به واسطه مقياس

  فاقد مکان يابی دقيق

  فاقد سرعت بالای مکان يابی

  پيچش هاي معمولي

3- ميز:

  ساختماني مناسب

  حالتي کشويي همراه با مقياس و محرک (شکل شماره 4)

  کشوهاي V مضاعف با پوسته اي نازک از جنس تفلون (PTFE)

شکل 4: سيستم کشويي روان

4- نانو پراب: (شکل شماره5)

  پراب توپي

  کروي بودن توپي به جهت شيوه اندازه گيري در مقياس نانو

  سنسورهاي دو و سه بعدي

  دقت در حد نانومتر

شکل 5: مثال هايي از سيستم نانو پراب

5- مواد بکار برده شده:

  مواد مجزا

  رسانش گرمايي بالا

  انبساط حرارتي پايين

ساختمان ماشين Nano-CMM :

شکل شماره 6 ساختمان اصلي و ابتدايي يک ماشين Nano-CMM را که از شالوده، پاپه X، پايه Y، محرک و مقياس ها تشکيل شده است؛ نشان مي دهد. به منظور مشخص کردن شکل و فرم پايه X، با چهار نوع مدل از پايه هاي X در تأثيرات ناشي از دفرمه و تغيير شکل، رسانايي گرمايي و دفرمه شدن گرمايي (انبساطي) بررسي نموديم.

شکل 6: ساختمان يک ماشين Nano-CMM

شکل شماره 7 چهار مدل از پايه هاي X را نشان مي دهد. مدل هاي 1 و 2 داراي شکل مثلثي هستند. در حاليکه مدل هاي 3 و 4 داراي شکا و فرم کماني و قوسي مي باشند. از نرم افزارFEM(FINAS) در آناليز تمامي موارد ذکر شده استفاده مي شود.

شکل 7: چهار مدل پايه X

آناليز تنش:

در ابتدا تأثيرات ناشي از فشارهاي اندازه گيري و حرکات و فشارهاي ناشي از اتصالات محاسبه مي شوند. شکل شماره 8 يکي از نتايج آناليز تنش را در شرايط زير نشان مي دهد:

نرم افزار FEM : FINAS

شکل 8: دفرمه شدن پايه X بر اثر تنش و فشارهاي ناشي از نيروهاي وارده

بيشترين دفرمه شدن پايه X از چهار مدل ذکر شده (مدل هاي 1، 2، 3 و4)توسط تنش ها و رفتارهاي ناشي از نيروها به ترتيب 27 نانومتر، 22 نانومتر، 2 نانومتر و 1 نانومتر مي باشد. بهترين فرم ها در اين آناليز مدل هاي 3 و 4 مي باشند زيرا نوع قوسي در مقابل تنش ها و فشارهاي هر نيرويي مقاوم است.

آناليز رسانش گرمايي:

دوم، رسانش گرمايي هر ماده (پنج ماده شامل: آلمينيوم، چدن، فولاد زنگ نزن، Zerodur و سيلسيوم) به وسيله مدل 4 آناليز شدند. شکل شماره 9 نتايج حاصله از رسانش گرمايي را در شرايط زير نشان مي دهد.

نرم افزار FEM : FINAS

شکل 9: شرايط گرمايي پايه X

زمان هاي تعادل گرمايي پايه X (شامل مواد: آلمينيوم، چدن، فولاد زنگ نزن، Zerodur و سيلسيوم) به ترتيب 40 ثانيه،180 ثانيه،335 ثانيه، بالاي 500 ثانيه و 70 ثانيه مي باشند. بهترين ماده با سرعت زسانش بالا آلمينيوم مي باشد.

آناليز دفرمه شدن گرمايي: (آناليز دفرمه شدن بر اثر گرما)

شکل شماره 10 يکي از نتايج دفرمه شدن گرمايي را بر اساس تنش و فشار ناشي از گرما را نشان مي دهد. بيشترين دفرمه شدن گرمايي برای هر يک از مواد (آلمينيوم، چدن، فولاد زنگ نزن، Zerodur و سيلسيوم) به ترتيب 3/1 ميکرومتر، 6/0 ميکرومتر، 1/1 ميکرومتر، 0002/0 ميکرومتر و 2/0 ميکرومتر می باشد.

دفرمه شدن گرمايی 100 مرتبه بزرگتر و بيشتر از دفرمه شدن ناشی از فشار می باشد؛ بنابراين به اين نتيجه دست يافتيم که در يک ماشين Nano-CMM شرايط گرمايی بسيار مهمتر از نيروهای وارده می باشد.

شکل 10: دفرمه شدن حاصل از فشار گرمايی بر پايه X

نتايج:

در پايان ما به نتايج زير که از يکسری شبيه سازی هايی که مشخص کننده ساختمان پايه X اين ماشين می باشد توسط نرم افزار FEM دست يافته ايم که عبارتند از:

1- از آناليز تنش؛ بهترين فرم، مدل پلی با نوع قوسی يا کمانی در داخل می باشد.

2-در آناليز گرمايی؛ آلمينيوم، Zerodur و سيلسيوم بهترين مواد برای ماشين هایNano CMM می باشند..

3- دفرمه شدن حاصل از گرما 100 مرتبه بيشتر و بزرگتر از دفرمه شدن حاصل از نيروها است.

4- در يک ماشين Nano-CMM شرايط گرمايی بسيار مهمتر از نيروهای وارده بر ماشين می باشند.