抗磁性材料制备高精度微测球的重力抵消装置的制作方法

本发明涉及三坐标测量机微纳米测球领域，具体是基于磁化力的抗磁性材料制备高精度微测球的重力抵消装置。

背景技术：

随着纳米加工技术的发展，当微型产品的精确度增加的同时，对高精度微三维的测量需求也相应增加。最可靠的测量三维部件大小、形态和空间位置的方式就是使用球形尾部，接触式测头测量系统，如微纳米三坐标测量机。在一个接触式探头中，最重要的组成部分就是球形尖端。一个接触式探头能够实现非接触式探头难以测量的高纵横比的微孔，槽和侧壁的测量。利用电火花加工制备测球时，纤维尖端温度升高，并开始熔化，最终形成一个球体。球形尖端越大，重力的作用愈发明显，将球尖端拖向重力场方向。

目前的研究领域主要是旋转法来弥补重力对测球偏心的影响，比如台湾大学制造的微型尖端小球，就是通旋转法来消除重力的影响。实验中能通过使纤维绕着轴线180°旋转从而使球心偏移距离最小化，这可以抵消一部分重力带来的影响。由于加工能量仍然十分巨大，导致球形尖端因质量的增加在再次移向重力场，若电弧清零周期保持不变，偏心将不可能被完全消除，会产生过补偿现象。这仍将会制造出一个无法被接受的探头，这是由于尖端与杆之间逐渐固化段的形成，也导致尖端的形状更像微滴而非球形。当使用该装置补偿先前周期的测球偏心时，各个参数必须进行相应的调整，从而能较好地消除重力对微测球产生的偏心影响。由于旋转法补偿测球偏心无法保证同轴度，所以制成的微测球不满足同轴度的要求。

专利名称：高精度微测球制备与监测装置,专利号：201610302455.8中提出一种装置，该装置利用洛仑兹力消除重力在烧制微测球中的影响，但此方法适用于导电性较好的材料烧制微测球的场合。

所以我们提出一种装置，该装置能够为导电性较差且为抗磁性材料烧制微测球的场合提供微重力甚至无重力环境。在无重力环境下进行科学研究是非常少的，大多是航空航天领域模拟无重力环境进行科学研究，另外一部分就是生命科学利用无重力环境进行科学。对于普通的生活领域和制造业，很少有无重力环境的模拟。所以，本文提出的利用大梯度强磁场模拟无重力环境的方法，能够减小甚至去除抗磁性材料在烧制测球时重力产生的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种抗磁性材料制备高精度微测球的重力抵消装置，利用磁化力产生无重力环境，从而减小甚至消除烧制抗磁性材料微测球的过程中由重力对微测球产生的偏心及圆度影响。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

抗磁性材料制备高精度微测球的重力抵消装置，包括光学平台5、大梯度强磁场系统、强磁场表观重力分析装置，光学平台5上放置三维位移烧球装置，三维位移烧球装置包括上三维位移平台2、下三维位移平台4，且上三维位移平台2与下三维位移平台4通过检测支架1固定连接成一体，上三维位移平台2上固定有带中孔的铅笔状柱体6，抗磁性材料丝线7插入铅笔状柱体6的中孔内，下三维位移平台4上固定有电火花塞8，通过上三维位移平台2的x方向螺旋测微杆可以控制上三维位移平台2在x轴方向移动，通过上三维位移平台2的y方向螺旋测微杆可以控制上三维位移平台2在y轴方向的移动，通过上三维位移平台2的z方向螺旋测微杆可以控制上三维位移平台2在z轴方向的移动；通过调节上三维位移平台2与下三维位移平台4的位置将电火花塞8与抗磁性材料丝线7位于同一轴线，高压电源的阴极连线连在电火花塞8的尾部，高压电源阳极连线连在抗磁性材料丝线7尾部；所述大梯度强磁场系统由超导磁体3产生，超导磁体3由两个线圈构成，一个是主线圈，另一个是反向线圈；所述强磁场表观重力分析装置包括有特斯拉计11、三维位移平台10和置于光学平台5上的磁感应检测支架9，特斯拉计11固定于三维位移平台10上，三维位移平台10固定于磁感应检测支架9上，调节三维位移平台10从而调节特斯拉计11以达到检测超导磁体3实验腔中不同位点的磁感应强度。

所述主线圈由铌三锡或铌钛线圈组成，产生的磁场是强磁场，数值高达16特斯拉；反线圈由铌三锡线圈组成，通电导线材料选取nb3sn或nbti以适应超导磁体3通有大电流情况下产生的热量。

所述大梯度强磁场系统还包括降温装置，降温装置为装有液氦或液氨的内杜瓦瓶，将nb3sn或nbti线圈浸没在液氦中用于降温。

所述高压电源的阴极连线连在电火花塞8的尾部采用焊锡连接。

本发明应用于利用高压电源，并采用电火花加工的方式烧制抗磁性材料微测球的场合，由于在烧制微测球的过程中，抗磁性材料丝线7处于超导磁体3实验腔中，即磁场中，受到了磁化力，磁化力方向与重力方向相同或相反。当重力方向和磁化力方向相反，且重力大小与磁化力大小相等时，则合力等于0，即抗磁性材料丝线7在磁场中的表观重力水平为-1，则该位置为抗磁性材料丝线7在磁场中的完全失重位点。抗磁性材料制备高精度微测球时，只要在完全失重位点烧制微测球，即可减小甚至消除重力对微测球偏心及球度的影响。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1.利用超导磁体产生大梯度磁场，利用抗磁性材料在磁场中受到的磁化力抵消重力，从而减小甚至抵消抗磁性材料在烧制测球时重力对测球球度和偏心的影响。

2.本发明能够为导电性差且为抗磁性材料烧制微测球的场合提供微重力甚至无重力环境。

3.本发明以特斯拉计作为反馈，可以准确定位超导磁体实验腔中抗磁性材料的完全失重位点。

附图说明

图1为本发明整体方案示意图；

图2为本发明外形示意图；

图3为本发明中三维位移烧球装置与大梯度磁场系统剖面示意图；

图4为本发明中强磁场表观重力分析装置示意图。

具体实施方式

参见附图，抗磁性材料制备高精度微测球的重力抵消装置，包括光学平台5、大梯度强磁场系统、强磁场表观重力分析装置，光学平台5上放置三维位移烧球装置，三维位移烧球装置包括上三维位移平台2、下三维位移平台4，且上三维位移平台2与下三维位移平台4通过检测支架1固定连接成一体，上三维位移平台2上固定有带中孔的铅笔状柱体6，抗磁性材料丝线7插入铅笔状柱体6的中孔内，下三维位移平台4上固定有电火花塞8，通过上三维位移平台2的x方向螺旋测微杆可以控制上三维位移平台2在x轴方向移动，通过上三维位移平台2的y方向螺旋测微杆可以控制上三维位移平台2在y轴方向的移动，通过上三维位移平台2的z方向螺旋测微杆可以控制上三维位移平台2在z轴方向的移动；通过调节上三维位移平台2与下三维位移平台4的位置将电火花塞8与抗磁性材料丝线7位于同一轴线，高压电源的阴极连线连在电火花塞8的尾部，高压电源阳极连线连在抗磁性材料丝线7尾部；所述大梯度强磁场系统由超导磁体3产生，超导磁体3由两个线圈构成，一个是主线圈，另一个是反向线圈；所述强磁场表观重力分析装置包括有特斯拉计11、三维位移平台10和置于光学平台5上的磁感应检测支架9，特斯拉计11固定于三维位移平台10上，三维位移平台10固定于磁感应检测支架9上，调节三维位移平台10从而调节特斯拉计11以达到检测超导磁体3实验腔中不同位点的磁感应强度。

主线圈由铌三锡或铌钛线圈组成，产生的磁场是强磁场，数值高达16特斯拉；反线圈由铌三锡线圈组成，通电导线材料选取nb3sn或nbti以适应超导磁体3通有大电流情况下产生的热量；大梯度强磁场系统还包括降温装置，降温装置为装有液氦或液氨的内杜瓦瓶，将nb3sn或nbti线圈浸没在液氦中用于降温；高压电源的阴极连线连在电火花塞8的尾部采用焊锡连接。

在利用高压电压以电火花加工微测球的过程中，抗磁性材料处于磁场中受到磁化力，磁化力f的表达式如下所示：

其中χ为磁化率，μ为空气的磁导率，b为磁感应强度。则表观重力水平表达式如下所示：

其中g为抗磁性材料所受重力，m为抗磁性材料的质量，g为重力加速度。当表观重力水平为-1时，抗磁性材料丝线即位于完全失重位点，据此表达式可以算出所需的磁感应强度。

本实例中实验装置置于光学平台5上，由所述的大梯度磁场系统中的超导磁体3产生大梯度磁场，再将表观重力分析装置的特斯拉计11一端探入超导磁体3实验腔，然后记录特斯拉计11测量端的初始位置，随后调整强磁场表观重力分析装置中三维移动平台10的x轴、y轴与z轴螺旋测微杆以测量超导磁体3实验腔中不同位点的磁感应强度，到上述理论计算的出的所需磁感应强度对应的位点，最后在记录三维位移平台10的x轴、y轴与z轴的位移值后将表观重力分析装置从超导磁体3实验腔中撤出。在此位点烧球，能够减小甚至抵消抗磁性材料在烧制测球时重力对测球球度和偏心的影响。本实例选用牛津公司生产的超导磁体。

做好探测完全失重位点的工作之后，将三维位移烧球装置置于光学平台5上，首先根据记录的特斯拉计11测量端的初始位置来调节三维位移烧球装置上端上三维位移平台2的x轴、y轴与z轴螺旋测微杆，使抗磁性材料丝线7顶端到达特斯拉计11测量端的初始位置，再调节三维位移烧球装置下端下三维位移平台4的x轴、y轴螺旋测微杆使电火花塞8与抗磁性材料丝线7同轴。然后根据记录的强磁场表观重力分析装置中三维位移平台10的x轴、y轴与z轴的位移值来调节三维位移烧球装置上端三维位移平台2使抗磁性材料丝线7顶端到达完全失重位点，根据记录的强磁场表观重力分析装置中三维位移平台10的x轴、y轴、z轴的位移值与超导磁体3实验腔高度调节三维位移烧球装置下端三维位移平台4使电火花塞8距离抗磁性材料丝线7顶端1至2毫米。

最后调节高压电源放电时间、放电电压、放电频率、峰值电流和极间距离，在完全失重位点对抗磁性材料丝线进行电火花加工，烧制微测球，从而减小甚至消除烧制抗磁性材料微测球的过程中由重力对微测球产生的偏心及圆度影响。

表1：

表1所示为牛津公司超导磁体的性能参数。

技术特征：

技术总结

本发明公开了一种抗磁性材料制备高精度微测球的重力抵消装置，包括光学平台、大梯度强磁场系统、强磁场表观重力分析装置，光学平台上放置三维位移烧球装置，三维位移烧球装置包括上三维位移平台、下三维位移平台，且上三维位移平台与下三维位移平台通过检测支架固定连接成一体，上三维位移平台上固定有带中孔的铅笔状柱体，抗磁性材料丝线插入铅笔状柱体的中孔内，下三维位移平台上固定有电火花塞，通过调节上三维位移平台与下三维位移平台的位置将电火花塞与抗磁性材料丝线位于同一轴线；本发明利用磁化力产生无重力环境，从而减小甚至消除烧制抗磁性材料微测球的过程中由重力对微测球产生的偏心及圆度影响。