[发明专利]基于原子力显微镜在薄壁微小球面加工微纳米结构的五轴加工装置及方法

权利要求书

1.一种基于原子力显微镜在薄壁微小球面加工微纳米结构的五轴加工装置，其特征在于所述装置包括AFM、二维微调心机构、精密气浮轴系、二维高精度定位平台和带动AFM进行转动的电动旋转台，二维微调心机构与精密气浮轴系的上端连接，精密气浮轴系的下端与二维高精度定位平台连接，二维高精度定位平台底座固连在AFM的样品台上，电动旋转台与AFM相连接。

2.根据权利要求1所述的基于原子力显微镜在薄壁微小球面加工微纳米结构的五轴加工装置，其特征在于所述二维高精度定位平台由X方向精密工作台和Y方向精密工作台层叠组成，精密气浮轴系的下端与X方向精密工作台的滑块连接，Y方向精密工作台底座固连在AFM的样品台上。

3.根据权利要求2所述的基于原子力显微镜在薄壁微小球面加工微纳米结构的五轴加工装置，其特征在于所述X方向精密工作台与Y方向精密工作台都是毫米尺度、纳米级定位精度的位移台。

4.一种基于原子力显微镜在薄壁微小球面加工微纳米结构的五轴加工方法，其特征在于所述方法步骤如下：

一、将被加工微球固定在二维微调心机构上，对被加工微球和精密气浮轴系进行调心，确定精密气浮轴系旋转轴心与被加工微球球心；

二、寻找加工角度，确定AFM探针和精密气浮轴系回转中心的相对加工位置；

三、AFM探针在接触模式下接触被加工微球，使精密气浮轴系进行旋转，在指定环带上进行加工，完成该环带的微纳米结构；

四、通过控制电动旋转台使AFM探针回缩一定距离，改变AFM转动到另一角度，控制二维高精度定位平台到相应距离，重复步骤三，进行下一环带的加工；

五、重复步骤四，直至完成所有环带的加工。

5.根据权利要求4所述的基于原子力显微镜在薄壁微小球面加工微纳米结构的五轴加工方法，其特征在于所述步骤一中，调心方法如下：

（1）粗调心：首先将CCD与计算机相连，通过调整CCD，当被加工微球旋转整周时，能清晰地在屏幕看到被加工微球在视野范围内；选定一个位置，进入界面后选中被加工微球的轮廓至少3个点，生成被加工微球的轮廓线；然后旋转精密气浮轴系角度至180°，利用上述方法同样提取几点生成被加工微球轮廓线；利用旋转前后轮廓及位置确定精密气浮轴系的回转中心和被加工微球的半径，生成精密气浮轴系旋转轴线与被加工微球中心轴线重合时球的轮廓并确定回转中心位置；最后，通过调节二维微调心机构将被加工微球移动到与生成的轮廓线重合位置，粗调心过程完成；

（2）精调心：首先将经过粗调心的精密气浮轴系置于AFM运动控制部件下方，使AFM探针在四个与二维微调心机构调整旋钮相同的方向分别逼近表面，通过系统显示的AFM探针到达被加工微球表面时的竖直坐标，并比较四个竖直坐标的大小，在这两方向分别用相应旋钮进行调节，多次调节使对应位置的竖直坐标的差值为5-6微米后，精调心过程结束。

6.根据权利要求4所述的基于原子力显微镜在薄壁微小球面加工微纳米结构的五轴加工方法，其特征在于所述步骤一中，确定精密气浮轴系旋转轴心与被加工微球球心的方法为：根据所需加工环带的纬度及位置，控制电动旋转台带动AFM转过相应的角度，控制二维高精度定位平台移动被加工微球至待加工位置；通过两次转动AFM探测头到两已知角度，根据AFM轴线方向的伸长距离及关系式，得到电动转台转动轴心与被加工微球球心的水平和竖直距离，通过计算关系式计算得出转动给定角度对应被加工微球需要移动的距离，从而准确确定AFM探针与精密气浮轴系回转中心的位置。