超精密硅片用磨削測力儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于精密儀器加工領(lǐng)域，設及到超精密娃片加工，具體設及到一種超精密 娃片用磨削測力儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 超精密磨削娃片的加工過程中，磨削力一方面直接反映了磨削振動和砂輪磨損 等磨削狀態(tài)；另一方面，磨削力不僅會引起機床的變形，影響娃片加工精度，而且會導 致娃片磨削表面損傷，對娃片加工表面質(zhì)量有很大的影響，特別在娃片背面磨削減薄加工 中，由于加工娃片厚度越來越薄，磨削力的變化，極易引起娃片破碎，因而，在磨削娃片過 程中在線檢測磨削力動態(tài)信號，對磨床動態(tài)特性和砂輪磨削性能進行監(jiān)控，并根據(jù)磨削力 對砂輪進給速度等工藝參數(shù)進行實時調(diào)整，實現(xiàn)控制力磨削，使磨削過程處于最佳狀態(tài)， 對于提高娃片加工精度和表面質(zhì)量，保證娃片加工成品率非常必要。但現(xiàn)有的磨削測力儀 都有各自的應用范圍和使用條件，使用具有較大的局限性，國外的一些測力儀工藝要求高、 成本高，不適合廣泛使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服W上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種超精密娃片用磨削測力儀，通過 在工作臺與被測娃片之間設置測力儀，監(jiān)測娃片磨削過程中的動態(tài)力信號，W便根據(jù)磨削 力對砂輪進給速度進行實時調(diào)整。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種超精密娃片用磨削測力儀，包括內(nèi)軸、砂輪、=維測力 平臺和傳感系統(tǒng)信號處理器，所述被測娃片固定在=維測力平臺上，砂輪固定在內(nèi)軸上磨 削被測娃片，=維測力平臺將加工過程中的磨削力發(fā)送給傳感系統(tǒng)信號處理器，所述=維 測力平臺包括多個=維力傳感器，所述=維力傳感器包括X方向差動電容單元組合和Y方 向差動電容單元組合，所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合均包括兩 個W上相互形成差動的電容單元模塊，所述電容單元模塊采用由兩個W上的條狀電容單元 組成的梳齒結(jié)構(gòu)，每個條狀電容單元包括上極板的驅(qū)動電極和下極板的感應電極，所述X 方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合的電容值求和計算電容傳感器的法向 力且消除切向力影響。
[0005] 超精密娃片用=維磨削測力儀的傳感系統(tǒng)信號處理器包括信號放大器、數(shù)據(jù)采集 卡和工控機，所述=維力傳感器的輸出信號經(jīng)信號放大器轉(zhuǎn)換和放大后生成模擬信號，數(shù) 據(jù)采集卡將放大器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸入工控機。每個條狀電容單元的驅(qū) 動電極和感應電極寬度相同，驅(qū)動電極的長度大于感應電極長度，驅(qū)動電極長度兩端分別 預留左差位5左和右差位5右，b〇驅(qū)=b〇感+5右+ 5左，其中，b〇驅(qū)為條狀電容單兀的驅(qū)動電 極長度，b〇感為條狀電容單元的感應電極長度。所述差位5左=5右，且S',. 其中 d。為彈性介質(zhì)厚度，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量，Xm。、為最大應力值。所述兩組相互形成差動 的電容單元模塊的條狀電容單元的驅(qū)動電極和感應電極沿寬度方向設有初始錯位偏移，錯 位偏移大小相同、方向相反。所述梳齒狀結(jié)構(gòu)包括20個W上條狀電容單元、與條狀電容單 元一一對應連接的引線，相鄰兩條狀電容單元之間設有電極間距ae。所述平行板面積S= M(a"+ajb。，其中，M為條狀電容單元數(shù)量，b。為條狀電容單元的長度，a。條狀電容單元的寬 度。所述電容單元模塊的每個條狀電容單元的引線通過并聯(lián)或者獨立連接到傳感系統(tǒng)信號 處理器。所述條狀電容單元的寬度a〇 其中，d。為彈性介質(zhì)厚度，E為彈性介質(zhì)的楊氏 模量，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量。所述傳感系統(tǒng)信號處理器和電容單元模塊之間設有中間 變換器，中間變換器用于設置電壓對電容或頻率對電容的傳輸系數(shù)。
[0006] 本發(fā)明的有益效果是：在磨削娃片過程中在線檢測磨削力動態(tài)信號，對磨床動態(tài) 特性和砂輪磨削性能進行監(jiān)控，并根據(jù)磨削力對砂輪進給速度等工藝參數(shù)進行實時調(diào)整， 實現(xiàn)控制力磨削，使磨削過程處于最佳狀態(tài)，提高娃片加工精度和表面質(zhì)量，保證娃片加 工成品率。另外，本發(fā)明的測力儀具有很好的靜動態(tài)特性，靈敏度高，線性、重復性好，零 點漂移小，結(jié)構(gòu)簡單，易裝配和調(diào)試，成本較低，性能穩(wěn)定，各項技術(shù)指標均達到CIRP 規(guī)定的磨削測力儀標準。
【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元及其坐標系。
[0008] 圖2是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元示意圖。
[0009] 圖3是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元右向偏移示意圖。
[0010] 圖4是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元左向偏移示意圖。
[0011] 圖5是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元對的初始錯位圖。
[0012] 圖6是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元對受力后偏移圖。
[0013] 圖7是本發(fā)明的【具體實施方式】的平行板=維力壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。
[0014] 圖8是本發(fā)明的【具體實施方式】的平行板=維力壓力傳感器驅(qū)動電極結(jié)構(gòu)圖。
[0015] 圖9是本發(fā)明的【具體實施方式】的平行板=維力壓力傳感器感應電極結(jié)構(gòu)圖。
[0016] 圖10是本發(fā)明的【具體實施方式】的通過相同傳遞系數(shù)K實現(xiàn)輸出響應求和。
[0017]圖11是本發(fā)明的【具體實施方式】的單元電容對的信號差動示意圖。
[0018] 圖12是本發(fā)明的【具體實施方式】的測量裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0019] 其中，1娃片，2測力儀，3工作臺，4砂輪，5內(nèi)軸。
【具體實施方式】
[0020] 下面對照附圖，通過對實施例的描述，本發(fā)明的【具體實施方式】如所設及的各構(gòu)件 的形狀、構(gòu)造、各部分之間的相互位置及連接關(guān)系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及 操作使用方法等，作進一步詳細的說明，W幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思、技術(shù) 方案有更完整、準確和深入的理解。
[0021] 本發(fā)明的主要思路是：本發(fā)明的磨削測力儀，利用電容式壓力傳感器的縱向和剪 切效應，將多個電容式壓力傳感器，按照一定的空間布局，構(gòu)建一個=維測力平臺，并與機 床工作臺固定，其上安裝被測工件，被測娃片吸附在測力儀上保證測試精度。砂輪磨削工件 產(chǎn)生磨削力，工件將磨削力傳遞到測力儀，測力儀感受磨削力并輸出，相對于砂輪的高速 回轉(zhuǎn)運動，測力儀運動形式與機床工作臺一致，基本上是平移或隨工作臺擺動，砂輪固定 在內(nèi)軸上。
[0022] 磨削測力儀與傳感系統(tǒng)信號處理器連接，構(gòu)成靜動態(tài)標定系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)信號處 理器包括信號放大器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機超精密磨床工作時，砂輪磨削娃片產(chǎn)生磨削力， 磨削力經(jīng)磨削測力儀輸出，輸出信號經(jīng)信號放大器轉(zhuǎn)換和放大后生成模擬信號，數(shù)據(jù)采集 卡將放大器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。對磨削測力儀施加標準載荷并進行歸一化調(diào) 節(jié)，確定磨削測力儀的各向歸一化靈敏度，即磨削測力儀輸出量的變化與引起此變化的輸 入量的變化之比，由裝在工控機中的監(jiān)測軟件得出軸向力Fz、徑向力Fx和切向力Fy的大 小，處理數(shù)據(jù)后建立磨削測力儀的"力值一一示值"標定曲線，得到測力儀的一系列靜動 態(tài)性能指標。
[0023] 本發(fā)明傳感器包括X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合，所述X 方向差動電容單元組合通過電容值相減計算X方向的切向力且消除Y方向切向力影響，所 述Y方向差動電容單元組合通過電容值相減計算Y方向的切向力且消除X方向切向力影 響，所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合的電容值求和計算電容傳感 器的法向力且消除切向力影響。所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合 均包括兩個W上相互形成差動的電容單元模塊，所述電容單元模塊采用由兩個W上的條狀 電容單元組成的梳齒狀結(jié)構(gòu)，每個條狀電容單元包括上極板的驅(qū)動電極和下極板的感應電 極。所述每個條狀電容單元的驅(qū)動電極和感應電極寬度相同，驅(qū)動電極的長度大于感應電 極長度，驅(qū)動電極長度兩端分別預留左差位5左和右差位5右，b〇驅(qū)=b〇感+5右+ 5左，其中， bu9g為條狀電容單元的驅(qū)動電極長度，bug為條狀電容單元的感應電極長度。所述差位5t =5 $，且5左Sd々其中d。為彈性介質(zhì)厚度，G為彈性