專(zhuān)利名稱(chēng)：一種砂輪軸傾斜角度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超精密磨削技術(shù)領(lǐng)域，涉及超精密磨床的砂輪軸傾斜角度測(cè)量，特別涉及超精密磨床的砂輪軸相對(duì)于工件軸傾斜角度的高精度測(cè)量。
背景技術(shù)：
磨削集成電路制造用硅片以及光電晶體基片時(shí)，為了減小砂輪與工件間的磨削接觸區(qū)面積,需要使砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)相對(duì)于工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)傾斜一微小角度；通過(guò)微調(diào)整砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)和工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)之間的夾角，可以補(bǔ)償材料去除的非均勻性以及機(jī)床變形，從而提高工件的平整度。利用杯形砂輪端面切入磨削的方法加工核主泵用密封環(huán)的平端面、圓錐面等軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)表面時(shí)，需要精確設(shè)定砂輪回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)相對(duì)于工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的傾斜角度。采用基于二軸聯(lián)動(dòng)的杯形砂輪端面切入磨削的方法加工核主泵用等傾波紋面型密封環(huán)時(shí)，以及采用基于三軸聯(lián)動(dòng)的杯形砂輪端面切入磨削的方法加工核主泵用斜波紋面型密封環(huán)時(shí)，需要精確設(shè)定砂輪回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的傾斜角度。在磨床上原位測(cè)量所磨削的密封環(huán)的面形精度時(shí)也需要精確測(cè)量砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的傾斜角度。公知的砂輪軸傾斜角度測(cè)量方法還存在精度不足問(wèn)題。例如，測(cè)量前需要試磨工件，然后在砂輪軸上固定接觸式測(cè)頭，例如測(cè)量千分表、或者LVDT氣浮式測(cè)頭，測(cè)量工件表面上若干點(diǎn)，再根據(jù)一定算法計(jì)算出砂輪軸的傾斜角度。然而，經(jīng)過(guò)試磨的工件面形精度仍然不高，接觸式測(cè)頭的重復(fù)精度較低，現(xiàn)有算法過(guò)于粗略。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種砂輪軸傾斜角度測(cè)量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)相對(duì)于工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的傾斜角度的高精度測(cè)量。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)采用一個(gè)激光位移傳感器、一個(gè)光學(xué)平晶、一個(gè)工件軸、一個(gè)砂輪軸，通過(guò)激光位移傳感器做非接觸式測(cè)量。激光位移傳感器的重復(fù)精度小于O. 02微米，線(xiàn)性度小于O. 05%。光學(xué)平晶的直徑大于150毫米，平面度小于λ/10。工件軸的徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)為(TO. I微米。砂輪軸的徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)為(Γ0. I微米。激光位移傳感器安裝在砂輪軸的前端，其射出光束與砂輪軸線(xiàn)平行，該激光位移傳感器能夠繞砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)做高精度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。光學(xué)平晶夾持在工件軸前端中心處且光學(xué)平晶與工件軸的軸線(xiàn)垂直。轉(zhuǎn)動(dòng)砂輪軸時(shí)激光位移傳感器的光斑能夠通過(guò)光學(xué)平晶的中心。砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)相對(duì)于工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的傾斜角度以俯仰角α和側(cè)偏角β表示。定義過(guò)砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)上一點(diǎn)O和工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的平面為Ω，定義過(guò)點(diǎn)O、垂直平面Ω且平行工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的平面為Π，α為砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)在平面Π上投影與過(guò)點(diǎn)O且平行工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的直線(xiàn)的夾角，β為砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)在平面Π上投影與砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的夾角。
測(cè)量砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)與工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)傾斜角度時(shí)，回轉(zhuǎn)臺(tái)固定不動(dòng)，砂輪軸帶動(dòng)激光位移傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，依次從光學(xué)平晶外周邊、光學(xué)平晶中心和外周邊另一側(cè)選取三點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，這三點(diǎn)分別記為A、B和C。測(cè)量點(diǎn)A、B和C時(shí)激光位移傳感器分別在點(diǎn)P”P(pán)2和P3，這三點(diǎn)對(duì)應(yīng)相位角分別為ΦΑ、ΦΒ Ρ Φ。，測(cè)量讀數(shù)分別為hA、0和h。。激光光斑中心到砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的距離R和光學(xué)平晶的半徑&給定后，α和β由下面方程組解出(Αλ cosa sin β + R cos /^sin -/^sinasin βοο^φ^)" +(/《cosacos#' - R)~ =11'hA cos a cos β - Rsin β sin φΑ-R sin a cos β cos φΑ = h0cos ^ sin - sin a sin/ cos = 0Iicosa cos0{>> -Rd =0-sin β χ\ φ、' — sin a cos夕 cos九=h(/ ,. cosa sin β jT Rcq% β \\ - Rsin a sin /^cosφ,.)" +(/ C0S7C0S( - Ra)' =Rqhc cos a cos β -R sin # sin -Rsina cos β cos φ{(diào), =/ ()式中Iltl為激光位移傳感器光斑落在點(diǎn)B時(shí)過(guò)點(diǎn)B做砂輪軸線(xiàn)垂線(xiàn)所得垂足與光學(xué)平晶沿z方向的距離。本發(fā)明的效果和益處是克服了現(xiàn)有砂輪軸傾斜角度測(cè)量方法存在的精度不足問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)相對(duì)于工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的傾斜角度的高精度測(cè)量，可用于硅片超精密磨削、核主泵用密封環(huán)超精密磨削過(guò)程中砂輪軸傾斜角度的精確測(cè)量和設(shè)定。


圖I是砂輪軸傾斜角度測(cè)量示意圖。圖2是砂輪軸傾斜角度測(cè)量用坐標(biāo)系示意圖。圖中1工件軸；2工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)；3光學(xué)平晶；4激光位移傳感器；5砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)；6砂輪軸前端。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。圖I為砂輪軸傾斜角度測(cè)量示意圖。采用一個(gè)激光位移傳感器、一個(gè)光學(xué)平晶、一個(gè)空氣軸承支撐的工件軸、一個(gè)空氣軸承支撐的砂輪軸，通過(guò)激光位移傳感器做非接觸式測(cè)量。激光位移傳感器的重復(fù)精度為0.005微米，線(xiàn)性度小于0.05%。光學(xué)平晶的直徑為200毫米，平面度為λ/20。工件軸的徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)為0.05微米。砂輪軸的徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)為0. 05微米。激光位移傳感器安裝在砂輪軸的前端，其射出光束與砂輪軸線(xiàn)平行，該激光位移傳感器能夠繞砂輪的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)做高精度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。光學(xué)平晶夾持在工件軸前端中心處且光學(xué)平晶與工件軸的軸線(xiàn)垂直。轉(zhuǎn)動(dòng)砂輪軸時(shí)激光位移傳感器的光斑能夠通過(guò)光學(xué)平晶的中心。砂輪軸傾斜角度測(cè)量用坐標(biāo)系見(jiàn)圖2。坐標(biāo)系0x3y3z3固定在砂輪軸上，原點(diǎn)O為過(guò)激光光斑中心所做砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的垂線(xiàn)的垂足。激光位移傳感器的回轉(zhuǎn)圓周在x3y3平面上，Z3軸與砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)重合；點(diǎn)O1為過(guò)點(diǎn)O做工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的垂足，坐標(biāo)系O1Xyz固定在回轉(zhuǎn)軸上，z軸與回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)重合，原點(diǎn)為O1 ;坐標(biāo)系0x2y2z2以點(diǎn)O為原點(diǎn)，Z2軸與z軸平行,點(diǎn)O1在y2軸的負(fù)半軸上；坐標(biāo)系O1X1Y1Z1以點(diǎn)O1為原點(diǎn)，Z1軸與z軸重合，Y1軸與y2軸重合。砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)相對(duì)于工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的傾斜角度以俯仰角α和側(cè)偏角β表示。其中α為砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)與其在X2Z2平面投影的夾角，β為Z3軸線(xiàn)與砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)在X2Z2平面投影夾角。測(cè)量砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)與工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)傾斜角度時(shí)，將光學(xué)平晶夾持在工件軸前端中心處且使光學(xué)平晶與工件軸的軸線(xiàn)垂直。工件軸固定不動(dòng)，砂輪軸帶動(dòng)激光位移傳感器順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，依次從光學(xué)平晶外周邊、光學(xué)平晶中心和外周邊另一側(cè)選取三點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，這三點(diǎn)分別記為Α、Β和C。測(cè)量點(diǎn)Α、Β和C時(shí)激光位移傳感器分別在點(diǎn)PpP2和P3，相位角分別為ΦΑ、ΦΒ和Φ。，測(cè)量讀數(shù)分別為hA、0和h。。點(diǎn)A在坐標(biāo)系0x3y3z3下的坐標(biāo)為
權(quán)利要求
1.一種砂輪軸傾斜角度測(cè)量方法，采用一個(gè)激光位移傳感器、一個(gè)光學(xué)平晶、一個(gè)工件軸、一個(gè)砂輪軸，通過(guò)激光位移傳感器做非接觸式測(cè)量，其特征是，激光位移傳感器安裝在砂輪軸的前端，其射出光束與砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)平行，該激光位移傳感器能夠繞砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，光學(xué)平晶夾持在工件軸前端中心處且光學(xué)平晶與工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)垂直，轉(zhuǎn)動(dòng)砂輪軸時(shí)激光位移傳感器的光斑能夠通過(guò)光學(xué)平晶的中心。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種砂輪軸傾斜角度測(cè)量方法，其特征在于，激光光斑中心到砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的距離R和光學(xué)平晶的半徑Rtl需要給定。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種砂輪軸傾斜角度測(cè)量方法，其特征在于，工件軸固定不動(dòng)，砂輪軸帶動(dòng)激光位移傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，依次從光學(xué)平晶外周邊、光學(xué)平晶中心和外周邊另一側(cè)選取三點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的一種砂輪軸傾斜角度測(cè)量方法，其特征在于，砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的俯仰角α和砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的側(cè)偏角β由下面方程組解出(/ Λcosasiny + RcosβsinφΑ -Κ ηαsinβcosφΑ)~ +(iicosαcos- Rf =R^h cos a cos β -R sin β sin φΑ - sin α cos β cos φΑ = h0cos β sin φΒ - sin a sin β cos = 0cos a cos ^ -Rd = 0— sin /3 η φ{(diào)> — sin a cos/ cos九=1%{hc cos a sin + i cos β sin φ€ - Λ sin a sin y cos φ€ )- +(7 cos a cos -i d)2 =Rqhc cos a cos β -R%\\\ ^sin -R sin a cos β cos φ{(diào), = / ,其中匕、0和比分別為依次從光學(xué)平晶外周邊、光學(xué)平晶中心和外周邊另一側(cè)選取三點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)激光位移傳感器的讀數(shù)。
全文摘要
一種砂輪軸傾斜角度測(cè)量方法，屬于超精密磨削技術(shù)領(lǐng)域，采用一個(gè)激光位移傳感器、一個(gè)光學(xué)平晶、一個(gè)工件軸、一個(gè)砂輪軸。其特征在于，激光位移傳感器安裝在砂輪軸的前端，其射出光束與砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)平行，光學(xué)平晶夾持在工件軸前端中心處且光學(xué)平晶與工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)垂直，轉(zhuǎn)動(dòng)砂輪軸時(shí)激光位移傳感器的光斑能夠通過(guò)光學(xué)平晶的中心。激光光斑中心到砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的距離和光學(xué)平晶的半徑需要給定；通過(guò)測(cè)量激光位移傳感器距光學(xué)平晶中心點(diǎn)和外周邊上兩點(diǎn)的距離來(lái)計(jì)算砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)相對(duì)于工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的傾斜角度。本發(fā)明的效果和益處是能夠?qū)崿F(xiàn)砂輪軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)相對(duì)于工件軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的傾斜角度的高精度測(cè)量。
文檔編號(hào)G01C9/00GK102944222SQ201210436120
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者霍鳳偉, 康仁科, 郭東明, 馮光 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)