超精密硅片用磨削測力儀的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于精密儀器加工領域，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】
[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；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信號，對磨床動態特性和砂輪磨削性能進行監控，并根據磨削力 對砂輪進給速度等工藝參數進行實時調整，實現控制力磨削，使磨削過程處于最佳狀態， 對于提高娃片加工精度和表面質量，保證娃片加工成品率非常必要。但現有的磨削測力儀 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。
【發明內容】
[0003] 為了克服W上現有技術的不足，本發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，監測娃片磨削過程中的動態力信號，W便根據磨削 力對砂輪進給速度進行實時調整。
[0004] 本發明的技術方案是：一種超精密娃片用磨削測力儀，包括內軸、砂輪、=維測力 平臺和傳感系統信號處理器，所述被測娃片固定在=維測力平臺上，砂輪固定在內軸上磨 削被測娃片，=維測力平臺將加工過程中的磨削力發送給傳感系統信號處理器，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 組成的梳齒結構，每個條狀電容單元包括上極板的驅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信號處理器包括信號放大器、數據采集 卡和工控機，所述=維力傳感器的輸出信號經信號放大器轉換和放大后生成模擬信號，數 據采集卡將放大器輸出的模擬信號轉換為數字信號并輸入工控機。每個條狀電容單元的驅 動電極和感應電極寬度相同，驅動電極的長度大于感應電極長度，驅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=b〇感+5右+ 5左，其中，b〇驅為條狀電容單兀的驅動電 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。為彈性介質厚度，G為彈性介質的抗剪模量，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。所述梳齒狀結構包括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或者獨立連接到傳感系統信號 處理器。所述條狀電容單元的寬度a〇 其中，d。為彈性介質厚度，E為彈性介質的楊氏 模量，G為彈性介質的抗剪模量。所述傳感系統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。
[0006] 本發明的有益效果是：在磨削娃片過程中在線檢測磨削力動態信號，對磨床動態 特性和砂輪磨削性能進行監控，并根據磨削力對砂輪進給速度等工藝參數進行實時調整， 實現控制力磨削，使磨削過程處于最佳狀態，提高娃片加工精度和表面質量，保證娃片加 工成品率。另外，本發明的測力儀具有很好的靜動態特性，靈敏度高，線性、重復性好，零 點漂移小，結構簡單，易裝配和調試，成本較低，性能穩定，各項技術指標均達到CIRP 規定的磨削測力儀標準。
【附圖說明】
[0007]圖1是本發明的【具體實施方式】的條狀電容單元及其坐標系。
[0008] 圖2是本發明的【具體實施方式】的條狀電容單元示意圖。
[0009] 圖3是本發明的【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是本發明的【具體實施方式】的平行板=維力壓力傳感器結構圖。
[0014] 圖8是本發明的【具體實施方式】的平行板=維力壓力傳感器驅動電極結構圖。
[0015] 圖9是本發明的【具體實施方式】的平行板=維力壓力傳感器感應電極結構圖。
[0016] 圖10是本發明的【具體實施方式】的通過相同傳遞系數K實現輸出響應求和。
[0017]圖11是本發明的【具體實施方式】的單元電容對的信號差動示意圖。
[0018] 圖12是本發明的【具體實施方式】的測量裝置結構圖。
[0019] 其中，1娃片，2測力儀，3工作臺，4砂輪，5內軸。
【具體實施方式】
[0020] 下面對照附圖，通過對實施例的描述，本發明的【具體實施方式】如所設及的各構件 的形狀、構造、各部分之間的相互位置及連接關系、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幫助本領域技術人員對本發明的發明構思、技術 方案有更完整、準確和深入的理解。
[0021] 本發明的主要思路是：本發明的磨削測力儀，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 在內軸上。
[0022] 磨削測力儀與傳感系統信號處理器連接，構成靜動態標定系統，傳感系統信號處 理器包括信號放大器、數據采集卡、工控機超精密磨床工作時，砂輪磨削娃片產生磨削力， 磨削力經磨削測力儀輸出，輸出信號經信號放大器轉換和放大后生成模擬信號，數據采集 卡將放大器輸出的模擬信號轉換為數字信號。對磨削測力儀施加標準載荷并進行歸一化調 節，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測軟件得出軸向力Fz、徑向力Fx和切向力Fy的大 小，處理數據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 態性能指標。
[0023] 本發明傳感器包括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構，每個條狀電容單元包括上極板的驅動電極和下極板的感應電 極。所述每個條狀電容單元的驅動電極和感應電極寬度相同，驅動電極的長度大于感應電 極長度，驅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=b〇感+5右+ 5左，其中， bu9g為條狀電容單元的驅動電極長度，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。為彈性介質厚度，G為彈性