专利名称：实现硬脆材料超精密磨削的恒微力微进给装置及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种实现硬脆材料超精密磨削的恒微力微进给装置及控制方法，属于硬脆材料磨削加工技术。
背景技术：
目前，硬脆材料超精密磨削的微进给主要采用二种方式。方式一磨削过程在超精密磨床上实施，沿砂轮径向的微进给由机床自身的高精度机电进给系统实现，系统结构复杂、制造成本高，这种系统一般不具有磨削力反馈功能。为了避免工件加工表面的脆性损伤，磨削时一般要严格限制沿砂轮径向的进给量，磨削效率低。方式二磨削过程在精密磨床上实施，沿砂轮径向的微进给由附加在机床上的微进给装置实现。进给精度高、配置灵活、成本低是这种方式的优点，但这种微进给装置一般也不具有磨削力反馈功能，在脆性材料磨削时很难有效避免工件加工表面的脆性损伤，且磨削效率低。因此，有必要寻找进给精度高、配置灵活、成本低且具有磨削力反馈功能的微进给装置及相应的控制方法以适应硬脆材料超精密磨削的要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种实现硬脆材料超精密磨削的恒微力微进给装置及控制方法，该装置配置灵活、成本低、进给精度高，控制方法过程简单。
本发明是通过下述技术方案加以实现的配置在精密磨床上，一种实现硬脆材料超精密磨削的恒微力微进给装置，其特征在于，包括微进给平台1和计算机10，微进给平台1内部装配微位移驱动器2、微位移传感器3和力传感器4，计算机10通过D/A转换器6及微位移驱动器电源5与微进给平台1内的微位移驱动器2相连构成进给步长调整通道控制微进给平台1的进给步长，微位移传感器3和力传感器4通过信号放大器7、8及A/D转换器9与计算机10相连构成信号监测与反馈通道实时监测磨削过程中的实际磨削力和总进给量。
采用上述装置实现恒微力微进给的控制方法，特征在于包括以下过程
微进给平台1内的力传感器4将磨削力信号转换成电压信号，该电压信号经放大器8放大后通过A/D转换器9转换成数字量由计算机10实时监测，计算机10根据监测到的磨削力信号与设定的磨削力上限的的比较结果发出调整微进给平台1的进给步长的数字量以保证实际磨削力不超过设定的磨削力上限，该数字量经D/A转换器6转换成模拟电压，该模拟电压作为微位移驱动器电源5的输入信号控制微位移驱动器电源5产生驱动微进给平台1内的微位移驱动器2的驱动电压，从而控制微进给平台1按计算机10发出的进给步长进给，实现恒微力磨削。
本发明的优点在于，以力传感器监测实际磨削力，根据磨削力反馈结果调整微进给平台的进给步长，将实际磨削力控制在设定的磨削力范围之内，实现恒微力磨削，系统磨削力控制精度高、磨削力的设定范围可调、成本低，系统的磨削力控制精度由力传感器和微进给平台的进给精度决定，可根据实际磨削过程的要求灵活配置，磨削力控制精度可达0.5N。
图1为本发明装置组成框图。
图中1为微进给平台，2为微进给平台1内的微位移驱动器，3为微进给平台1内的微位移传感器，4为微进给平台1内的力传感器，5为微位移驱动器电源，6为D/A转换器，7和8为信号放大器，9为A/D转换器，10为计算机。
图2为本发明的控制方法原理框图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明加以详细说明微位移驱动器2安装在微进给工作台的基体上通过导线与微位移驱动器电源5相连，微位移驱动器2内的压电陶瓷具有电致伸缩效应，在微位移驱动器电源5输出的驱动电压(0～250V)作用下产生微位移，从而推动微进给工作台1进给(0～10μm)，进给精度可达10nm；微位移驱动器电源5通过信号线与D/A转换器6相连，D/A转换器6安装在计算机主板的PCI插槽上，D/A转换器6输出到位移驱动器电源5的控制电压为0～5V，微位移驱动器电源5产生的输出电压为0～250V。微位移传感器3和力传感器4安装在微进给工作台1的基体上通过信号线分别与放大器7和8相连用于测量微进给工作台1的实际进给量和微进给工作台1在磨削过程中所受到的磨削力，微位移传感器3为电容式传感器，测量精度可达10nm；力传感器4为应变式传感器，测量精度可达0.1N，微位移传感器3和力传感器4检测到的位移信号和力信号分别经放大器7和8调制放大成0～10V的标准电压，放大器7和8通过信号线与A/D转换器9相连，A/D转换器9安装在计算机主板的PCI插槽上。
在具体的硬脆材料(如光学玻璃)超精密磨削过程中，首先设定磨削力上限为5N、微进给平台1的总进给量和初始进给步长分别为5μm和100nm，然后由计算机10通过D/A转换器6、微位移驱动器电源5和微位移驱动器2控制微进给平台1按设定的初始进给步长进给并开始磨削过程，由计算机10通过力传感器4、信号放大器8和A/D转换器9实时监测磨削过程的磨削力，如果监测到的磨削力大于设定的磨削力上限，则在下一个进给循环中按比例减小进给步长(当前进给步长＝0.7×上一进给循环的进给步长)；如果监测到的磨削力不大于设定的磨削力上限，则在下一个进给循环中维持当前进给步长不变(即当前进给步长＝上一进给循环的进给步长)。在接近磨削过程终了时，如果设定的微进给平台1的总进给量与实际总进给量的差值大于ε(实际总进给量由计算机10通过微位移传感器3、信号放大器7和A/D转换器9实时监测，ε是一个很小的容差，可在控制软件内部事先设定，本例中ε＝20nm)且不大于上一进给循环的进给步长，则在下一个进给循环中将该差值设为当前进给步长；如果设定的总进给量与实际总进给量的差值大于上一进给循环的进给步长，则根据在当前进给循环监测的磨削力确定下一个进给循环中的进给步长；如果设定的总进给量与实际总进给量的差值不大于ε，则结束磨削过程，在磨削全过程中，磨削力被控制在设定的范围之内，从而实现硬脆材料超精密磨削的恒微力微进给。
权利要求
1.一种实现硬脆材料超精密磨削的恒微力微进给装置，其特征在于，包括微进给平台(1)和计算机(10)，微进给平台(1)内部装配有微位移驱动器(2)、微位移传感器(3)和力传感器(4)，计算机(10)通过D/A转换器(6)及微位移驱动器电源(5)与微进给平台(1)内的微位移驱动器(2)相连构成进给步长调整通道控制微进给平台(1)的进给步长，微位移传感器(3)和力传感器(4)通过信号放大器(7)、(8)及A/D转换器(9)与计算机(10)相连构成信号监测与反馈通道实时监测磨削过程中的实际磨削力和总进给量。
2.一种采用权利要求1所述的装置，实现硬脆材料超精密磨削的恒微力微进给的控制方法，其特征在于在于包括以下过程微进给平台(1)内的力传感器(4)将磨削力信号转换成电压信号，该电压信号经放大器(8)放大后通过A/D转换器(9)转换成数字量由计算机(10)实时监测，计算机(10)根据监测到的磨削力信号与设定的磨削力上限的的比较结果发出调整微进给平台(1)的进给步长的数字量以保证实际磨削力不超过设定的磨削力上限，该数字量经D/A转换器(6)转换成模拟电压，该模拟电压作为微位移驱动器电源(5)的输入信号控制微位移驱动器电源(5)产生驱动微进给平台(1)内的微位移驱动器(2)的驱动电压，从而控制微进给平台(1)按计算机(10)发出的进给步长进给，实现恒微力磨削。
全文摘要
本发明公开了一种实现硬脆材料超精密磨削的恒微力微进给装置及控制方法，属于硬脆材料磨削加工技术。装置包括微进给平台和计算机，微进给平台内的微位移驱动器、微位移传感器和力传感器。计算机、D/A、微位移驱动器电源与微位移驱动器构成进给步长通道，微位移传感器、力传感器、放大器及A/D与计算机构成信号监测与反馈通道。控制过程磨削力信号转换成电压信号，通过A/D转换成数字量由计算机实时监测，计算机根据监测到的磨削力信号，与设定的磨削力上限比较的结果发出调整微进给平台的进给步长的数字量，数字量经D/A转换成模拟电压，以驱动微位移驱动器，实现恒微力磨削。本发明的优点在于，配置成本低、磨削力控制精度可达0.5N。
文档编号B24B47/20GK1887528SQ20061001478
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月17日 优先权日2006年7月17日
发明者任成祖 申请人:天津大学