本发明属于光学加工领域，尤其涉及一种全口径抛光过程中元件所受抛光摩擦力的测量装置及其测量方法。
背景技术：
全口径抛光是加工大口径平面光学元件的关键技术之一。全口径抛光机床通常采用大尺寸、高热稳定性的天然花岗岩制成抛光盘基盘，基盘表面浇制环形的沥青胶层作为抛光盘。沥青抛光盘的环带表面依次放有修正盘和工件盘，其中修正盘用于修正和控制抛光盘的形状误差，而工件盘则用于把持元件。加工时，抛光盘、修正盘和工件盘均以一定的转速绕逆时针方向匀速旋转，放在工件盘内的光学元件在沥青抛光盘及其承载的抛光颗粒作用下产生材料去除从而形成光学表面。
放在工件盘内的光学元件可在垂直方向上自由浮动，并且受到垂直方向上的一对平衡作用力，即其自身重力和抛光盘的正压力；而在水平方向上，光学元件的抛光表面受到抛光盘的摩擦力，同时光学元件的侧面受到工件盘施加的正压力从而匹配抛光盘的摩擦力。抛光盘作用于光学元件抛光表面的摩擦力是抛光过程中的重要参量，其对元件的材料去除速度和加工精度具有重要影响。由于抛光过程中随着抛光盘和元件的旋转，抛光盘作用于元件表面的摩擦力的大小和方向不断变化，使其检测非常困难。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种全口径抛光过程中元件所受抛光摩擦力的测量装置。
本发明还要提供一种上述测量装置的测量方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：抛光摩擦力的测量装置，包括多个应力测试部件，所述应力测试部件包括u形夹板，在所述u形夹板上设置有应力传感器，在所述应力传感器上设置有信号传输线和承载接触块，所述信号传输线与信号接收器连接，所述信号接收器将数据发送给电脑。
进一步的，所述应力测试部件还包括紧固螺钉、活动压板和把持弹簧，在所述u形夹板的上端侧设置有贯穿螺孔，在所述u形夹板的上端侧的内侧与下端侧的内侧之间设置有活动压板，且所述活动压板通过多个把持弹簧与u形夹板的上端侧的内侧连接，所述紧固螺钉穿过所述贯穿螺孔与活动压板接触，所述活动压板与u形夹板的下端侧的内侧的距离通过紧固螺钉调节。
进一步的，所述信号接收器设置有wifi功能，可将应力传感器测量的承载接触块的负载力数据发送给电脑。
进一步的，所述承载接触块具有光滑表面；所述信号接收器具有内置电池。
进一步的，所述应力测试部件的最大量程不小于被测光学元件的重力和加载压力之和，测量精度不小于最大量程的2％。
进一步的，对于圆形光学元件来说，设置3-12个应力测试部件，并均布安装在圆形工件孔上；对于方形或矩形光学元件来说，设置4-12个应力测试部件，工件孔的每条边上设置1-3个应力测试部件。
抛光摩擦力的测量方法，该方法包括以下步骤：
1)将各个应力测试部件通过u形夹板卡在工件孔上，调节紧固螺钉，确保每个应力测试部件完全固定在工件盘上，将待测元件放在工件孔内；
2)开启抛光盘和工件盘逆时针方向匀速旋转运动，然后开启信号接收器和电脑；
3)当第1应力测试部件对应的待测元件侧边旋转到抛光盘的外侧并与工件盘的偏距方向垂直时，开始记录各个应力测试部件测量的负载压力数据，信号接收器实时接收各个应力测试部件测量的负载压力数据，并将数据发送给电脑，各个应力测试部件测量m个取样点后停止记录数据；
4)以工件盘的偏距方向为x轴，工件盘的中心为原点建立直角坐标系，各个应力测试部件在同一时刻的取样点i所测作用力之和的径向分量、周向分量和综合值分别为：
其中：
θk为各个应力测试部件在开始记录数据时的初始相位角；
k＝1、…、n，表示第1、…、n应力测试部件；
i＝1、…、m，表示各个应力测试部件分别测量的第1、…、m个取样点；
fk(i)，表示各个应力测试部件分别测量的第i＝1、…、m个取样点的数据；
进一步的，步骤1)所述将待测元件放在工件孔内，这时所述应力测试部件的承载接触块与元件之间的距离控制在5mm范围内。
本发明的有益效果是：本发明能够检测不同形状的元件在不同抛光阶段所受的抛光摩擦力，根据测得的抛光摩擦力即可了解抛光盘的表面粗糙度和材料去除特性，从而指导抛光工艺的控制。
附图说明
图1是本发明测量装置的应力测试部件的立体图。
图2是本发明测量装置工作状态的俯视图。
图3是本发明测量装置工作状态的示意图。
图4是本发明实施例中应力测试部件实际测得的作用力的示意图。
图5是本发明实施例中应力测试部件测得的作用力的径向分量的示意图。
图6是本发明实施例中应力测试部件测得的作用力的周向分量的示意图。
图7是本发明实施例中应力测试部件测得的作用力的综合摩擦力的示意图。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明的抛光摩擦力的测量装置包括多个应力测试部件1和信号接收器13，其中，每个所述应力测试部件1包括u形夹板5、紧固螺钉7、把持弹簧8、活动压板9、应力传感器10、信号传输线11和承载接触块12；在所述u形夹板5的上端侧(工作时处于上面的那侧即为u形夹板5的上端侧)设置有贯穿螺孔6，在所述u形夹板5的上端侧的内侧与下端侧的内侧之间设置有活动压板9，且所述活动压板9通过多个把持弹簧8与u形夹板5的上端侧的内侧连接，所述紧固螺钉7穿过贯穿螺孔6与活动压板9接触，活动压板9与u形夹板5的下端侧的内侧的距离可通过紧固螺钉7调节，以适应工件孔24的侧边的不同厚度，保证夹持牢固；在所述u形夹板5上设置有应力传感器10，在所述应力传感器10上设置有信号传输线11和承载接触块12，所述信号传输线11与信号接收器13连接，所述信号接收器13设置有wifi功能，可将应力传感器10测量的承载接触块12的负载力数据发送给电脑。
上述承载接触块12具有光滑表面，其作用是接受光学元件侧面施加的正向作用力，光学元件侧面与承载接触块12表面之间的横向摩擦力可以忽略不计；上述信号接收器13具有内置电池，可通过电池对其供电。
上述应力测试部件1的最大量程不小于被测光学元件的重力和加载压力之和，测量精度不小于最大量程的2％；对于圆形光学元件来说，最好设置3-12个应力测试部件1，并均布安装在圆形工件孔上；对于方形或矩形光学元件来说，最好设置4-12个应力测试部件1，工件孔的每条边上设置1-3个应力测试部件1。
本发明的全口径抛光过程中元件所受抛光摩擦力的测量方法包括以下步骤：
1)将各个应力测试部件1通过u形夹板5卡在工件孔24上，调节紧固螺钉7，确保每个应力测试部件1完全固定在工件盘23上，将待测元件放在工件孔24内，此时应力测试部件1的承载接触块12与元件之间的距离最好控制在5mm范围内；
2)开启抛光盘22和工件盘23逆时针方向匀速旋转运动，然后开启信号接收器13和电脑；
3)当第1应力测试部件1对应的待测元件侧边旋转到抛光盘22的外侧并与工件盘23的偏距方向垂直时，开始记录各个应力测试部件1测量的负载压力数据，信号接收器13实时接收各个应力测试部件1测量的负载压力数据，并通过wifi功能将数据发送给电脑，由电脑实时显示，各个应力测试部件1测量m个取样点后停止记录数据。
本发明为了测量抛光过程中元件所受抛光摩擦力，将多个应力测试部件1依次安装在工件孔24上，通过测量元件侧面作用于应力测试部件1的正压力从而获得元件表面的抛光摩擦力。各个应力测试部件1测得的作用力是元件作用于其表面垂直方向的正压力，该作用力可以分解为沿抛光盘半径方向的分力(径向分力)和圆周方向的分力(周向分力)，对其分别求和即可得到光学元件作用于各个应力测试部件1的综合力的径向分力和周向分力，两者即为抛光盘22作用于元件表面的抛光摩擦力的径向分力和周向分力。
以工件盘23的偏距方向为x轴，工件盘23的中心为原点建立直角坐标系，如图2所示，此时应力测试部件1所受作用力f的x分量即为径向分力fx，所受作用力f的y分量即为周向分力fy，其满足以下公式，其中θ为相位角：
fx＝fcosθ；fy＝fsinθ
各个应力测试部件1在开始记录数据时刻的初始相位角记为θk，k＝1、…、n，表示第1、…、n应力测试部件1。各个应力测试部件1的采样周期设为t(s)，工件盘23的转速设为ω(rpm)，各个应力测试部件1分别测量的m个取样点的数据记为fk(i)，i＝1、…、m。则各个应力测试部件1在采样周期内旋转的角度为
由此即可得到各个时刻抛光盘22作用于元件表面的抛光摩擦力。
实施例：
本实施例的全口径抛光过程中元件所受抛光摩擦力的测量装置及其测量方法是在一台大型环抛机21上进行的，如图1所示。抛光盘22的直径为四米，在抛光盘22的上方设置有工件盘23，在工件盘23上设置有方形工件孔24，抛光盘22和工件盘23通过伺服电机驱动进行旋转运动。
本实施例采用4个应力测试部件1，如图2-3所示，该4个应力测试部件1的最大量程为100n，测量精度优于0.2n。
本发明的抛光摩擦力的测量方法为：
将4个应力测试部件1以逆时针方向排布安装于方形工件孔24的四个侧边上，即：可任选一个应力测试部件1作为第1应力测试部件，第2、3、4应力测试部件以逆时针方向排布安装于方形工件孔24的四个侧边上。安装时，将4个应力测试部件1的u形夹板5分别卡在方形工件孔24的4个侧边的中间位置，调节紧固螺钉7以控制活动压板9与u形夹板5的下端侧的内侧的距离，确保4个应力测试部件1完全固定在工件盘23上；将方形元件15放在工件孔24内，方形元件15的尺寸为330mm×330mm×40mm，方形元件15与承载接触块12之间的距离为2mm，开启抛光盘22和工件盘23的逆时针方向匀速旋转运动，然后开启信号接收器13和电脑，信号接收器13实时接收4个应力测试部件1测量的负载压力数据并且通过wifi功能将该数据发送至电脑，由电脑实时显示；待第1个应力测试部件1对应的元件侧边旋转到抛光盘22的外侧并与工件盘23的偏距方向垂直时，开始记录4个应力测试部件1测量的数据，4个应力测试部件1测量16000个取样点后停止记录数据。
如图3所示，以工件盘23的偏距方向为x轴，工件盘23的中心为原点建立直角坐标系xoy。4个应力测试部件1的初始相位角为θk＝(k-1)π/2，k＝1、2、3、4，表示第1、2、3、4应力测试部件1。4个应力测试部件1的采样周期为t＝0.01(s)，工件盘的转速为ω＝0.29(rpm)，4个应力测试部件1分别测量的16000个取样点的数据记为fk(i)，i＝1、…、16000。4个应力测试部件1的测量值如图4所示，4个应力测试部件1在同一时刻的取样点i所测作用力之和的径向分量、周向分量和综合值分别为：
其结果如图5-7所示，由此可得各个时刻抛光盘作用于元件表面的抛光摩擦力。