超精密硅片用磨削测力仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于精密仪器加工领域，设及到超精密娃片加工，具体设及到一种超精密 娃片用磨削测力仪。
【背景技术】
[0002] 超精密磨削娃片的加工过程中，磨削力一方面直接反映了磨削振动和砂轮磨损 等磨削状态；另一方面，磨削力不仅会引起机床的变形，影响娃片加工精度，而且会导 致娃片磨削表面损伤，对娃片加工表面质量有很大的影响，特别在娃片背面磨削减薄加工 中，由于加工娃片厚度越来越薄，磨削力的变化，极易引起娃片破碎，因而，在磨削娃片过 程中在线检测磨削力动态信号，对磨床动态特性和砂轮磨削性能进行监控，并根据磨削力 对砂轮进给速度等工艺参数进行实时调整，实现控制力磨削，使磨削过程处于最佳状态， 对于提高娃片加工精度和表面质量，保证娃片加工成品率非常必要。但现有的磨削测力仪 都有各自的应用范围和使用条件，使用具有较大的局限性，国外的一些测力仪工艺要求高、 成本高，不适合广泛使用。
【发明内容】
[0003] 为了克服W上现有技术的不足，本发明提供一种超精密娃片用磨削测力仪，通过 在工作台与被测娃片之间设置测力仪，监测娃片磨削过程中的动态力信号，W便根据磨削 力对砂轮进给速度进行实时调整。
[0004] 本发明的技术方案是：一种超精密娃片用磨削测力仪，包括内轴、砂轮、=维测力 平台和传感系统信号处理器，所述被测娃片固定在=维测力平台上，砂轮固定在内轴上磨 削被测娃片，=维测力平台将加工过程中的磨削力发送给传感系统信号处理器，所述=维 测力平台包括多个=维力传感器，所述=维力传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方 向差动电容单元组合，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两 个W上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个W上的条状电容单元 组成的梳齿结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极，所述X 方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容值求和计算电容传感器的法向 力且消除切向力影响。
[0005] 超精密娃片用=维磨削测力仪的传感系统信号处理器包括信号放大器、数据采集 卡和工控机，所述=维力传感器的输出信号经信号放大器转换和放大后生成模拟信号，数 据采集卡将放大器输出的模拟信号转换为数字信号并输入工控机。每个条状电容单元的驱 动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别 预留左差位5左和右差位5右，b〇驱=b〇感+5右+ 5左，其中，b〇驱为条状电容单兀的驱动电 极长度，b〇感为条状电容单元的感应电极长度。所述差位5左=5右，且S',. 其中 d。为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，Xm。、为最大应力值。所述两组相互形成差动 的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错 位偏移大小相同、方向相反。所述梳齿状结构包括20个W上条状电容单元、与条状电容单 元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距ae。所述平行板面积S= M(a"+ajb。，其中，M为条状电容单元数量，b。为条状电容单元的长度，a。条状电容单元的宽 度。所述电容单元模块的每个条状电容单元的引线通过并联或者独立连接到传感系统信号 处理器。所述条状电容单元的宽度a〇 其中，d。为弹性介质厚度，E为弹性介质的杨氏 模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述传感系统信号处理器和电容单元模块之间设有中间 变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。
[0006] 本发明的有益效果是：在磨削娃片过程中在线检测磨削力动态信号，对磨床动态 特性和砂轮磨削性能进行监控，并根据磨削力对砂轮进给速度等工艺参数进行实时调整， 实现控制力磨削，使磨削过程处于最佳状态，提高娃片加工精度和表面质量，保证娃片加 工成品率。另外，本发明的测力仪具有很好的静动态特性，灵敏度高，线性、重复性好，零 点漂移小，结构简单，易装配和调试，成本较低，性能稳定，各项技术指标均达到CIRP 规定的磨削测力仪标准。
【附图说明】
[0007]图1是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元及其坐标系。
[0008] 图2是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元示意图。
[0009] 图3是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元右向偏移示意图。
[0010] 图4是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元左向偏移示意图。
[0011] 图5是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元对的初始错位图。
[0012] 图6是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元对受力后偏移图。
[0013] 图7是本发明的【具体实施方式】的平行板=维力压力传感器结构图。
[0014] 图8是本发明的【具体实施方式】的平行板=维力压力传感器驱动电极结构图。
[0015] 图9是本发明的【具体实施方式】的平行板=维力压力传感器感应电极结构图。
[0016] 图10是本发明的【具体实施方式】的通过相同传递系数K实现输出响应求和。
[0017]图11是本发明的【具体实施方式】的单元电容对的信号差动示意图。
[0018] 图12是本发明的【具体实施方式】的测量装置结构图。
[0019] 其中，1娃片，2测力仪，3工作台，4砂轮，5内轴。
【具体实施方式】
[0020] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的【具体实施方式】如所设及的各构件 的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及 操作使用方法等，作进一步详细的说明，W帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术 方案有更完整、准确和深入的理解。
[0021] 本发明的主要思路是：本发明的磨削测力仪，利用电容式压力传感器的纵向和剪 切效应，将多个电容式压力传感器，按照一定的空间布局，构建一个=维测力平台，并与机 床工作台固定，其上安装被测工件，被测娃片吸附在测力仪上保证测试精度。砂轮磨削工件 产生磨削力，工件将磨削力传递到测力仪，测力仪感受磨削力并输出，相对于砂轮的高速 回转运动，测力仪运动形式与机床工作台一致，基本上是平移或随工作台摆动，砂轮固定 在内轴上。
[0022] 磨削测力仪与传感系统信号处理器连接，构成静动态标定系统，传感系统信号处 理器包括信号放大器、数据采集卡、工控机超精密磨床工作时，砂轮磨削娃片产生磨削力， 磨削力经磨削测力仪输出，输出信号经信号放大器转换和放大后生成模拟信号，数据采集 卡将放大器输出的模拟信号转换为数字信号。对磨削测力仪施加标准载荷并进行归一化调 节，确定磨削测力仪的各向归一化灵敏度，即磨削测力仪输出量的变化与引起此变化的输 入量的变化之比，由装在工控机中的监测软件得出轴向力Fz、径向力Fx和切向力Fy的大 小，处理数据后建立磨削测力仪的"力值一一示值"标定曲线，得到测力仪的一系列静动 态性能指标。
[0023] 本发明传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，所述X 方向差动电容单元组合通过电容值相减计算X方向的切向力且消除Y方向切向力影响，所 述Y方向差动电容单元组合通过电容值相减计算Y方向的切向力且消除X方向切向力影 响，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容值求和计算电容传感 器的法向力且消除切向力影响。所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合 均包括两个W上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个W上的条状 电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电 极。所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电 极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位5左和右差位5右，b〇驱=b〇感+5右+ 5左，其中， bu9g为条状电容单元的驱动电极长度，bug为条状电容单元的感应电极长度。所述差位5t =5 $，且5左Sd々其中d。为弹性介质厚度，G为弹性