本发明涉及超精密加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种弹性模量梯度变化研抛盘的材料去除率测量装置及方法。
背景技术：
随着高新科技的迅猛发展，以蓝宝石、单晶硅、光学玻璃等为代表的硬脆材料在航空航天、光电子及微电子等领域中的应用日益广泛。硬脆材料除了强度、硬度比较高之外，隔热性和化学稳定性较于其他材料更好，同时还具有较好的耐热性和耐腐蚀性，因此它被应用与许多领域。
但是硬脆材料的缺点也如同它的优点一样明显。它的最大的缺点是其具有的高脆性、低塑性和断裂韧性，同时它的强度几乎等于弹性极限。加工时，如果它受到大于其弹性极限载荷，就会在已加工的表面出现细微裂纹，导致其表面质量降低，对加工成品的性能也有不利的影响。总之，硬脆材料是一种典型的难加工材料，加工起来耗时耗能，同时加工表面质量难以控制，给大规模高效率生产带来了严重的影响。在对硬脆材料进行表面超精密加工的过程中，研磨和抛光占有非常重要的工序地位，在注重加工效率的同时，还要重点关注表面粗糙度、材料去除率、表层损伤、残余应力、平坦度这些面型精度等技术参数。针对硬脆材料平坦化、少无损伤和高质量加工目标，目前可采用基于弹性模量梯度变化研抛盘的硬脆材料均匀去除这一新型超精密加工技术，该技术通过制备一种新型复合材料——具有分级设计表面的研抛盘，即弹性模量沿径向方向等梯度变化的研抛盘，来对硬脆材料进行粗磨、细磨、精磨和抛光加工。该技术解决了传统加工方法中在研磨和抛光各工序以及研磨向抛光工序过渡时，频繁更换研磨盘和抛光盘的不足，实现了研磨和抛光工序的连续衔接，也避免了加工时工件受到大于其弹性极限载荷，表面出现细微裂纹，导致其表面质量降低。该技术属于新兴技术，在已经取得相关技术突破的同时，但是也存在一些不容忽视的问题。目前，针对具有梯度功能研抛盘的各个梯度弹性模量分区的材料去除率这一问题，现有的实验装置对这种新型超精密加工技术无法提供合理有效的关于材料去除率的实验测试。这对后续的工艺参数，例如如滞留时间、下压量等的优化带来了严重影响，不利于大规模高效率的工业生产。
技术实现要素：
本发明的目的就在于解决现有的实验装置对具有梯度功能研抛盘的各个梯度弹性模量分区的材料去除这一加工技术无法提供完整的各个梯度弹性模量分区研抛盘的材料去除率测试的问题，提出了一种弹性模量梯度变化研抛盘的材料去除率测量装置及方法，解决一次性测量弹性模量梯度变化研抛盘的各个弹性模量梯度分区的材料去除率测量的问题。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：弹性模量梯度变化研抛盘的材料去除率测量装置，包括x轴运动模组、y轴运动模组、负压配模调压装置、弹性模量梯度变化研抛盘、抛光机、工作台机架、压力调节反馈装置和调平校准装置实验平台，所述调平校准装置实验平台作为整个装置的安装基础固定在地面上，工作台机架作为整体框架固定在调平校准装置实验平台上，x轴运动模组水平固定在整体工作台机架上，y轴运动模组安装在x轴运动模组的活动端，压力调节反馈装置安装在y轴运动模组的活动端，负压配模调压装置固定在压力调节反馈装置上，弹性模量梯度变化研抛盘安装在负压配模调压装置下端的抛光机上，抛光机固定在调平校准装置实验平台上；y轴运动模组工作时带动负压配模调压装置和压力调节反馈装置在竖直方向上直线运动，x轴运动模组工作时带动压力调节反馈装置、负压配模调压装置和y轴运动模组组成的整体在水平方向上直线运动；
所述弹性模量梯度变化研抛盘通过磨粒、高聚物、固化剂和引发剂的不同比例配比将研抛盘表面按照环形分级设计成粗磨区、细磨区、精磨区和抛光区四个区域，粗磨区、细磨区、精磨区和抛光区的弹性模量沿着弹性模量梯度变化研抛盘的径向呈梯度变化，粗磨区、细磨区、精磨区和抛光区均具有环库，粗磨区、细磨区、精磨区和抛光区的环库都具有按照弹性模量的大小从小到大储备的弹性模量不同的研抛环，根据加工要求从环库中取出对应弹性模量的粗磨区、细磨区、精磨区和抛光区的研抛环组成弹性模量梯度变化研抛盘；
所述压力调节反馈模块包括传感器连接板、s型力测量传感器、传感器前端固定板和气管快速接头，所述传感器连接板通过螺栓固定在y轴运动模组上，s型力测量传感器的上表面连接传感器连接板的下表面，s型力测量传感器的下表面连接传感器前端固定板，负压配模调压装置固定在传感器前端固定板的下表面，气管快速接头固定在负压配模调压装置的上表面；
所述负压配模调压装置包括吸盘固定板、吸盘、配模固定板和薄膜力传感器，所述吸盘固定板安装在传感器前端固定板的下表面，所述吸盘的上表面固定下吸盘固定板的底面，吸盘的下表面连接配模固定板，所述吸盘与吸盘固定板之间设置有气流腔，吸盘上设置有多个吸气孔，所述气管快速接头设置在吸盘固定板上且与气流腔连通；所述吸盘与被测脆性材料工件之间设置有薄膜传感器放置夹层，薄膜力传感器放置在被测脆性材料工件和吸盘之间的薄膜传感器放置夹层内；
所述调平校准装置实验平台包括上平台、下平台、一号电动推杆、二号电动推杆、三号电动推杆、双轴倾角传感器和活动支撑杆，所述双轴倾角传感器安装在上平台上，所述活动支撑杆与下平台通过铰链连接，活动支撑杆的上端与上平台通过球铰链连接，所述二号电动推杆和三号电动推杆对称分布在活动支撑杆的两侧，二号电动推杆和三号电动推杆的上端均与上平台通过球铰链连接，二号电动推杆和三号电动推杆的下端与下平台通过铰链连接，二号电动推杆、三号电动推杆和活动支撑杆沿一条直线分布；所述一号电动推杆的上端与上平台通过球铰链连接，一号电动推杆的下端与下平台通过铰链连接，一号电动推杆与活动支撑杆的连线垂直于二号电动推杆和三号电动推杆的连线。
进一步的，所述x轴运动模组包括x轴伺服电机、x轴丝杠传动模块、x轴滑台，所述x轴伺服电机固定在工作台机架上，x轴伺服电机连接x轴丝杠传动模块的一端并驱动x轴丝杠传动模块的运动，x轴滑台套装在x轴丝杠传动模块上并在x轴伺服电机驱动x轴丝杠传动模块运动时沿着水平的x轴左右滑动；所述y轴运动模组包括y轴伺服电机、y轴丝杠传动模块、y轴滑台和模组连接板；所述模组连接板固定在x轴滑台上，y轴丝杠传动模块固定在模组连接板上，y轴伺服电机连接y轴丝杠传动模块并驱动y轴丝杠传动模块的转动，所述y轴滑台套装在y轴丝杠传动模块上，y轴伺服电机驱动y轴丝杠传动模块转动时带动y轴滑台沿着竖直方向直线运动，y轴滑台连接压力调节反馈模块的传感器连接板。
进一步的，所述配模固定板与吸盘固定板通过螺栓连接。
进一步的，所述每个薄膜传感器放置夹层内均设置有多个薄膜力传感器，每个薄膜传感器放置夹层内的薄膜力传感器的数量与下方当前组成弹性模量梯度变化研抛盘的研抛环的数量相等，且每个薄膜力传感器的位置对应设置在当前组成弹性模量梯度变化研抛盘的研抛环每层环的正上方。
进一步的，所述x轴丝杠传动模块和y轴丝杠传动模块均由滚珠丝杠、丝杠底座、两个丝杠座组成，滚珠丝杠通过两个丝杠座固定在丝杠底座上，y轴丝杠传动模块的丝杠底座与x轴滑台通过螺栓固定连接。
弹性模量梯度变化研抛盘的材料去除率测量方法，基于弹性模量梯度变化研抛盘的材料去除率测量装置，包括如下步骤：
第一步：根据加工要求，从粗磨区、细磨区、精磨区和抛光区均具有环库取出相应弹性模量的研抛环，组成弹性模量梯度变化研抛盘，使弹性模量梯度变化研抛盘各个分区内的弹性模量沿径向呈梯度变化，从圆形向外分别为粗磨区、细磨区、精磨区和抛光区，弹性模量分别记为e1、e2、e3、e4；
第二步：将调平校准装置实验平台启动，调平校准装置实验平台进行自动校准，调平校准装置实验平台的自动校准原理是通过双轴倾角传感器检测平台角度信号，并将检测的平台角度信号传输给控制器，控制器对平台角度信号进行处理和分析并作出决策驱动一号电动推杆、二号电动推杆和三号电动推杆的运动，直至双轴倾角传感器检测到上平台为水平状态；
第三步：将弹性模量梯度变化研抛盘固定在抛光机上，先测量被测硬脆材料工件质量w1、w2、w3、w4，然后将被测硬脆材料工件装夹在配模固定板中，并启动负压配模调压装置；
第四步：启动y轴运动模组的y轴伺服电机，y轴伺服电机通过带动y轴滚珠丝杠运动进而带动y轴滑台向下运动，直至被测硬脆材料工件压紧弹性模量梯度变化研抛盘，根据伺服电机恒力矩输出加载力矩的特性，y轴伺服电机的转矩转化成对被测硬脆材料工件的向下压力，同时，s型力测量传感器测得初始抛光静态测试下y轴伺服电机对被测硬脆材料工件的向下总压力f，通过薄膜力传感器测量抛光测试过程中每一个抛光环上方被测脆性材料工件的实际压力f1、f2、f3、f4，通过
第五步：启动抛光机，设置加工转速，加工五小时后测量被测硬脆材料工件质量w1、w2、w3、w4；根据材料去除速率＝质量差/(密度*抛光面积*时间)，可一次得到每个弹性模量梯度变化研抛盘的材料去除率。
进一步的，步骤二中具体的自动校准方法如下：上平台先在一号电动推杆、二号电动推杆、三号电动推杆的驱动下沿着垂直于地面方向进行调平运动；再通过二号电动推杆、三号电动推杆沿着水平方向进行调平，并且该过程中一直利用双轴倾角传感器进行反馈调节，使上平台在实验过程中一直保持水平状态。
本发明的有益效果在于：本发明在传统的平面工整抛光中对被测硬脆材料工件添加了负压配模，可有效的减弱“边缘效应”，引入梯度功能研抛盘理念，实现工件接触表面的接触应力梯度分布，可更大程度的实现工件表面的均匀去除，填补了基于梯度功能研磨盘的硬脆材料均匀去除新型超精密加工技术尚无相关测量试验装置的空白，并提供了一套测试方法，该装置对后续大规模生产和提高加工质量有重要的测试意义。
附图说明
图1是本发明弹性模量梯度变化研抛盘的材料去除率测量装置的整体结构示意图。
图2是本发明x轴运动模组、y轴运动模组和压力调节反馈装置的连接机构示意图。
图3是本发明负压配模调压装置的结构示意图。
图4是本发明弹性模量梯度变化研抛盘的结构示意图。
图5是本发明调平校准装置实验平台的结构示意图。
图中，1-x轴运动模组、2-y轴运动模组、3-负压配模调压装置、4-弹性模量梯度变化的研抛盘、5-抛光机、6-机架、7-调平校准装置实验平台、11-y轴伺服电机、12-y轴丝杠传动模块、13-y轴滑台、21-x轴伺服电机、22-x轴丝杠传动模块、23-x轴滑台、24-模组连接板、31-滑台连接板、32-s型力测量传感器、33-传感器前端固定板、34-气管快速接头、41-研抛盘粗磨区、42-研抛盘细磨区、43-研抛盘精磨区、44-研抛盘抛光区、71-上平台、72-二号电动推杆、73-活动支撑杆、74-三号电动推杆、75-下平台、76-一号电动推杆、351-吸盘固定板、352-吸盘、353-配模固定板、354-薄膜力传感器、355-被测硬脆材料工件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1～5所示，一种弹性模量梯度变化研抛盘的材料去除率测量装置，包括x轴运动模组1、y轴运动模组2、负压配模调压装置3、弹性模量梯度变化研抛盘4、抛光机5、工作台机架6、压力调节反馈装置和调平校准装置实验平台7，所述调平校准装置实验平台7作为整个装置的安装基础固定在地面上，工作台机架6作为整体框架固定在调平校准装置实验平台7上，x轴运动模组1水平固定在整体工作台机架6上，y轴运动模组2安装在x轴运动模组1的活动端，压力调节反馈装置安装在y轴运动模组2的活动端，负压配模调压装置3固定在压力调节反馈装置上，弹性模量梯度变化研抛盘4安装在负压配模调压装置3下端的抛光机5上，抛光机5固定在调平校准装置实验平台7上；y轴运动模组2工作时带动负压配模调压装置3和压力调节反馈装置在竖直方向上直线运动，x轴运动模组1工作时带动压力调节反馈装置、负压配模调压装置3和y轴运动模组2组成的整体在水平方向上直线运动。
所述弹性模量梯度变化研抛盘4通过磨粒、高聚物、固化剂和引发剂的不同比例配比将研抛盘表面按照环形分级设计成粗磨区41、细磨区42、精磨区43和抛光区44四个区域，粗磨区41、细磨区42、精磨区43和抛光区44的弹性模量沿着弹性模量梯度变化研抛盘4的径向呈梯度变化，粗磨区41、细磨区42、精磨区43和抛光区44均具有环库，粗磨区41、细磨区42、精磨区43和抛光区44的环库都具有按照弹性模量的大小从小到大储备的弹性模量不同的研抛环，根据加工要求从环库中取出对应弹性模量的粗磨区41、细磨区42、精磨区43和抛光区44的研抛环组成弹性模量梯度变化研抛盘4。
所述压力调节反馈模块包括传感器连接板31、s型力测量传感器32、传感器前端固定板33和气管快速接头34，所述传感器连接板31通过螺栓固定在y轴运动模组2上，s型力测量传感器32的上表面连接传感器连接板31的下表面，s型力测量传感器32的下表面连接传感器前端固定板33，负压配模调压装置3固定在传感器前端固定板33的下表面，气管快速接头34固定在负压配模调压装置3的上表面。
所述负压配模调压装置3包括吸盘固定板351、吸盘352、配模固定板354和薄膜力传感器354，所述吸盘固定板351安装在传感器前端固定板33的下表面，所述吸盘352的上表面固定下吸盘固定板351的底面，吸盘352的下表面连接配模固定板354，所述吸盘352与吸盘固定板351之间设置有气流腔，吸盘352上设置有多个吸气孔，所述气管快速接头34设置在吸盘固定板351上且与气流腔连通；所述吸盘352与被测脆性材料工件355之间设置有薄膜传感器放置夹层，薄膜力传感器354放置在被测脆性材料工件355和吸盘352之间的薄膜传感器放置夹层内。
所述调平校准装置实验平台7包括上平台71、下平台75、一号电动推杆76、二号电动推杆72、三号电动推杆74、双轴倾角传感器和活动支撑杆73，所述双轴倾角传感器安装在上平台71上，所述活动支撑杆73与下平台75通过铰链连接，活动支撑杆73的上端与上平台71通过球铰链连接，所述二号电动推杆72和三号电动推杆74对称分布在活动支撑杆73的两侧，二号电动推杆72和三号电动推杆74的上端均与上平台71通过球铰链连接，二号电动推杆72和三号电动推杆74的下端与下平台75通过铰链连接，二号电动推杆72、三号电动推杆74和活动支撑杆73沿一条直线分布；所述一号电动推杆76的上端与上平台71通过球铰链连接，一号电动推杆76的下端与下平台75通过铰链连接，一号电动推杆76与活动支撑杆73的连线垂直于二号电动推杆72和三号电动推杆74的连线。
所述x轴运动模组1包括x轴伺服电机21、x轴丝杠传动模块22、x轴滑台23，所述x轴伺服电机21固定在工作台机架6上，x轴伺服电机21连接x轴丝杠传动模块22的一端并驱动x轴丝杠传动模块22的运动，x轴滑台23套装在x轴丝杠传动模块22上并在x轴伺服电机21驱动x轴丝杠传动模块22运动时沿着水平的x轴左右滑动；所述y轴运动模组2包括y轴伺服电机11、y轴丝杠传动模块12、y轴滑台13和模组连接板24；所述模组连接板24固定在x轴滑台23上，y轴丝杠传动模块12固定在模组连接板24上，y轴伺服电机11连接y轴丝杠传动模块12并驱动y轴丝杠传动模块12的转动，所述y轴滑台13套装在y轴丝杠传动模块12上，y轴伺服电机11驱动y轴丝杠传动模块12转动时带动y轴滑台13沿着竖直方向直线运动，y轴滑台13连接压力调节反馈模块的传感器连接板31。
所述配模固定板354与吸盘固定板351通过螺栓连接。
所述每个薄膜传感器放置夹层内均设置有多个薄膜力传感器354，每个薄膜传感器放置夹层内的薄膜力传感器354的数量与下方当前组成弹性模量梯度变化研抛盘4的研抛环的数量相等，且每个薄膜力传感器354的位置对应设置在当前组成弹性模量梯度变化研抛盘4的研抛环每层环的正上方。
所述x轴丝杠传动模块22和y轴丝杠传动模块12均由滚珠丝杠、丝杠底座、两个丝杠座组成，滚珠丝杠通过两个丝杠座固定在丝杠底座上，y轴丝杠传动模块12的丝杠底座与x轴滑台23通过螺栓固定连接。
弹性模量梯度变化研抛盘的材料去除率测量方法，基于弹性模量梯度变化研抛盘的材料去除率测量装置，包括如下步骤：
第一步：根据加工要求，从粗磨区41、细磨区42、精磨区43和抛光区44均具有环库取出相应弹性模量的研抛环，组成弹性模量梯度变化研抛盘4，使弹性模量梯度变化研抛盘4各个分区内的弹性模量沿径向呈梯度变化，从圆形向外分别为粗磨区41、细磨区42、精磨区43和抛光区44，弹性模量分别记为e1、e2、e3、e4；
第二步：将调平校准装置实验平台7启动，调平校准装置实验平台7进行自动校准，调平校准装置实验平台7的自动校准原理是通过双轴倾角传感器检测平台角度信号，并将检测的平台角度信号传输给控制器，控制器对平台角度信号进行处理和分析并作出决策驱动一号电动推杆76、二号电动推杆72和三号电动推杆74的运动，直至双轴倾角传感器检测到上平台71为水平状态；
第三步：将弹性模量梯度变化研抛盘4固定在抛光机5上，先测量被测硬脆材料工件质量w1、w2、w3、w4，然后将被测硬脆材料工件装夹在配模固定板354中，并启动负压配模调压装置3；
第四步：启动y轴运动模组2的y轴伺服电机11，y轴伺服电机11通过带动y轴滚珠丝杠运动进而带动y轴滑台13向下运动，直至被测硬脆材料工件压紧弹性模量梯度变化研抛盘4，根据伺服电机恒力矩输出加载力矩的特性，y轴伺服电机11的转矩转化成对被测硬脆材料工件的向下压力，同时，s型力测量传感器32测得初始抛光静态测试下y轴伺服电机11对被测硬脆材料工件的向下总压力f，通过薄膜力传感器354测量抛光测试过程中每一个抛光环上方被测脆性材料工件355的实际压力f1、f2、f3、f4，通过
第五步：启动抛光机5，设置加工转速，加工五小时后测量被测硬脆材料工件质量w4、w5、w3、w4；根据材料去除速率＝质量差/(密度*抛光面积*时间，可一次得到每个弹性模量梯度变化研抛盘4的材料去除率。
步骤二中具体的自动校准方法如下：上平台71先在一号电动推杆76、二号电动推杆72、三号电动推杆74的驱动下沿着垂直于地面方向进行调平运动；再通过二号电动推杆72、三号电动推杆74沿着水平方向进行调平，并且该过程中一直利用双轴倾角传感器进行反馈调节，使上平台71在实验过程中一直保持水平状态。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。