磨削測力儀在機標定方法和水平力加載器的製作方法

2023-06-10 08:45:26

專利名稱：磨削測力儀在機標定方法和水平力加載器的製作方法
技術領域：
本發明磨削測力儀在機標定方法和水平力加載器屬於傳感測試技術領域。
背景技術：
在磨削過程中，磨削力綜合地反映了工件材料性質和狀況、砂輪特性和磨損狀態、 加工用量和工藝系統參數等因素對磨削過程的影響，磨削力與材料去除率、磨削精度、表面 質量和亞表面損傷有直接關係。特別是在大而薄的硬脆半導體晶體矽片超精密磨削過程 中，磨削力的變化和波動會影響矽片磨削表面質量和變形，甚至會引起基片破碎。因此，在 磨削過程中實時測量和控制磨削力是保證半導體矽片磨削表面精度、效率和成品率的必要 措施。目前，大多數半導體基片超精密磨床沒有磨削力檢測和控制系統，只有少數磨床採用 檢測砂輪主軸電機電流值的方法來間接檢測磨削力，但這種方法很難準確實時地檢測超精 密磨削過程的磨削力。申請號為200910220064. 1的「用於矽片超精密磨床的壓電式磨削力測量裝置」中 的磨削測力儀直接安裝在磨床上，可在磨削過程中高精度地在機檢測磨削力。磨削測力儀 在裝配調試時雖然進行了靜動態標定，但是，當磨削測力儀安裝在磨床上後，由於使用條件 和環境發生變化，使用之前必須根據磨削測力儀的實際工作狀態以及被測磨削力的特徵， 對磨削測力儀進行在機標定，以檢查磨削測力儀是否達到所要求的技術性能指標。

發明內容
本發明是根據磨削測力儀安裝在磨床上後必須進行在機標定的實際要求，發明一 種磨削測力儀在機標定方法和水平力加載器。該在機標定方法採用兩個結構完全相同的水 平力加載器和標準測力計測量矽片磨削時產生的徑向力和切向力，利用電荷放大器、數據 採集卡和監測軟體將輸出電荷轉換成數位訊號，建立磨削測力儀的「力值-示值」在機標定 曲線並求得各性能指標，實現對磨削測力儀的在機標定，具有簡單易行、測量精度高的良好 特性。本發明採用的技術方案是一種磨削測力儀在機標定方法，其特徵是，磨削測力儀 安裝在磨床上後，磨削測力儀按如下方式在機標定首先安裝磨削測力儀將砂輪2安裝在主軸1上，其軸線與主軸1軸線嚴格一致， 矽片3通過真空吸盤吸附在迴轉工作檯4上，安裝時，保證砂輪2外圓與矽片3的軸線相交， 迴轉工作檯4連接在磨床工作檯5上；磨削測力儀7通過4個螺釘38固定在主軸1上，磨 削測力儀7的中心線與主軸1軸線嚴格一致，磨削測力儀7與轉接板9相連。然後安裝水平力加載器用8個固定螺釘37、37'將兩個相同的水平力加載器6、 6'分別固定在磨床工作檯5的0°角和90°角上，水平力加載器6、6'的中心線垂直相交 於點0 ；測量軸向力的1號標準測力計8置於迴轉工作檯4上，1號標準測力計8的加載點 落在點0上。轉動小手輪16，提升螺杆17帶動提升架18，調整其高低位置，旋轉水平力加 載器6的手輪25，使安裝在移動套12上的2號標準測力計10作徑向進給，並加載到主軸1的側平面；水平力加載器6'的加載方式與水平力加載器6完全相同。最後在機標定磨削測力儀用磨床加工矽片3時，砂輪2相對矽片3進行軸向進 給，當砂輪2工作面與矽片3加工面接觸時，便會產生軸向力Fz、徑向力Fr和切向力Ft，並 通過平面移動轉化到磨削測力儀7上，作用在矽片3上的軸向力Fz、徑向力Fr和切向力Ft 分別通過導線i、j、k輸出。磨削測力儀7與電荷放大器、數據採集卡、工控機依次相連構成測控系統。對磨削 測力儀7施加標準載荷並進行歸一化調節，確定磨削測力儀7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體得出 所測軸向力Fz、徑向力Fr和切向力Ft的大小，處理數據後建立磨削測力儀的「力值-示值」 在機標定曲線，由此求得各性能指標。水平力加載器由結構完全相同的兩個水平力加載器6、6'組成；4個固定螺釘37 將連接底板11固定在磨床工作檯5上；連接底板11和支架30通過4個螺栓四固定在一 起，導向平鍵35保證連接底板11和支架30隻能平動，不能轉動，以便調整水平力加載器6 的左右位置；小手輪16連接提升螺杆17，提升架18安裝在提升螺杆17上；裝有導向鍵13 的移動套12安裝在水平導向套34中，導向鍵13限制移動套12轉動，螺釘14限制移動套 12平動；螺杆M通過螺母19連接到移動套12上，軸承36套在裝有調整套23的螺杆M 上，壓套22壓緊軸承36 ；端接板20和4個螺釘21將減速器33和水平導向套34連接在一 起；4個連接螺釘31將裝有手輪25和軸承座觀的連接軸32固定在減速器33上，軸承27 套在連接軸32上；水平力加載器6'的結構與水平力加載器6完全相同。本發明的顯著效果是在機標定磨削測力儀7的三向非線性小於1%，重複性小於 1 %，幹擾小於3%，達到了良好的測量性能。


圖1是在機標定裝置主視圖，圖2是圖IA-A剖視圖，圖3是水平力加載器B-B剖 視圖，圖4是水平力加載器C向視圖，圖5是磨削測力儀受力圖。其中1-主軸，2-砂輪，3-矽片，4-迴轉工作檯，5-磨床工作檯，6_水平力加載器，7_磨 削測力儀，8-1號標準測力計，9-轉接板，10-2號標準測力計，11-連接底板，12-移動套， 13-導向鍵，14-螺釘，15-上搭接板，16-小手輪，17-提升螺杆，18-提升架，19-螺母，20-端 接板，21-螺釘，22-壓套，23-調整套，24-螺杆，25-手輪，26-螺母，27-軸承，28-軸承座， 29-螺栓，30-支架，31-連接螺釘，32-連接軸，33-減速器，34-水平導向套，35-導向平鍵， 36-軸承，37-固定螺釘，38-螺釘，6'-水平力加載器，10' _2號標準測力計，11'-連接 底板，12'-移動套，13'-導向鍵，14'-螺釘，15'-上搭接板，16'-小手輪，17'-提 升螺杆，18'-提升架，19'-螺母，20'-端接板，21'-螺釘，22'-壓套，23'-調整套， 24'-螺杆，25'-手輪，26'-螺母，27'-軸承，28'-軸承座，29'-螺栓，30'-支 架，31'-連接螺釘，32'-連接軸，33'-減速器，34'-水平導向套，35'-導向平鍵， 36'-軸承，37'-固定螺釘，軸向力&輸出線，j-徑向力Fr輸出線，k-切向力Ft輸出 線。圖6是測控系統構成框圖，圖7是在機標定曲線圖，其中FZ'-軸向力Fz輸出曲 線，Fz-Fx-徑向力Fr幹擾曲線，Fz-Fy-切向力Ft幹擾曲線，N-橫坐標表示採點個數，mv-縱坐標表示輸出電壓。
具體實施例方式結合附圖和技術方案詳細說明本發明的具體實施方式
，本發明以磨削測力儀為在 機標定實例，測力裝置在正式連線以前，對各個組成環節必須逐個檢查，防止連線後出現短 路、斷路，尤其是過大零漂。檢查連接測力儀和電荷放大器之間的低噪音電纜是否有短路、 斷路以及極間絕緣電阻是否彡IO13 Ω，否則需對其進行清潔與乾燥處理；電荷放大器預熱 30分鐘後，與監測軟體連接看其空載零漂情況，如果超過測力儀規定指標(3mV/min)，對電 荷放大器的輸入端插座要進行清潔和乾燥處理。上述儀表和導線完全滿足要求後方可連線 調試ο磨削測力儀的在機標定方法，具體標定步驟如下(1)安裝磨削測力儀和水平力加載器磨削測力儀中的傳感器位置、預緊力等都是經過精心調好的，並經過多道密封，所 以對磨削測力儀不要輕易拆卸和調整，將其原始密封狀態破壞，由此而使磨削測力儀的精 度和穩定性受到影響。另外，在磨削測力儀使用過程中也要注意保護密封免受切屑等外來 的損傷。對傳感器的預緊力已經調好的磨削測力儀，只要安裝平面平整光潔，接觸良好即可。如圖1，2所示，將砂輪2安裝在主軸1上，其軸線與主軸1軸線嚴格一致，矽片3 通過真空吸盤吸附在迴轉工作檯4上，安裝時，保證砂輪2外圓與矽片3的軸線相交，迴轉 工作檯4連接在磨床工作檯5上；磨削測力儀7通過4個螺釘38固定在主軸1上，磨削測 力儀7的中心線與主軸1軸線嚴格一致，磨削測力儀7與轉接板9相連。用8個固定螺釘37、37'將兩個相同的水平力加載器6、6'分別固定在磨床工作 臺5的0°角和90°角上，水平力加載器6、6'的中心線垂直相交於點0;測量軸向力的1 號標準測力計8置於迴轉工作檯4上，1號標準測力計8的加載點落在點0上。轉動小手 輪16，提升螺杆17帶動提升架18，調整其高低位置，旋轉水平力加載器6的手輪25，使安裝 在移動套12上的2號標準測力計10作徑向進給，並加載到主軸1的側平面；水平力加載器 6'的加載方式與水平力加載器6完全相同。(2)操作水平力加載器如圖3，4所示，水平力加載器由結構完全相同的兩個水平力加載器6、6'組成；4 個固定螺釘37將連接底板11固定在磨床工作檯5上；連接底板11和支架30通過4個螺 栓四固定在一起，導向平鍵35保證連接底板11和支架30隻能平動，不能轉動，以便調整 水平力加載器6的左右位置；小手輪16連接提升螺杆17，提升架18安裝在提升螺杆17上， 鬆開螺母26，搖動小手輪16，通過提升螺杆17調節提升架18的高度，即移動套12的高低 位置；裝有導向鍵13的移動套12安裝在水平導向套34中，導向鍵13限制移動套12轉動， 螺釘14限制移動套12平動；螺杆M通過螺母19連接到移動套12上，軸承36套在裝有調 整套23的螺杆M上，壓套22壓緊軸承36 ；端接板20和4個螺釘21將減速器33和水平 導向套34連接在一起；4個連接螺釘31將裝有手輪25和軸承座觀的連接軸32固定在減 速器33上，軸承27套在連接軸32上，搖動手輪25，減速器33減速後帶動螺杆M轉動，使 螺母19前進推動移動套12伸出形成推力。
(3)在機標定磨削測力儀根據磨削測力儀的量程=Fx = 士500N，Fy = 士500N，Fz = 士 1500N，對磨削測力儀 先預壓後加載，預壓時，需注意磨削測力儀僅允許超過規定量程的20% 50%，如果超過 上述指標，其中的傳感器晶片就有被壓碎的危險，使磨削測力儀失效，尤其是當測量衝擊載 荷時，更應注意防止衝擊過載。在附圖5，6中，磨削測力儀7裝在超精密磨床主軸1上。磨床工作時，產生的軸向 力Fz、徑向力Fr和切向力Ft由磨削測力儀7測量。磨削測力儀7受力後，力傳感器產生電 荷，輸出電荷經電荷放大器放大，轉換成電壓信號輸出，經數據採集卡將模擬信號變成計算 機接受的數位訊號，輸入工控機，經工控機採集、監測軟體處理後得出所測軸向力Fz、徑向 力Fr和切向力Ft的大小。對磨削測力儀進行歸一化調節，即在靜態或者準靜態力的作用下， 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，確定磨削測力儀各向歸一化 靈敏度SX = 7. 85pC/N, Sy = 8. 02pC/N, Sz = 3. 58pC/N。處理數據後建立磨削測力儀的「力值-示值」在機標定曲線，如圖7所示，其中橫 坐標N表示採點個數，縱坐標mv表示輸出電壓，軸向力Fz輸出曲線Fz 『，徑向力&幹擾曲 線Fz-Fx,切向力Ft幹擾曲線Fz-Fy。並根據靈敏度、非線性、重複性、橫向幹擾的公式求得各 性能指標，具體結果參見表1 電荷靈敏度在靜態或者準靜態力的作用下，測力儀輸出量y的變化dy與引起此 變化的輸入量(即被測信號)的變化4之比稱為靈敏度S，可以用如下的一般性公式表示S = dy/dx線性度誤差在規定的環境條件(溫度和溼度)下，磨削測力儀的實際標定曲線和 理論直線的不一致性，數值上用標定曲線與理論直線的最大偏差與滿量程輸出之比的百分 數來表示L= ALmax/ymX100%式中Atax為在全量程範圍內實際標定曲線與理論直線間的最大偏差，yffl為滿量 程輸出。重複性誤差在規定的環境條件(溫度和溼度)下，在同一方向上連續加載三次 時，實際標定曲線的不一致性，其數值用實際標定曲線的最大差值對滿量程輸出的百分比 來表示R= AsmaxZymX 100%式中=Asmax為在全量程範圍內各實際標定曲線最大重複性差值，ym為滿量程輸 出ο向間橫向幹擾在磨削測力儀某一特徵方向上輸入，而在其它方向上產生的輸出， 數值上以幹擾向的輸出與其特徵方向輸出的百分數來表示。例如當對徑向力Fr方向的力進行標定時，在切向力Ft和軸向力Fz方向的輸出值 即為橫向幹擾，切向力Ft方向的幹擾大小用切向力Ft方向的最大輸出值除以切向力Ft方 向的最大理論值，同樣軸向力Fz方向的幹擾大小用軸向力&方向的最大輸出值除以軸向力 Fz方向的最大理論值。表1-測力儀主要性能參數
權利要求
1.一種磨削測力儀在機標定方法，其特徵是，磨削測力儀安裝在磨床上後，磨削測力儀 按如下方式在機標定首先安裝磨削測力儀將砂輪(2)安裝在主軸(1)上，其軸線與主軸(1)軸線嚴格一致，矽片(3)通過真空吸 盤吸附在迴轉工作檯⑷上，安裝時，保證砂輪⑵外圓與矽片⑶的軸線相交，迴轉工作 臺(4)連接在磨床工作檯(5)上；磨削測力儀(7)通過4個螺釘(38)固定在主軸(1)上， 磨削測力儀(7)的中心線與主軸(1)軸線嚴格一致，磨削測力儀(7)與轉接板(9)相連；然後安裝水平力加載器用8個固定螺釘(37、37')將兩個相同的水平力加載器(6、6')分別固定在磨床工 作臺(5)的0°角和90°角上，水平力加載器(6、6')的中心線垂直相交於點0;測量軸 向力的1號標準測力計⑶置於迴轉工作檯⑷上，1號標準測力計⑶的加載點落在點0 上；轉動小手輪(16)，提升螺杆(17)帶動提升架(18)，調整其高低位置，旋轉水平力加載器 (6)的手輪(25)，使安裝在移動套(12)上的2號標準測力計(10)作徑向進給，並加載到主 軸(1)的側平面；水平力加載器(6')的加載方式與水平力加載器(6)完全相同；最後在機標定磨削測力儀用磨床加工矽片(3)時，砂輪(2)相對矽片(3)進行軸向進給，當砂輪(2)工作面與矽 片(3)加工面接觸時，便會產生軸向力Fz、徑向力Fr和切向力Ft，並通過平面移動轉化到磨 削測力儀⑵上，作用在矽片(3)上的軸向力Fz、徑向力Fr和切向力Ft分別通過導線(i)、 (j)、(k)輸出；磨削測力儀(7)與電荷放大器、數據採集卡、工控機依次相連構成測控系統；對磨削測 力儀(7)施加標準載荷並進行歸一化調節，確定磨削測力儀(7)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體得 出所測軸向力Fz、徑向力Fr和切向力Ft的大小，處理數據後建立磨削測力儀的「力值-示 值」在機標定曲線，由此求得各性能指標。
2.如權利要求1所述的一種磨削測力儀在機標定方法所採用的水平力加載器，其特徵 是，水平力加載器由結構完全相同的兩個水平力加載器(6、6')組成；4個固定螺釘(37) 將連接底板(11)固定在磨床工作檯( 上；連接底板(11)和支架(30)通過4個螺栓09) 固定在一起，導向平鍵(3 保證連接底板(11)和支架(30)只能平動，不能轉動，以便調整 水平力加載器(6)的左右位置；小手輪(16)連接提升螺杆(17)，提升架(18)安裝在提升螺 杆(17)上；裝有導向鍵(13)的移動套(12)安裝在水平導向套(34)中，導向鍵(13)限制 移動套(1 轉動，螺釘(14)限制移動套(1 平動；螺杆04)通過螺母(19)連接到移動 套(1 上，軸承(36)套在裝有調整套的螺杆04)上，壓套0 壓緊軸承(36)；端 接板OO)和4個螺釘將減速器(3 和水平導向套(34)連接在一起；4個連接螺釘 (31)將裝有手輪0 和軸承座08)的連接軸(3 固定在減速器(3 上，軸承(XT)套在 連接軸(3 上；水平力加載器(6')的結構與水平力加載器(6)完全相同。
全文摘要
本發明一種磨削測力儀在機標定方法和水平力加載器屬於傳感測試技術領域。該方法中，磨削測力儀與電荷放大器、數據採集卡、工控機依次相連構成測控系統。在磨削測力儀安裝在磨床上後，對磨削測力儀施加標準載荷並進行歸一化調節，確定磨削測力儀的各向歸一化靈敏度，由裝在工控機中的監測軟體處理數據後，建立磨削測力儀的「力值-示值」在機標定曲線，由此求得各性能指標。該在機標定方法採用兩個結構完全相同的水平力加載器和標準測力計測量矽片磨削時產生的軸向力Fz、徑向力Fr和切向力Ft，每個水平力加載器由移動套、提升螺杆、端接板、螺杆、連接軸、減速器、水平導向套等組成。該方法簡便，幹擾小，夠達到良好的測量性能。
文檔編號B24B49/00GK102039557SQ20101024778
公開日2011年5月4日 申請日期2010年8月2日 優先權日2010年8月2日
發明者劉博 , 康仁科, 張軍, 郭東明, 錢敏 申請人:大連理工大學