CN102039557A - 磨削测力仪在机标定方法和水平力加载器 - Google Patents

Abstract

本发明一种磨削测力仪在机标定方法和水平力加载器属于传感测试技术领域。该方法中，磨削测力仪与电荷放大器、数据采集卡、工控机依次相连构成测控系统。在磨削测力仪安装在磨床上后，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，由装在工控机中的监测软件处理数据后，建立磨削测力仪的“力值-示值”在机标定曲线，由此求得各性能指标。该在机标定方法采用两个结构完全相同的水平力加载器和标准测力计测量硅片磨削时产生的轴向力F_z、径向力F_r和切向力F_t，每个水平力加载器由移动套、提升螺杆、端接板、螺杆、连接轴、减速器、水平导向套等组成。该方法简便，干扰小，够达到良好的测量性能。

Description

磨削测力仪在机标定方法和水平力加载器

技术领域

本发明磨削测力仪在机标定方法和水平力加载器属于传感测试技术领域。

背景技术

在磨削过程中，磨削力综合地反映了工件材料性质和状况、砂轮特性和磨损状态、加工用量和工艺系统参数等因素对磨削过程的影响，磨削力与材料去除率、磨削精度、表面质量和亚表面损伤有直接关系。特别是在大而薄的硬脆半导体晶体硅片超精密磨削过程中，磨削力的变化和波动会影响硅片磨削表面质量和变形，甚至会引起基片破碎。因此，在磨削过程中实时测量和控制磨削力是保证半导体硅片磨削表面精度、效率和成品率的必要措施。目前，大多数半导体基片超精密磨床没有磨削力检测和控制系统，只有少数磨床采用检测砂轮主轴电机电流值的方法来间接检测磨削力，但这种方法很难准确实时地检测超精密磨削过程的磨削力。

申请号为200910220064.1的“用于硅片超精密磨床的压电式磨削力测量装置”中的磨削测力仪直接安装在磨床上，可在磨削过程中高精度地在机检测磨削力。磨削测力仪在装配调试时虽然进行了静动态标定，但是，当磨削测力仪安装在磨床上后，由于使用条件和环境发生变化，使用之前必须根据磨削测力仪的实际工作状态以及被测磨削力的特征，对磨削测力仪进行在机标定，以检查磨削测力仪是否达到所要求的技术性能指标。

发明内容

本发明是根据磨削测力仪安装在磨床上后必须进行在机标定的实际要求，发明一种磨削测力仪在机标定方法和水平力加载器。该在机标定方法采用两个结构完全相同的水平力加载器和标准测力计测量硅片磨削时产生的径向力和切向力，利用电荷放大器、数据采集卡和监测软件将输出电荷转换成数字信号，建立磨削测力仪的“力值-示值”在机标定曲线并求得各性能指标，实现对磨削测力仪的在机标定，具有简单易行、测量精度高的良好特性。

本发明采用的技术方案是：一种磨削测力仪在机标定方法，其特征是，磨削测力仪安装在磨床上后，磨削测力仪按如下方式在机标定：

首先安装磨削测力仪：将砂轮2安装在主轴1上，其轴线与主轴1轴线严格一致，硅片3通过真空吸盘吸附在回转工作台4上，安装时，保证砂轮2外圆与硅片3的轴线相交，回转工作台4连接在磨床工作台5上；磨削测力仪7通过4个螺钉38固定在主轴1上，磨削测力仪7的中心线与主轴1轴线严格一致，磨削测力仪7与转接板9相连。

然后安装水平力加载器：用8个固定螺钉37、37′将两个相同的水平力加载器6、6′分别固定在磨床工作台5的0°角和90°角上，水平力加载器6、6′的中心线垂直相交于点O；测量轴向力的1号标准测力计8置于回转工作台4上，1号标准测力计8的加载点落在点O上。转动小手轮16，提升螺杆17带动提升架18，调整其高低位置，旋转水平力加载器6的手轮25，使安装在移动套12上的2号标准测力计10作径向进给，并加载到主轴1的侧平面；水平力加载器6′的加载方式与水平力加载器6完全相同。

最后在机标定磨削测力仪：用磨床加工硅片3时，砂轮2相对硅片3进行轴向进给，当砂轮2工作面与硅片3加工面接触时，便会产生轴向力F_z、径向力F_r和切向力F_t，并通过平面移动转化到磨削测力仪7上，作用在硅片3上的轴向力F_z、径向力F_r和切向力F_t分别通过导线i、j、k输出。

磨削测力仪7与电荷放大器、数据采集卡、工控机依次相连构成测控系统。对磨削测力仪7施加标准载荷并进行归一化调节，确定磨削测力仪7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所测轴向力F_z、径向力F_r和切向力F_t的大小，处理数据后建立磨削测力仪的“力值-示值”在机标定曲线，由此求得各性能指标。

水平力加载器由结构完全相同的两个水平力加载器6、6′组成；4个固定螺钉37将连接底板11固定在磨床工作台5上；连接底板11和支架30通过4个螺栓29固定在一起，导向平键35保证连接底板11和支架30只能平动，不能转动，以便调整水平力加载器6的左右位置；小手轮16连接提升螺杆17，提升架18安装在提升螺杆17上；装有导向键13的移动套12安装在水平导向套34中，导向键13限制移动套12转动，螺钉14限制移动套12平动；螺杆24通过螺母19连接到移动套12上，轴承36套在装有调整套23的螺杆24上，压套22压紧轴承36；端接板20和4个螺钉21将减速器33和水平导向套34连接在一起；4个连接螺钉31将装有手轮25和轴承座28的连接轴32固定在减速器33上，轴承27套在连接轴32上；水平力加载器6′的结构与水平力加载器6完全相同。

本发明的显著效果是：在机标定磨削测力仪7的三向非线性小于1％，重复性小于1％，干扰小于3％，达到了良好的测量性能。

附图说明

图1是在机标定装置主视图，图2是图1A-A剖视图，图3是水平力加载器B-B剖视图，图4是水平力加载器C向视图，图5是磨削测力仪受力图。其中：

1-主轴，2-砂轮，3-硅片，4-回转工作台，5-磨床工作台，6-水平力加载器，7-磨削测力仪，8-1号标准测力计，9-转接板，10-2号标准测力计，11-连接底板，12-移动套，13-导向键，14-螺钉，15-上搭接板，16-小手轮，17-提升螺杆，18-提升架，19-螺母，20-端接板，21-螺钉，22-压套，23-调整套，24-螺杆，25-手轮，26-螺母，27-轴承，28-轴承座，29-螺栓，30-支架，31-连接螺钉，32-连接轴，33-减速器，34-水平导向套，35-导向平键，36-轴承，37-固定螺钉，38-螺钉，6′-水平力加载器，10′-2号标准测力计，11′-连接底板，12′-移动套，13′-导向键，14′-螺钉，15′-上搭接板，16′-小手轮，17′-提升螺杆，18′-提升架，19′-螺母，20′-端接板，21′-螺钉，22′-压套，23′-调整套，24′-螺杆，25′-手轮，26′-螺母，27′-轴承，28′-轴承座，29′-螺栓，30′-支架，31′-连接螺钉，32′-连接轴，33′-减速器，34′-水平导向套，35′-导向平键，36′-轴承，37′-固定螺钉，i-轴向力F_z输出线，j-径向力F_r输出线，k-切向力F_t输出线。

图6是测控系统构成框图，图7是在机标定曲线图，其中：F_z′-轴向力F_z输出曲线，F_z-F_x-径向力F_r干扰曲线，F_z-F_y-切向力F_t干扰曲线，N-横坐标表示采点个数，mv-纵坐标表示输出电压。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式，本发明以磨削测力仪为在机标定实例，测力装置在正式连线以前，对各个组成环节必须逐个检查，防止连线后出现短路、断路，尤其是过大零漂。检查连接测力仪和电荷放大器之间的低噪音电缆是否有短路、断路以及极间绝缘电阻是否≥10¹³Ω，否则需对其进行清洁与干燥处理；电荷放大器预热30分钟后，与监测软件连接看其空载零漂情况，如果超过测力仪规定指标(3mv/min)，对电荷放大器的输入端插座要进行清洁和干燥处理。上述仪表和导线完全满足要求后方可连线调试。

磨削测力仪的在机标定方法，具体标定步骤如下：

(1)安装磨削测力仪和水平力加载器

磨削测力仪中的传感器位置、预紧力等都是经过精心调好的，并经过多道密封，所以对磨削测力仪不要轻易拆卸和调整，将其原始密封状态破坏，由此而使磨削测力仪的精度和稳定性受到影响。另外，在磨削测力仪使用过程中也要注意保护密封免受切屑等外来的损伤。对传感器的预紧力已经调好的磨削测力仪，只要安装平面平整光洁，接触良好即可。

如图1，2所示，将砂轮2安装在主轴1上，其轴线与主轴1轴线严格一致，硅片3通过真空吸盘吸附在回转工作台4上，安装时，保证砂轮2外圆与硅片3的轴线相交，回转工作台4连接在磨床工作台5上；磨削测力仪7通过4个螺钉38固定在主轴1上，磨削测力仪7的中心线与主轴1轴线严格一致，磨削测力仪7与转接板9相连。

用8个固定螺钉37、37′将两个相同的水平力加载器6、6′分别固定在磨床工作台5的0°角和90°角上，水平力加载器6、6′的中心线垂直相交于点O；测量轴向力的1号标准测力计8置于回转工作台4上，1号标准测力计8的加载点落在点O上。转动小手轮16，提升螺杆17带动提升架18，调整其高低位置，旋转水平力加载器6的手轮25，使安装在移动套12上的2号标准测力计10作径向进给，并加载到主轴1的侧平面；水平力加载器6′的加载方式与水平力加载器6完全相同。

(2)操作水平力加载器

如图3，4所示，水平力加载器由结构完全相同的两个水平力加载器6、6′组成；4个固定螺钉37将连接底板11固定在磨床工作台5上；连接底板11和支架30通过4个螺栓29固定在一起，导向平键35保证连接底板11和支架30只能平动，不能转动，以便调整水平力加载器6的左右位置；小手轮16连接提升螺杆17，提升架18安装在提升螺杆17上，松开螺母26，摇动小手轮16，通过提升螺杆17调节提升架18的高度，即移动套12的高低位置；装有导向键13的移动套12安装在水平导向套34中，导向键13限制移动套12转动，螺钉14限制移动套12平动；螺杆24通过螺母19连接到移动套12上，轴承36套在装有调整套23的螺杆24上，压套22压紧轴承36；端接板20和4个螺钉21将减速器33和水平导向套34连接在一起；4个连接螺钉31将装有手轮25和轴承座28的连接轴32固定在减速器33上，轴承27套在连接轴32上，摇动手轮25，减速器33减速后带动螺杆24转动，使螺母19前进推动移动套12伸出形成推力。

(3)在机标定磨削测力仪

根据磨削测力仪的量程：F_x＝±500N，F_y＝±500N，F_z＝±1500N，对磨削测力仪先预压后加载，预压时，需注意磨削测力仪仅允许超过规定量程的20％～50％，如果超过上述指标，其中的传感器晶片就有被压碎的危险，使磨削测力仪失效，尤其是当测量冲击载荷时，更应注意防止冲击过载。

在附图5，6中，磨削测力仪7装在超精密磨床主轴1上。磨床工作时，产生的轴向力F_z、径向力F_r和切向力F_t由磨削测力仪7测量。磨削测力仪7受力后，力传感器产生电荷，输出电荷经电荷放大器放大，转换成电压信号输出，经数据采集卡将模拟信号变成计算机接受的数字信号，输入工控机，经工控机采集、监测软件处理后得出所测轴向力F_z、径向力F_r和切向力F_t的大小。对磨削测力仪进行归一化调节，即在静态或者准静态力的作用下，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，确定磨削测力仪各向归一化灵敏度：S_x＝7.85pC/N，S_y＝8.02pC/N，S_z＝3.58pC/N。

处理数据后建立磨削测力仪的“力值-示值”在机标定曲线，如图7所示，其中横坐标N表示采点个数，纵坐标mv表示输出电压，轴向力F_z输出曲线F_z′，径向力F_r干扰曲线F_z-F_x，切向力F_t干扰曲线F_z-F_y。并根据灵敏度、非线性、重复性、横向干扰的公式求得各性能指标，具体结果参见表1：

电荷灵敏度：在静态或者准静态力的作用下，测力仪输出量y的变化d_y与引起此变化的输入量(即被测信号)的变化d_x之比称为灵敏度S，可以用如下的一般性公式表示：

S＝d_y/d_x

线性度误差：在规定的环境条件(温度和湿度)下，磨削测力仪的实际标定曲线和理论直线的不一致性，数值上用标定曲线与理论直线的最大偏差与满量程输出之比的百分数来表示：

L＝Δ_Lmax/y_m×100％

式中：Δ_Lmax为在全量程范围内实际标定曲线与理论直线间的最大偏差，y_m为满量程输出。

重复性误差：在规定的环境条件(温度和湿度)下，在同一方向上连续加载三次时，实际标定曲线的不一致性，其数值用实际标定曲线的最大差值对满量程输出的百分比来表示：

R＝Δ_Rmax/y_m×100％

式中：Δ_Rmax为在全量程范围内各实际标定曲线最大重复性差值，y_m为满量程输出。

向间横向干扰：在磨削测力仪某一特征方向上输入，而在其它方向上产生的输出，数值上以干扰向的输出与其特征方向输出的百分数来表示。

例如：当对径向力F_r方向的力进行标定时，在切向力F_t和轴向力F_z方向的输出值即为横向干扰，切向力F_t方向的干扰大小用切向力F_t方向的最大输出值除以切向力F_t方向的最大理论值，同样轴向力F_z方向的干扰大小用轴向力F_z方向的最大输出值除以轴向力F_z方向的最大理论值。

表1-测力仪主要性能参数

(4)该磨削测力仪各向特性参数(灵敏度、非线性、重复性、横向干扰)均达到推荐标准要求和国内外同类测力仪相应的指标。而且在机标定磨削测力仪的三向非线性小于1％，重复性小于1％，干扰小于3％，达到了良好的测量性能。

本发明一种磨削测力仪在机标定方法和水平力加载器可以实现在机标定磨削力，具有操作简便，测量精度高的良好特性。

Claims (2)

1.一种磨削测力仪在机标定方法，其特征是，磨削测力仪安装在磨床上后，磨削测力仪按如下方式在机标定：

首先安装磨削测力仪：

将砂轮(2)安装在主轴(1)上，其轴线与主轴(1)轴线严格一致，硅片(3)通过真空吸盘吸附在回转工作台(4)上，安装时，保证砂轮(2)外圆与硅片(3)的轴线相交，回转工作台(4)连接在磨床工作台(5)上；磨削测力仪(7)通过4个螺钉(38)固定在主轴(1)上，磨削测力仪(7)的中心线与主轴(1)轴线严格一致，磨削测力仪(7)与转接板(9)相连；

然后安装水平力加载器：

用8个固定螺钉(37、37′)将两个相同的水平力加载器(6、6′)分别固定在磨床工作台(5)的0°角和90°角上，水平力加载器(6、6′)的中心线垂直相交于点O；测量轴向力的1号标准测力计(8)置于回转工作台(4)上，1号标准测力计(8)的加载点落在点O上；转动小手轮(16)，提升螺杆(17)带动提升架(18)，调整其高低位置，旋转水平力加载器(6)的手轮(25)，使安装在移动套(12)上的2号标准测力计(10)作径向进给，并加载到主轴(1)的侧平面；水平力加载器(6′)的加载方式与水平力加载器(6)完全相同；

最后在机标定磨削测力仪：

用磨床加工硅片(3)时，砂轮(2)相对硅片(3)进行轴向进给，当砂轮(2)工作面与硅片(3)加工面接触时，便会产生轴向力F_z、径向力F_r和切向力F_t，并通过平面移动转化到磨削测力仪(7)上，作用在硅片(3)上的轴向力F_z、径向力F_r和切向力F_t分别通过导线(i)、(j)、(k)输出；

磨削测力仪(7)与电荷放大器、数据采集卡、工控机依次相连构成测控系统；对磨削测力仪(7)施加标准载荷并进行归一化调节，确定磨削测力仪(7)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所测轴向力F_z、径向力F_r和切向力F_t的大小，处理数据后建立磨削测力仪的“力值-示值”在机标定曲线，由此求得各性能指标。

2.如权利要求1所述的一种磨削测力仪在机标定方法所采用的水平力加载器，其特征是，水平力加载器由结构完全相同的两个水平力加载器(6、6′)组成；4个固定螺钉(37)将连接底板(11)固定在磨床工作台(5)上；连接底板(11)和支架(30)通过4个螺栓(29)固定在一起，导向平键(35)保证连接底板(11)和支架(30)只能平动，不能转动，以便调整水平力加载器(6)的左右位置；小手轮(16)连接提升螺杆(17)，提升架(18)安装在提升螺杆(17)上；装有导向键(13)的移动套(12)安装在水平导向套(34)中，导向键(13)限制移动套(12)转动，螺钉(14)限制移动套(12)平动；螺杆(24)通过螺母(19)连接到移动套(12)上，轴承(36)套在装有调整套(23)的螺杆(24)上，压套(22)压紧轴承(36)；端接板(20)和4个螺钉(21)将减速器(33)和水平导向套(34)连接在一起；4个连接螺钉(31)将装有手轮(25)和轴承座(28)的连接轴(32)固定在减速器(33)上，轴承(27)套在连接轴(32)上；水平力加载器(6′)的结构与水平力加载器(6)完全相同。

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