CN102922066B - 一种平板间微纳液膜厚度测试调平方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种平板间微纳液膜厚度测试调平方法和装置，属于特种加工技术领域，特别涉及电化学加工中工具电极和工件之间微纳液膜厚度的测试和调平。其特征是通过挤压液膜阻力测试结合挤压膜模型分析获得液膜厚度和倾角。具体步骤为在隔振台上安装有角度微调平台，在该平台上安装有底座和侧壁可分离的电解池，工具电极通过力传感器和宏微复合进给机构相连，进行测试时，控制工具电极进行小幅低频振动，通过力传感器测得挤压膜阻力，测试四种不同姿态下的力信号，基于挤压膜原理获得液膜厚度和倾角，根据测量值调平工具电极，重复上述过程可校准粘度，提高测试和调平精度。本发明的效果和益处是：结构简洁，测试不受电解液透明度和导电性变化的影响。
Description
技术领域
本发明属于特种加工技术领域，涉及电化学加工中工具电极和工件之间微纳液膜厚度的测试调平方法和装置。
背景技术
电化学加工是特种加工的一个重要分支，在表面的纳米精度加工和微纳尺度结构加工方面具有非常广泛的应用前景。在电化学加工中工具电极和工件之间的距离对加工效率和精度的影响非常显著，因此加工过程中对工具电极和工件之间的间隙有着严格的要求，要求控制到微米甚至纳米尺度的均匀间隙。随着纳米技术的日益发展，对于纳米制造技术的批量化生产能力要求逐渐提高，为此，在表面纳米精度和表面微纳结构的电化学加工中要求增加工具电极面积，并在加工过程中实时控制大面积工具电极和工件之间的平行间隙。目前常用的基于电容法、电感法等间隙测量方法在电学特性较为复杂的电化学溶液环境中难以实现，并且要实现膜厚均匀性测量要至少使用三个以上传感器。基于电信号或力信号的测试方法需要先通过工具电极和工件的接触来识别相对位置，之后再分离来控制工具电极和工件表面之间的间隙，这类方法容易导致工具电极或工件表面产生损伤，并且速度慢、效率低，无法测试膜厚均匀性，加工过程中难以实现液膜厚度的实时测试和控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电化学加工过程中测试和调平工具电极和工件之间微纳液膜厚度的方法，解决目前电化学加工中由于电解液电学特性复杂和透明度差而难以实现非接触式测量，若采用接触式测量则容易导致表面破坏和测试效率低等问题。
本发明的技术方案是：测试和调平步骤为：固定力传感器5于宏微复合进给机构6上，固定工具电极7于力传感器5上；固定电解池底板2于角度微调平台1上，固定工件4于电解池底板2上；通过显微放大观察装置8和角度微调平台1初步调整工件4表面和工具电极7表面的平行度；安装电解池侧壁3，注入电解液，利用宏微复合进给机构6使工具电极7靠近工件4表面；利用宏微复合进给机构6使工具电极7相对工件4作给定幅值和频率的简谐振动，获取力传感器5上的交变力信号；控制工具电极7运动一定的位移，重复上一个步骤，测得交变力信号；控制工件4旋转运动一定的倾角增量，在工具电极7进行同样幅值和频率简谐振动条件下测得交变力信号；将测得的四个交变力信号输入计算机并基于挤压膜方程进行分析计算，获得工具电极7和工件4表面之间的距离以及工具电极的相对倾角；调平工件和工具电极的平行度后，通过测试两个不同膜厚位置条件下的挤压膜阻力并利用挤压膜模型计算并校准液体粘度；重复上述测试和调平过程进一步提高测试和调平精度。
平板间微纳液膜厚度测试调平装置包括隔振台10、力传感器5、电解池底板2、电解池侧壁3、显微放大观察装置8、宏微复合进给机构6和角度微调平台1组成。在隔振台10上安装有角度微调平台1，装有工件4的电解池底板2装夹到角度微调平台1上，支座9上安装宏微复合进给机构6，工具电极7通过力传感器5连接到宏微复合进给机构6上，在防振台10上水平面的两个正交方向上装有两个显微放大观察装置8。
本发明的效果和益处是：结构简洁、操作简单；测量不受电解液透明度和导电性的影响；测量不需要预先精确标定电解液粘度，实时测量过程中不受电解液粘度和温度变化的影响；工具电极和工件在测试过程中不发生接触；快速得到膜厚数据并调平膜厚。
附图说明
附图1是平行间隙液膜厚度测试装置结构的示意图。
图中：1角度微调平台；2电解池底座；3电解池侧壁；4工件；5力传感器；6宏微复合进给机构；7工具电极；8显微放大观察装置；9支座；10隔振台。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如图所示，在隔振台10上安装有角度微调平台1，支座9上安装宏微复合进给机构6，工具电极7通过力传感器5连接到宏微复合进给机构6上。在进行电化学加工时，先将工件4固定到电解池底板2上，然后整体装夹到角度微调平台1上，调整工具电极、工件和角度微调平台的水平位置，使三者在水平面的投影中心重合。以工件中心为坐标原点，水平面内定义两个正交的坐标轴，绕两个坐标轴的倾角分别为俯仰角和侧倾角，在两个坐标轴上各安装一个显微放大观察装置8，在显微放大观察装置8的辅助下，通过角度微调平台1将工件4表面调整至和工具电极7表面基本平行，安装电解池侧壁3，加入电解液，利用宏微复合进给机构6使工具电极7靠近工件表面至小于50微米，将当前位置记为测量位置。测试时，利用宏微复合进给机构6的纳米精度进给机构控制工具电极7以小于估计膜厚十分之一的幅值作低频连续振动，获取力传感器5的信号，即挤压膜阻力，输入计算机保存，利用纳米精度进给机构控制工具电极7运动给定位移，作同样振幅和频率的振动，获取挤压膜阻力，工具电极7回到测量位置，分别利用角度微调平台1控制工具电极7运动给定俯仰角和侧倾角增量，控制工具电极作同样振幅和频率的振动，获取两个挤压膜阻力信号，基于挤压膜模型并运用非线性方程数值解法对所测得的四个交变力信号进行分析计算，获得坐标原点的液膜厚度、工具电极7和工件4的相对俯仰角和侧倾角， 根据测得的俯仰角和侧倾角值调平液膜，测量两个不同膜厚位置的挤压膜阻力，分析获得液体粘度，重复整个测试和调平过程，实现高平行度的大面积微纳液膜厚度的高精度测试和控制。
Claims (2)
1.一种平板间微纳液膜厚度测试调平方法，是通过微纳液膜挤压膜阻力测试结合挤压膜模型分析，获得液膜厚度和倾角，并实现平板间微纳液膜厚度的调平和控制，其特征在于具体步骤如下：
1)固定角度微调平台于防振台上，固定电解池底板于角度微调平台上，固定工件于电解池底板上；
2)固定力传感器于宏微复合进给机构上，固定工具电极于力传感器上；
3)调整工具电极、工件和角度微调平台的水平位置，使三者在水平面的投影中心重合；
4)通过显微放大观察装置和角度微调平台将工件表面调整至和工具电极表面平行；
5)安装电解池侧壁，注入电解液，利用宏微复合进给机构使工具电极靠近工件表面，将当前的工具电极和工件位置记为测量位置；
6)利用宏微复合进给机构使工具电极相对工件作给定幅值和频率的振动，获取力传感器上的交变力信号；
7)控制工具电极沿膜厚方向运动给定位移增量，重复步骤(4)，测得交变力信号，之后，工具电极回到测量位置；
8)分别调整工件沿水平面内两个正交坐标轴方向旋转运动一定的增量，重复步骤(6)，测得两个交变力信号，之后，工具电极回到测量位置；
9)利用计算分析软件对由步骤(6)、步骤(7)和步骤(8)测得的四个交变力信号进行分析，计算出测量位置的挤压膜阻力总载荷以及总载荷对中心膜厚和两个倾角的偏导数；
10)基于挤压膜模型并利用非线性方程的数值求解方法，分析计算出测量位置的中心膜厚和工具电极的相对倾角；
11)根据所测得的倾角数据，调平电极；
12)将由步骤(11)调平后的工件和工具电极位置定为新的测量位置，重复步骤(6)和步骤(7)，基于挤压膜模型校准液体粘度，重复步骤(8)、步骤(9)、步骤(10)和步骤(11)，实现高平行度的大面积微纳液膜厚度控制。
2.一种平板间微纳液膜厚度测试调平装置，包括角度微调平台(1)、电解池底板(2)、电解池侧壁(3)、工件(4)、力传感器(5)、宏微复合进给机构(6)、工具电极(7)、显微放大观察装置(8)、支座(9)和隔振台(10)，其特征在于：
在隔振台(10)上安装有角度微调平台(1)，装有工件(4)的电解池底板(2)装夹到角度微调平台(1)上，支座(9)固定在隔振台(10)上，支座(9)上安装宏微复合进给机构(6)，工具电极(7)通过力传感器(5)连接到宏微复合进给机构(6)上，在防振台(10)上水平面的两个正交方向上装有两个显微放大观察装置(8)。
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