CN102944222A - 一种砂轮轴倾斜角度测量方法 - Google Patents

Abstract

一种砂轮轴倾斜角度测量方法，属于超精密磨削技术领域，采用一个激光位移传感器、一个光学平晶、一个工件轴、一个砂轮轴。其特征在于，激光位移传感器安装在砂轮轴的前端，其射出光束与砂轮轴的回转轴线平行，光学平晶夹持在工件轴前端中心处且光学平晶与工件轴的回转轴线垂直，转动砂轮轴时激光位移传感器的光斑能够通过光学平晶的中心。激光光斑中心到砂轮轴的回转轴线的距离和光学平晶的半径需要给定；通过测量激光位移传感器距光学平晶中心点和外周边上两点的距离来计算砂轮轴的回转轴线相对于工件轴的回转轴线的倾斜角度。本发明的效果和益处是能够实现砂轮轴的回转轴线相对于工件轴的回转轴线的倾斜角度的高精度测量。

Description

一种砂轮轴倾斜角度测量方法

技术领域

本发明属于超精密磨削技术领域，涉及超精密磨床的砂轮轴倾斜角度测量，特别涉及超精密磨床的砂轮轴相对于工件轴倾斜角度的高精度测量。

背景技术

磨削集成电路制造用硅片以及光电晶体基片时，为了减小砂轮与工件间的磨削接触区面积，需要使砂轮轴的回转轴线相对于工件轴的回转轴线倾斜一微小角度；通过微调整砂轮轴的回转轴线和工件轴的回转轴线之间的夹角，可以补偿材料去除的非均匀性以及机床变形，从而提高工件的平整度。利用杯形砂轮端面切入磨削的方法加工核主泵用密封环的平端面、圆锥面等轴对称回转表面时，需要精确设定砂轮回转轴线相对于工件轴的回转轴线的倾斜角度。采用基于二轴联动的杯形砂轮端面切入磨削的方法加工核主泵用等倾波纹面型密封环时，以及采用基于三轴联动的杯形砂轮端面切入磨削的方法加工核主泵用斜波纹面型密封环时，需要精确设定砂轮回转轴线相对于回转工作台的回转轴线的倾斜角度。在磨床上原位测量所磨削的密封环的面形精度时也需要精确测量砂轮轴的回转轴线的倾斜角度。

公知的砂轮轴倾斜角度测量方法还存在精度不足问题。例如，测量前需要试磨工件，然后在砂轮轴上固定接触式测头，例如测量千分表、或者LVDT气浮式测头，测量工件表面上若干点，再根据一定算法计算出砂轮轴的倾斜角度。然而，经过试磨的工件面形精度仍然不高，接触式测头的重复精度较低，现有算法过于粗略。

发明内容

本发明的目的在于提供一种砂轮轴倾斜角度测量方法，能够实现砂轮轴的回转轴线相对于工件轴的回转轴线的倾斜角度的高精度测量。

本发明采用如下技术方案来实现：

采用一个激光位移传感器、一个光学平晶、一个工件轴、一个砂轮轴，通过激光位移传感器做非接触式测量。激光位移传感器的重复精度小于0.02微米，线性度小于0.05%。光学平晶的直径大于150毫米，平面度小于λ/10。工件轴的径向跳动和端面跳动为0~0.1微米。砂轮轴的径向跳动和端面跳动为0~0.1微米。激光位移传感器安装在砂轮轴的前端，其射出光束与砂轮轴线平行，该激光位移传感器能够绕砂轮轴的回转轴线做高精度回转运动。光学平晶夹持在工件轴前端中心处且光学平晶与工件轴的轴线垂直。转动砂轮轴时激光位移传感器的光斑能够通过光学平晶的中心。

砂轮轴的回转轴线相对于工件轴的回转轴线的倾斜角度以俯仰角α和侧偏角β表示。定义过砂轮轴的回转轴线上一点O和工件轴的回转轴线的平面为Ω，定义过点O、垂直平面Ω且平行工件轴的回转轴线的平面为Π，α为砂轮轴的回转轴线在平面Π上投影与过点O且平行工件轴的回转轴线的直线的夹角，β为砂轮轴的回转轴线在平面Π上投影与砂轮轴的回转轴线的夹角。

测量砂轮轴的回转轴线与工件轴的回转轴线倾斜角度时，回转台固定不动，砂轮轴带动激光位移传感器转动，依次从光学平晶外周边、光学平晶中心和外周边另一侧选取三点进行测量，这三点分别记为A、B和C。测量点A、B和C时激光位移传感器分别在点P₁、P₂和P₃，这三点对应相位角分别为φ_A、φ_B和φ_C，测量读数分别为h_A、0和h_C。激光光斑中心到砂轮轴的回转轴线的距离R和光学平晶的半径R₀给定后，α和β由下面方程组解出：

式中 h₀为激光位移传感器光斑落在点B时过点B做砂轮轴线垂线所得垂足与光学平晶沿z方向的距离。

本发明的效果和益处是克服了现有砂轮轴倾斜角度测量方法存在的精度不足问题，能够实现砂轮轴的回转轴线相对于工件轴的回转轴线的倾斜角度的高精度测量，可用于硅片超精密磨削、核主泵用密封环超精密磨削过程中砂轮轴倾斜角度的精确测量和设定。

附图说明

图1是砂轮轴倾斜角度测量示意图。

图2是砂轮轴倾斜角度测量用坐标系示意图。

图中：1工件轴；2工件轴的回转轴线；3光学平晶；4激光位移传感器；5砂轮轴的回转轴线；6 砂轮轴前端。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

图1为砂轮轴倾斜角度测量示意图。采用一个激光位移传感器、一个光学平晶、一个空气轴承支撑的工件轴、一个空气轴承支撑的砂轮轴，通过激光位移传感器做非接触式测量。激光位移传感器的重复精度为0.005微米，线性度小于0.05%。光学平晶的直径为200毫米，平面度为λ/20。工件轴的径向跳动和端面跳动为0.05微米。砂轮轴的径向跳动和端面跳动为0.05微米。激光位移传感器安装在砂轮轴的前端，其射出光束与砂轮轴线平行，该激光位移传感器能够绕砂轮的回转轴线做高精度回转运动。光学平晶夹持在工件轴前端中心处且光学平晶与工件轴的轴线垂直。转动砂轮轴时激光位移传感器的光斑能够通过光学平晶的中心。

砂轮轴倾斜角度测量用坐标系见图2。坐标系Ox₃y₃z₃固定在砂轮轴上，原点O为过激光光斑中心所做砂轮轴的回转轴线的垂线的垂足。激光位移传感器的回转圆周在x₃y₃平面上，z₃轴与砂轮轴的回转轴线重合；点O₁为过点O做工件轴的回转轴线的垂足，坐标系O₁xyz固定在回转轴上，z轴与回转轴的回转轴线重合，原点为O₁；坐标系Ox₂y₂z₂以点O为原点，z₂轴与z轴平行，点O₁在y₂轴的负半轴上；坐标系O₁x₁y₁z₁以点O₁为原点，z₁轴与z轴重合，y₁轴与y₂轴重合。砂轮轴的回转轴线相对于工件轴的回转轴线的倾斜角度以俯仰角α和侧偏角β表示。其中α为砂轮轴的回转轴线与其在x₂z₂平面投影的夹角，β为z₃轴线与砂轮轴的回转轴线在x₂z₂平面投影夹角。

测量砂轮轴的回转轴线与工件轴的回转轴线倾斜角度时，将光学平晶夹持在工件轴前端中心处且使光学平晶与工件轴的轴线垂直。工件轴固定不动，砂轮轴带动激光位移传感器顺时针方向转动，依次从光学平晶外周边、光学平晶中心和外周边另一侧选取三点进行测量，这三点分别记为A、B和C。测量点A、B和C时激光位移传感器分别在点P₁、P₂和P₃，相位角分别为φ_A、φ_B和φ_C，测量读数分别为h_A、0和h_C。点A在坐标系Ox₃y₃z₃下的坐标为：

式中 R——激光光斑中心到砂轮轴得回转轴线距离

点A在Ox₂y₂z₂下的坐标为：

点A在O₁x₁y₁z₁下的坐标为：

进而有

式中 h₀——激光位移传感器的光斑落在点B时过点B做砂轮轴线垂线所得垂足与光学平晶在z方向的距离， R₀——光学平晶外半径

点B在坐标系Ox₃y₃z₃下的坐标为：

点B在坐标系Ox₂y₂z₂下的坐标为：

点B在坐标系O₁x₁y₁z₁下的坐标为:

进而有

点C在坐标系Ox₃y₃z₃下的坐标为：

点C在坐标系Ox₂y₂z₂下的坐标为：

点C在坐标系O₁x₁y₁z₁下的坐标为；

进而有

当R、R₀、h_A和h_C给定后，式(1)~式(7)组成一个包含α、β、φ_A、φ_B、φ_C、h₀和R_d 7个未知数的方程组，通过解方程组求出α和β的准确值。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的举例，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的同等技术手段，例如，砂轮轴的回转轴线相对于工件轴的回转轴线的倾斜角度也可以用与本发明实现形式完全不同的两个变量定义，在几何学上这两个变量与本发明实现形式所定义的俯仰角和侧偏角存在确定的关系，其关系可通过计算得到。

Claims (4)

1.一种砂轮轴倾斜角度测量方法，采用一个激光位移传感器、一个光学平晶、一个工件轴、一个砂轮轴，通过激光位移传感器做非接触式测量，其特征是，激光位移传感器安装在砂轮轴的前端，其射出光束与砂轮轴的回转轴线平行，该激光位移传感器能够绕砂轮轴的回转轴线做回转运动，光学平晶夹持在工件轴前端中心处且光学平晶与工件轴的回转轴线垂直，转动砂轮轴时激光位移传感器的光斑能够通过光学平晶的中心。

2.根据权利要求1所述的一种砂轮轴倾斜角度测量方法，其特征在于，激光光斑中心到砂轮轴的回转轴线的距离R和光学平晶的半径R₀需要给定。

3.根据权利要求1所述的一种砂轮轴倾斜角度测量方法，其特征在于，工件轴固定不动，砂轮轴带动激光位移传感器转动，依次从光学平晶外周边、光学平晶中心和外周边另一侧选取三点进行测量。

4.根据权利要求1、2和3所述的一种砂轮轴倾斜角度测量方法，其特征在于，砂轮轴的回转轴线的俯仰角α和砂轮轴的回转轴线的侧偏角β由下面方程组解出：

其中h_A、0和h_C分别为依次从光学平晶外周边、光学平晶中心和外周边另一侧选取三点进行测量时激光位移传感器的读数。

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