CN104128883B - 一种研磨力高精度测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种研磨力高精度测量装置，属于机械设计技术领域。测量装置包括安装基板、侧板、底板、浮动卡具、移动滑台、单轴力传感器、卡具支架和两个三轴力传感器、侧板和底板均垂直固定连接在安装基板的一侧表面上，侧板和底板所在的两个平面也互相垂直；两个三轴力传感器分别固定安装在侧板和底板相对一侧的表面上，单轴力传感器固定安装在安装基板上且位于侧板和底板的合围范围内；卡具支架通过其两个安装平面分别与两个三轴力传感器连接；浮动卡具固定连接在卡具支架内部，上述组件整体通过安装基板连接在移动滑台上。本发明能够实现同时对精密微细研磨加工过程中工件所受X、Y、Z三个方向研磨力的高精度测量。

Description

一种研磨力高精度测量装置
技术领域
本发明涉及一种精密微细加工过程中研磨力的高精度测量装置，属于机械设计技术领域。
背景技术
研磨加工是保证工件精度的重要手段，在超精密加工领域具有广泛的应用。在研磨加工过程中，为了研究各个方向研磨力对工件表面质量的影响规律，需要对整个研磨加工过程中工件的受力情况进行高精度的测量。从现有的研磨力测量装置来看，主要有以下两种测量方式：
(1)单轴力传感器直接测量:应用两个单轴力传感器进行测量，通过杠杆原理对研磨力数学模型进行推导，得出称重传感器的测量值与法向研磨力的关系，实现法向研磨力的直接测量。
(2)伺服电机电流间接测量：在详细分析进给伺服电机电流与研磨力之间关系的基础上，建立进给伺服电机电流与研磨力之间的数学模型，通过测量加工过程中进给伺服电机电流，实现研磨力的间接测量。
上述两种方式主要应用于常规零件研磨加工过程中研磨力的测量等实验研究，虽然具有结构简单，量程范围广，容易实现自动控制等优点。但是这两种方法的缺点是：第一种方法只能对一个方向的研磨力进行测量，对实际研磨的反映比较片面；第二种方法所得到的信息只是研磨力的一个间接反映，对研磨力的测量不够准确。所以现有的两种方法都无法实现对X、Y、Z三个方向的研磨力进行高精度的全面测量。在精密微细结构件的研磨加工过程中，为了准确、全面的研究各个方向研磨力对工件表面质量的影响规律，需要同时对研磨加工过程中工件各个方向的受力情况进行高精度的测量。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种研磨力高精度测量装置，能够实现同时对精密微细研磨加工过程中工件所受X、Y、Z三个方向研磨力的高精度测量。
一种研磨力高精度测量装置，包括安装基板、侧板、底板、浮动卡具、移动滑台、单轴力传感器、卡具支架和两个三轴力传感器、外围设备为机床主轴、研磨棒和卡盘。
所述安装基板为一块矩形平面板材；
所述浮动卡具在研磨加工过程中根据所装卡工件受力情况，自适应的微量调整工件位置，使得工件的被研磨表面与研磨棒端面处于重合状态；
所述卡具支架具有三个互相垂直的平面，其中两个互相垂直的平面是与三轴力传感器实现连接的安装平面；
其整体连接关系为：所述侧板和底板均垂直固定连接在安装基板的一侧表面上，侧板和底板所在的两个平面也互相垂直；两个三轴力传感器分别固定安装在侧板和底板相对一侧的表面上，单轴力传感器固定安装在安装基板上且位于侧板和底板的合围范围内；所述卡具支架通过其两个安装平面分别与两个三轴力传感器固定连接，另一个平面与单轴力传感器之间留有间隙；所述浮动卡具连接在卡具支架内部，上述组件整体通过安装基板连接在移动滑台上。
进一步的，所述侧板和底板为L型结构，通过L型结构的水平部分作为连接结构与安装基板实现连接。
进一步的，所述浮动卡具包括水平调整块、垂直旋转轴、堵块压紧螺钉、堵块、垂直调整块、水平旋转轴、浮动卡具安装基座、垂直浮动框、水平浮动框、夹紧块、挡块和挡块压紧螺钉，挡块压紧螺钉和堵块压紧螺钉分别从水平和竖直方向穿过垂直浮动框，同时通过挡块和堵块对工件实现水平和竖直两个方向的夹紧，夹紧块固定连接在垂直浮动框上且对工件实现法向的夹紧；垂直浮动框通过垂直旋转轴活动安装在水平浮动框内部，垂直浮动框上固定连接有垂直调整块，垂直调整块与水平浮动框之间连接有弹簧，通过弹簧的柔性来调节垂直浮动框绕垂直旋转轴转动的角度，从而实现了工件绕垂直旋转轴的柔性转动；水平浮动框通过水平旋转轴活动连接在浮动卡具安装基座上，水平调整块固定连接在水平浮动框上，整个浮动卡具通过浮动卡具安装基座固定在卡具支架上面，水平调整块与卡具支架之间连接有弹簧，通过弹簧的柔性来调节水平浮动框绕水平旋转轴转动的角度，从而实现了工件绕水平旋转轴的柔性转动。
两个三轴力传感器是研磨力测量的主要器件，全部研磨力通过工件、浮动卡具和卡具支架直接作用在了两个三轴力传感器上，由此实现了对研磨力的高精度直接测量，将两个三轴力传感器的坐标系下三个方向的分量在测量系统坐标系统里进行叠加，由此得到工件所受X、Y、Z三个方向研磨力的大小；单轴力传感器是为了防止过大的法向研磨力对两个三轴力传感器造成损坏而添加的辅助力传感器，在研磨加工的过程中，控制滑台的位置即可控制工件的位置，控制机床主轴的转速即可控制装卡在卡盘上研磨棒的转速，使研磨棒对工件进行加工。在研磨加工过程中，将上述力传感器的输出信号进过放大、滤波等处理过程后储存并实时显示，即可进行研磨力的实时测量。
有益效果：
1、本发明能够实现同时对三个方向研磨力的直接测量，具有结构简单易行、测量精度高、与实际研磨力一致性好、测量效率高、测量范围广等特点，能够满足精密微细结构件加工过程中研磨力测量的要求，具有很强的适用性，为高质量的研磨加工提供了技术保障。
2、本发明在安装基板设置了单轴力传感器，并将卡具支架与单轴力传感器之间留有间隙，能够防止过大的法向研磨力对两个三轴力传感器造成损坏，并且还能够准确的得到该方向上研磨力大小的直观数据。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明各个力传感器及整个测量系统坐标系之间的关系示意图；
图3为本发明中浮动卡具的结构示意图。
其中，1、机床主轴，2、侧板，3、工件，4、浮动卡具，5、移动滑台，6、安装基板，7、单轴力传感器，8、卡具支架，9、一号三轴力传感器，10、底板，11、二号三轴力传感器，12、研磨棒，13、卡盘，14、水平调整块，15、垂直旋转轴，16、堵块压紧螺钉，17、堵块，18、垂直调整块，19、水平旋转轴，20、浮动卡具安装基座，21、垂直浮动框，22、水平浮动框，23、夹紧块，24挡块，25挡块压紧螺钉。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1和2所示，本发明的研磨力高精度测量装置包括安装基板6、侧板2、底板10、浮动卡具4、移动滑台5、单轴力传感器7、卡具支架8、一号三轴力传感器9和二号三轴力传感器11、外围设备为机床主轴1、研磨棒12和卡盘13。
所述安装基板6为一块矩形平面板材；
所述浮动卡具4在研磨加工过程中根据所装卡工件3受力情况，自适应的微量调整工件位置，使得工件3的被研磨表面与研磨棒端面处于重合状态；
所述卡具支架8具有三个互相垂直的平面，其中两个互相垂直的平面是与三轴力传感器实现连接的安装平面；
其整体连接关系为：所述侧板2和底板10均垂直固定连接在安装基板6的一侧表面上，侧板2和底板10所在的两个平面也互相垂直，所述侧板2和底板10为L型结构，通过L型结构的水平部分作为连接结构与安装基板6实现连接；一号三轴力传感器9和二号三轴力传感器11分别固定安装在侧板2和底板10相对一侧的表面上，单轴力传感器7固定安装在安装基板6上且位于侧板2和底板10的合围范围内；所述卡具支架8通过其两个安装平面分别与一号三轴力传感器9和二号三轴力传感器11固定连接，另一个平面与单轴力传感器7之间留有间隙；所述浮动卡具4固定连接在卡具支架8内部，上述组件整体通过安装基板6连接在移动滑台5上。
如附图3所示，所述浮动卡具包括水平调整块14、垂直旋转轴15、堵块压紧螺钉16、堵块17、垂直调整块18、水平旋转轴19、浮动卡具安装基座20、垂直浮动框21、水平浮动框22、夹紧块23、挡块24和挡块压紧螺钉25，挡块压紧螺钉25和堵块压紧螺钉16分别从水平和竖直方向穿过垂直浮动框21，同时通过挡块24和堵块17对工件3实现水平和竖直两个方向的夹紧，夹紧块23固定连接在垂直浮动框21上且对工件3实现法向的夹紧；垂直浮动框21通过垂直旋转轴15活动安装在水平浮动框22内部，垂直浮动框21上固定连接有垂直调整块18，垂直调整块18与水平浮动框22之间连接有弹簧，通过弹簧的柔性来调节垂直浮动框21绕垂直旋转轴15转动的角度，从而实现了工件3绕垂直旋转轴15的柔性转动；水平浮动框22通过水平旋转轴19活动连接在浮动卡具安装基座20上，水平调整块14固定连接在水平浮动框22上，整个浮动卡具4通过浮动卡具安装基座20固定在卡具支架8上面，水平调整块14与卡具支架8之间连接有弹簧，通过弹簧的柔性来调节水平浮动框22绕水平旋转轴19转动的角度，从而实现了工件3绕水平旋转轴19的柔性转动。
工作过程和原理：机床主轴1带动夹持研磨棒12的卡盘13转动由研磨棒12对工件3表面进行研磨，工件3由浮动卡具4夹持，通过移动滑台5的位移来改变工件3相对于研磨棒12的位置来实现研磨加工。工件3所受到的研磨力在X、Y、Z三个方向的分量，分别等于各个传感器在相应方向上分量之和。由此得到在测量系统坐标系中，工件3所受研磨力与各个传感器各向输出力的关系为：
其中FX、FY、FZ分别为在测量系统坐标系中，工件所受研磨力在X轴、Y轴和Z轴方向的分量；FX-一号三轴力传感器、FY-一号三轴力传感器、FZ-一号三轴力传感器分别为一号三轴力传感器在其自身坐标系中X、Y、Z三个方向的输出值；FX-二号三轴力传感器、FY-二号三 轴力传感器、FZ-二号三轴力传感器分别为二号三轴力传感器在其自身坐标系中X、Y、Z三个方向的输出值；F单轴力传感器即为单轴力传感器在自身坐标系Z轴方向的测得值。将传感器直接测量得到的输出值FX-一号三轴力传感器、FY-一号三轴力传感器、FZ-一号三轴力传感器、FX- 二号三轴力传感器、FY-二号三轴力传感器、FZ-二号三轴力传感器、F单轴力传感器进行式(1)所示的处理，即可得到工件所示研磨力在X、Y、Z三个方向的分量。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种研磨力高精度测量装置，其特征在于，包括：安装基板(6)、侧板(2)、底板(10)、浮动卡具(4)、移动滑台(5)、单轴力传感器(7)、卡具支架(8)、一号三轴力传感器(9)和二号三轴力传感器(11)、外围设备为机床主轴(1)、研磨棒(12)和卡盘(13)；
所述安装基板(6)为一块矩形平面板材；
所述浮动卡具(4)在研磨加工过程中根据所装卡工件(3)受力情况，自适应的调整工件位置，使得工件(3)的被研磨表面与研磨棒端面处于重合状态；
所述卡具支架(8)具有三个互相垂直的平面，其中两个互相垂直的平面是与一号三轴力传感器(9)和二号三轴力传感器(11)实现连接的安装平面；
其整体连接关系为：所述侧板(2)和底板(10)均垂直固定连接在安装基板(6)的一侧表面上，侧板(2)和底板(10)所在的两个平面也互相垂直；一号三轴力传感器(9)和二号三轴力传感器(11)分别固定安装在侧板(2)和底板(10)相对一侧的表面上，单轴力传感器(7)固定安装在安装基板(6)上且位于侧板(2)和底板(10)的合围范围内；所述卡具支架(8)通过其两个安装平面分别与一号三轴力传感器(9)和二号三轴力传感器(11)固定连接，另一个平面与单轴力传感器(7)之间留有间隙；所述浮动卡具(4)连接在卡具支架(8)内部，上述组件整体通过安装基板(6)连接在移动滑台(5)上。
2.如权利要求1所述的研磨力高精度测量装置，其特征在于，所述浮动卡具(4)包括水平调整块(14)、垂直旋转轴(15)、堵块压紧螺钉(16)、堵块(17)、垂直调整块(18)、水平旋转轴(19)、浮动卡具安装基座(20)、垂直浮动框(21)、水平浮动框(22)、夹紧块(23)、挡块(24)和挡块压紧螺钉(25)，挡块压紧螺钉(25)和堵块压紧螺钉(16)分别从水平和竖直方向穿过垂直浮动框(21)，同时通过挡块(24)和堵块(17)对工件(3)实现水平和竖直两个方向的夹紧，夹紧块(23)固定连接在垂直浮动框(21)上且对工件(3)实现法向的夹紧；垂直浮动框(21)通过垂直旋转轴(15)活动安装在水平浮动框(22)内部，垂直浮动框(21)上固定连接有垂直调整块(18)，垂直调整块(18)与水平浮动框(22)之间连接有弹簧，通过弹簧的柔性来调节垂直浮动框(21)绕垂直旋转轴(15)转动的角度；水平浮动框(22)通过水平旋转轴(19)活动连接在浮动卡具安装基座(20)上，水平调整块(14)固定连接在水平浮动框(22)上，整个浮动卡具(4)通过浮动卡具安装基座(20)固定在卡具支架(8)上面，水平调整块(14)与卡具支架(8)之间连接有弹簧，通过弹簧的柔性来调节水平浮动框(22)绕水平旋转轴(19)转动的角度。
3.如权利要求1所述的研磨力高精度测量装置，其特征在于，所述侧板(2)和底板(10)为L型结构，通过L型结构的水平部分作为连接结构与安装基板(6)实现连接。
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