CN107471085B - 基于粘弹性材料研抛的六维力测力装置与测力方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于粘弹性材料研抛的六维力测力装置与测力方法，属于超精密加工及复杂光学零件加工测控技术领域。带有粘弹性材料层的研抛头装在卡簧中，卡簧装在弹性主体前端的凹槽内，卡簧与弹性主体前端的凹槽内壁贴合接触，并将内螺纹紧固帽靠螺纹连接在弹性主体前端，并联的力敏装置预紧在弹性主体上，并装卡在弹性主体四周呈正四边形分布的凹槽内，外套筒与弹性主体由套筒预紧螺钉连接，下盖与弹性主体通过下盖预紧螺钉连接，传出部分悬浮在下盖、接触环圈与外套筒的准闭合空间内。优点是能够实现在线精密测量，耦合程度小，横向力干扰小，可实时准确地精密测量六维力且安装拆卸方便。

Description

基于粘弹性材料研抛的六维力测力装置与测力方法

技术领域

本发明属于超精密加工及复杂光学零件加工测控技术领域，特别涉及一种基于粘弹性研抛的六维力测量装置及测量方法。

背景技术

随着现代科技的进步，机械加工行业对被加工零件的表面精度要求越来越高，不断提高对加工过程测量精度的要求。由于研拋过程中被加工零件表面微观几何轮廓的复杂多变和外界因素的干扰，使得研拋力在加工过程中会产生波动而偏离理论计算值，所以越来越多的研究人员和学者致力于通过对研拋力的精密测量来提高研拋加工过程的加工精度，并时时控制研拋参数，优化研拋过程从而实现被加工零件表面的精密加工。早期研制出的压电石英刀杆式三向车削测力仪通过压电晶体来感知三向切削力，压电晶体通过弹性半环施加预紧力，但选择这样的预紧方式，会受到倾覆力矩和力相互耦合作用的影响，使其不能监测微小切削力和应用于表面微结构的精密加工中。而传统的能对工件加工的装置其传感器与工件的接触部位不能很好的贴合曲率变化幅度大曲面，进而导致对力的测量不够准确，会出现漏测等现象，会对后续的加工产生较大的影响。同时传统加工过程中，机床的颤震会产生刺激操作工人的噪声，降低工作效率，并且又会造成机床过早的出现疲劳损坏，工件的安全系数、可靠程度、强度以及刀具的寿命和生产率等诸多因素都会受到不同程度的影响。机械加工过程中存在的颤震会使加工刀具不能沿着预先设定好的加工测力轨迹对工件进行加工还会引起测力滑移现象，这些都会引起测力误差进而影响加工的精度。

非牛顿体是指应力张量与变形张量不满足广义牛顿定义的流体，作为非牛顿流体的一种，粘弹性材料兼具某种粘性流体和弹性固体的特性，即固体的变形特性和流体的流动特性。施加的频率不同粘弹性材料所表现的物理性质也不尽相同，也就是在施加压力频率比较大时，表现的是固体形态并且具有流动性，反之，表现的是流体形态，具有很好的刚性。固体的刚性可以很好地表现正交力，流体的流动性可很好的贴合曲率变化比较快的自由曲率工件表面，以利于实现无缝隙接触。而从能量的角度讲，它同时具有弹性固体储能的特性和粘性液体耗能的本领，在受到交变应力的作用产生形变时部分能量储存起来，另一部分能量以热能形式散失，从而把机械振动转化成热能起到减震的作用。

粘弹性材料作为第一接触元，并采用复刚度模型如式(1)-(2)所示：

δ＝ωt+δ₀  (2)

E'为粘弹性材料的动态刚度，E”为粘弹性材料的动态粘度，η为耗损因数，δ为ω应力角频率的函数,所以也是应力频率的函数：当频率大于1Hz时，η＞1，表现出流动性，频率为0～1Hz时，η＜1，表现出刚性。

粘弹性材料还可以接受频率发生器发出的频率，主动调整自身的刚性和柔性，实现刚性和柔性的自动控制。该材料现在已应用于水利，桥梁，建筑，车辆，航天航空等领域，在机械领域的也具有一定的开发潜能。

发明内容

本发明提供了一种基于粘弹性材料研抛的六维力测力装置与测力方法，以解决以往测力误差带来的加工精度问题。

本发明采取的技术方案是：包括传出部分，弹性主体，外套筒，下盖，力敏装置一、力敏装置二、力敏装置三、力敏装置四，带有粘弹性材料层的研抛头装在卡簧中，卡簧装在弹性主体前端的凹槽内，卡簧与弹性主体前端的凹槽内壁贴合接触，并将内螺纹紧固帽靠螺纹连接在弹性主体前端，并联的力敏装置一，力敏装置二，力敏装置三，力敏装置四由力敏装置预紧螺钉预紧在弹性主体上，并装卡在弹性主体四周呈正四边形分布的凹槽内，外套筒与弹性主体由套筒预紧螺钉连接，下盖与弹性主体通过下盖预紧螺钉连接，传出部分悬浮在下盖、接触环圈与外套筒的准闭合空间内。

本发明所述力敏装置一由x向石英晶片导线,z向石英晶片导线，压电端盖一组成，其中x向石英晶片上用导电胶粘贴有两个电极与两个x向石英晶片导线相连,z向石英晶片上同样有用导电胶粘贴的两个电极与两个z向石英晶片导线相连，其中石英晶片与弹性主体点接触，力敏装置一中的压电石英晶片通过串联的方式连接，并用密封胶密封，z向石英晶片导线的另一端都带有导线接触滑片与接触环圈上方的内接触槽焊接，且相邻两焊点相隔90°均匀分布在内接触槽上，x向石英晶片导线的另一端都带有导线接触滑片在x轴的方向上与接触环圈上方的中接触圈焊接。

本发明所述力敏装置二由y向石英晶片导线、z向石英晶片导线,压电端盖二组成，其中y向石英晶片上用导电胶粘贴有两个电极与两个y向石英晶片导线相连测量,z向石英晶片上贴用导电胶粘有两个电极与两个z向石英晶片导线相连，其中石英晶片与弹性主体点接触，力敏装置二中的压电石英晶片通过串联的方式连接，并用密封胶密封，z向石英晶片导线的另一端都带有导线接触滑片与接触环圈上方的内接触槽焊接，且相邻两焊点相隔90°均匀分布在内接触槽上，y向石英晶片导线的另一端都带有导线接触滑片在y轴的方向上与接触环圈上方的外接触圈焊接。

本发明所述力敏装置三结构同力敏装置一。

本发明所述力敏装置四结构同力敏装置二。

本发明所述传出部分由外磁圈、内磁圈、接触环圈、活动输电块(内包含活动输电块z向导出导线、活动输电块x向导出导线、活动输电块y向导出导线)、外磁片、内磁片、下磁片组成，接触环圈呈圆环状，其圆环内部由内及外均匀分布着同圆心的内接触槽、中接触圈、外接触圈，且均为导电材料，其余部分材料不导电，接触环圈靠弹性主体与下盖夹持，内磁圈套在下盖的凸台上，外磁圈套在外套筒内部与接触环圈的最外边界通过过盈量连接(接触环圈的最大直径大于外磁圈的半径，超出范围在3％—5％内)，活动输电块的内外壁上贴有内磁片，外磁片，底部贴有下磁片，通过内磁片与内磁圈、外磁片与外磁圈、下磁片与下盖的下凸台圆环表面贴有的环形磁片的同名磁极排斥力悬浮在下盖、接触环圈与外套筒的准闭合空间内，活动输电块顶部由内及外均匀分布着同圆心的导电内接触弧、导电中接触弧、导电外接触弧，连接导电接触弧的其余部分由不导电材料制成，导电内接触弧的内弧与内接触槽的外侧接触，带有导线接触滑片的活动输电块z向导出导线的一端通过活动输电块内孔与导电内接触弧焊接，导电中接触弧的内弧与中接触圈的外侧接触，带有导线接触滑片的活动输电块x向导出导线的一端通过活动输电块内孔与导电中接触弧焊接，导电外接触弧的内弧与外接触圈的外侧接触，带有导线接触滑片的活动输电块y向导出导线的一端通过活动输电内孔与导电外接触弧焊接。

一种基于粘弹性材料研抛的六维力测力方法，包括下列步骤：

研抛头受到空间任意方向的作用力F，将F在x、y、z三正交方向分解为研抛力真值F_CX、F_CY、F_CZ。而研抛力测量值F_SX则由分布在x方向上的力敏装置一中的X向石英晶片测得或力敏装置三中的X向石英晶片；y方向上的研抛力测量值F_SY由y轴方向上分布的力敏装置二中的Y向石英晶片测得或力敏装置四中的Y向石英晶片，z方向的研抛力测量值由四组力敏装置中的Z向石英晶片共同测得，每组力敏装置中的测量不同方向的石英晶片互不干扰，当且仅当某一方向石英晶片受到该方向的力时，石英晶片才会产生相应的形变，进而产生电信号经由导线和防缠线机构传出，从而测量六维力：正交力F_CX'，F_CY'，F_CZ'；扭矩M_X，M_Y,M_Z；以下从X、Y、Z三个方面进行叙述：

(1)、根据加工时的不同情况，将x方向上的研抛真值力F_CX平移到x轴方向上分布的力敏装置一或者力敏装置三的质心处，即对研抛头x方向上的研抛力真值F_CX转化为F_CX对力敏装置质心的扭矩M_X和正交力F_CX'，则扭矩M_X为；

M_X＝F_CX·L  (1)

其中，L：两晶片质心到F_CX的垂直距离，F_CX：研抛真值力；

弹性主体转动角度随时间的变化函数为φ(t)，所以每个力敏装置的转动惯性力为F_M：

F_M＝MR²·φ(t)"  (2)

其中，M：每组力敏装置的运动质量，R：力敏装置质心到弹性主体中心轴的距离；

力敏装置预紧螺钉的预紧力为F_RE，力敏装置一，力敏装置二，力敏装置三，力敏装置四，各受到四个力敏装置预紧螺钉与压电端盖一，压电端盖二，压电端盖三，压电端盖四连接的预紧力4F_RE，所以x方向上的研抛力测量值由x轴方向分布的力敏装置一中的x向石英晶片(或力敏装置三中的x向石英晶片)测得，为F_SX；

F_SX＝F′_CX+4F_RE+F_M  (3)

即将在x方向上研抛力真实值F_CX转化为F_CX对力敏装置质心的扭矩M_X和F_CX'；

F′_CX＝F_SX-4F_RE-MR²·φ(t)″  (4)

扭矩为M_x：

(2)、根据加工时的不同情况，将y方向上的研抛真值力F_CY平移到y轴方向上分布的力敏装置二或者力敏装置四的质心处。即对研抛头y方向上的研抛真值力F_CY等效为F_CY对力敏装置质心的扭矩M_Y和F_CY'，则扭矩M_Y为：

M_Y＝F_CY·L  (6)

其中，L：两晶片质心到F_CY的垂直距离；F_CY：研抛真值力；

同理在y方向上的研抛力测量值F_SY由y轴方向分布的力敏装置二中的y向石英晶片(或力敏装置四中的y向石英晶片)测得，为研抛力测量值F_SY：

F_SY＝F′_CY+4F_RE+F_M  (7)

即在y方向上研抛力真实值F_CY等效为F_CY对力敏装置质心的扭矩M_Y和F_CY'；

F′_CY＝F_SY-4F_RE-MR²·φ(t)″  (8)

扭矩M_Y为；

(3)、z方向上研抛真实值F_CZ作用在研抛头上，z方向上的研抛力测量值F_SZ分别由在xoy平面内呈正四边形排布四组力敏装置对应的四个z向石英晶片共同测得F_CZ1,F_CZ2,F_CZ3,F_CZ4，其和值为F_CZ，z方向上的研抛力测量值F_SZ：

F_SZ＝F_CZ  (10)

而：F_CZ＝F_CZ1+F_CZ2+F_CZ3+F_CZ4  (11)

则：F_CZ'＝F_CZ  (12)

扭矩为M_Z：

M_Z＝F_CZ·R  (13)

M_Z＝F_CZ1·R+F_CZ2·R+F_CZ3·R+F_CZ4·R  (14)。

本发明的优点是：

(1)针对加工曲率变化幅度大的曲面时，研抛头上的粘弹性材料呈流体的流动性，可以很好的贴合曲率变化幅度大的曲面，与工件无缝隙接触，有效地减少刀具磨损，在研抛时进行精准的测力，能够大幅度的减少颤震所带来的测力滑移，噪声等一系列问题，在加工平面时呈刚性。

(2)压电石英与主体采用点接触，有效的避免了对压电石英晶组的大力损害；并联的四组力敏装置采取空间正四边形排布，每组力敏装置中的压电石英晶片通过串联的方式连接，耦合程度小，横向力干扰小，能够较准确的测量六维力。

(3)电信号导通部分通过随主轴转动连接有输入导线的接触环圈与不随主轴转动连接有输出导线的滑动输电块构成，且相对运动接触表面带有相同电极的磁圈、磁片，会产生排斥力，进而增加了运动的灵敏度，较好的解决了缠线等问题，装置的接触环圈上带有互不接触的四个同心导电圈，可使四组压电信号分别输出，不互相干扰，能够实现在线测量和反馈，大幅提高加工精度。

(4)装置大体采用了弹性材料，增加了敏感度，结构简单，利于加工制造，且体积小，轻便，具有普适性，装卡拆卸方便快捷在很大程度上减少了装配带来的误差。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明去掉外套筒的轴测图；

图3是本发明的XOZ面剖视图；

图4是本发明的XOY面剖视图；

图5是本发明四组力敏装置的石英晶片导线与接触环圈连接图；

图6是本发明力敏装置一的x、z向研抛力的电信号传出局部放大图；

图7是本发明力敏装置二的y、z向研抛力的电信号传出局部放大图；

图8是本发明防缠线原理图；

图9是本发明活动输电块导电接触弧及内部线路图；

图10是本发明受力示意图；

图11是本发明基于粘弹性研抛六维力测力方法力学矢量图及控制框图；

附图标记说明：

1—传出部分，101—外磁圈，102—内磁圈，103—接触环圈，10301—内接触槽,10302—中接触圈、10303—外接触圈,10404—导电内接触弧，10405—导电中接触弧，10406—导电外接触弧,104—活动输电块，10401—活动输电块Z向导出导线，10402—活动输电块X向导出导线，10403—活动输电块Y向导出导线,105—外磁片，106—内磁片，107—下磁片，108—环形磁片，2—力敏装置一，201—压电端盖一，204—X向石英晶片导线，3—力敏装置二，301—压电端盖二，304—力敏装置预紧螺钉，306—Y向石英晶片导线，4—力敏装置三，401—压电端盖三，5—力敏装置四,501—压电端盖四，202—X向石英晶片、402—X向石英晶片，302—Y向石英晶片、502—Y向石英晶片，203—Z向石英晶片、303—Z向石英晶片、403—Z向石英晶片、503—Z向石英晶片,205—Z向石英晶片导线,305—Z向石英晶片导线,6—弹性主体，7—研抛头，8—粘弹性材料层，9—外套筒，10—下盖，11—下盖预紧螺钉，12—套筒预紧螺钉，13—卡簧，14—内螺纹紧固帽。

具体实施方式

结合附图对本发明装置作进一步详细描述，在加工曲率变化大的曲面时：

由图1、图2、图3、图4所示，该装置由传出部分1，弹性主体6，外套筒9，下盖10，力敏装置一2、力敏装置二3、力敏装置三4、力敏装置四5组成。将带有粘弹性材料层8的研抛头7装入卡簧13中，再将卡簧13装入弹性主体6前端的凹槽内，卡簧13与弹性主体6前端的凹槽内壁贴合接触，并将内螺纹紧固帽14靠螺纹连接在弹性主体6前端，弹性主体6前端外壁附有螺纹与内螺纹紧固帽14配合，此时保证内螺纹紧固帽14的旋入深度对卡簧13不产生预紧挤压力，继续旋入内螺纹紧固帽14从而对卡簧13施加周向预紧挤压力，卡簧13产生周向收缩对研抛头7圆柱轴进行夹持卡紧实现研抛头7与弹性主体6的稳固连接，在加工曲率变化比较大的曲面时，粘弹性材料层8会很好的贴合曲面，提高加工精度，并联的力敏装置一2，力敏装置二3，力敏装置三4，力敏装置四5由力敏装置预紧螺钉304预紧在弹性主体6(如力敏装置二3由力敏装置预紧螺钉304预紧)上，外套筒9与弹性主体6由套筒预紧螺钉12连接，下盖10与弹性主体6通过下盖预紧螺钉11连接，传出部分悬浮在下盖、接触环圈与外套筒的准闭合空间内。

由图5、图6所示，力敏装置一2由x向石英晶片202.z向石英晶片203,x向石英晶片导线204,z向石英晶片导线205，压电端盖一201组成。其中x向石英晶片202上用导电胶粘贴有两个电极与两个x向石英晶片导线204相连测量x方向研抛力测量值F_SX,z向石英晶片203上同样有用导电胶粘贴的两个电极与两个z向石英晶片导线205相连测量z方向研抛力测量值F_CZ1，其中石英晶片与弹性主体6点接触，有效的避免了对压电石英晶片的大力损害。力敏装置一2中的压电石英晶片通过串联的方式连接，耦合程度小，横向力干扰小，并用密封胶密封，传递z轴研抛力F_SZ电学信号的z向石英晶片导线205的另一端都带有导线接触滑片与接触环圈103上方的内接触槽10301焊接，且相邻两焊点相隔90°均匀分布在内接触槽10301上，传递x轴研抛力F_SX电学信号的x向石英晶片导线204的另一端都带有导线接触滑片在x轴的方向上与接触环圈103上方的中接触圈10302焊接。

由图5、图7所示，力敏装置二3由y向石英晶片302,z向石英晶片303,y向石英晶片导线306、z向石英晶片导线305,压电端盖二301组成。其中y向石英晶片302上用导电胶粘贴有两个电极与两个y向石英晶片导线306相连测量y方向研抛力F_SY,z向石英晶片303上贴用导电胶粘有两个电极与两个z向石英晶片导线305相连测量z方向研抛力F_CZ2，其中石英晶片与弹性主体6点接触，有效的避免了对压电石英晶片的大力损害。力敏装置二3中的压电石英晶片通过串联的方式连接，耦合程度小，横向力干扰小，并用密封胶密封，传递z轴研抛力F_SZ电学信号的z向石英晶片导线305的另一端都带有导线接触滑片与接触环圈103上方的内接触槽10301焊接，且相邻两焊点相隔90°均匀分布在内接触槽10301上，传递y轴研抛力F_SY电学信号的y向石英晶片导线306的另一端都带有导线接触滑片在y轴的方向上与接触环圈103上方的外接触圈10303焊接。

由图5所示，力敏装置四5的结构同力敏装置二3，y向石英晶片502测量y方向研抛力F_SY,z向石英晶片303测量z方向研抛力F_CZ4。

力敏装置三4的结构同力敏装置一2，x向石英晶片202测量x方向研抛力F_SX,z向石英晶片203测量z方向研抛力F_CZ3。

由图8所示，传出部分1由外磁圈101、内磁圈102、接触环圈103、活动输电块104(内包含活动输电块z向导出导线10401、活动输电块x向导出导线10402、活动输电块y向导出导线10403)、外磁片105、内磁片106、下磁片107组成。接触环圈103呈圆环状，其圆环内部由内及外均匀分布着同圆心的内接触槽10301、中接触圈10302、外接触圈10303，且均为导电材料，其余部分材料不导电。接触环圈103靠弹性主体6与下盖10夹持，内磁圈102套在下盖10的凸台上，外磁圈101套在外套筒9内部与接触环圈103的最外边界通过过盈量连接(接触环圈103的最大直径大于外磁圈101的半径，超出范围在3％—5％内)。活动输电块104的内外壁上贴有内磁片106，外磁片105，底部贴有下磁片107，通过内磁片106与内磁圈102、外磁片105与外磁圈101、下磁片107与下盖10的下凸台圆环表面贴有的环形磁片108的同名磁极排斥力悬浮在下盖10、接触环圈103与外套筒9的准闭合空间内。

由图8、图9所示，同时活动输电块104顶部由内及外均匀分布着同圆心的导电内接触弧10404、导电中接触弧10405、导电外接触弧10406，连接导电接触弧的其余部分由不导电材料制成。导电内接触弧10404的内弧与内接触槽10301的外侧接触，带有导线接触滑片的活动输电块z向导出导线10401的一端通过活动输电块104内孔与导电内接触弧10404焊接，一端将测得的z轴的研抛力F_SZ以电学信号传出；导电中接触弧10405的内弧与中接触圈10302的外侧接触，带有导线接触滑片的活动输电块x向导出导线10402的一端通过活动输电块104内孔与导电中接触弧10405焊接，另一端将测得的x轴的研抛力F_SX以电学信号传出；导电外接触弧10406的内弧与外接触圈10303的外侧接触，带有导线接触滑片的活动输电块y向导出导线10403的一端通过活动输电104内孔与导电外接触弧10406焊接，另一端将测得的y轴的研抛力F_SY以电学信号传出。活动输电块104的导出导线将测得的x、y、z轴研抛力F_SX、F_SY、F_SZ以电信号传递给后续处理装置，进行电荷放大，数据采集，数据处理得出x、y、z轴研抛力真值F_CX、F_CY、F_CZ。

在研抛过程中，弹性主体6带动下盖10、接触环圈103、内磁圈102、外磁圈101转动，其内部活动输电块104内外底侧分别贴有内磁片106、外磁片105、下磁片107。内磁片106与内磁圈102、外磁片105与外磁圈101、下磁片107与下盖10的下凸台圆环表面贴有的环形磁片108的磁极分别互为同名磁极，在相互排斥磁力的作用下，减少与内磁圈102、外磁圈101及下盖10上表面的摩擦，使活动输电块104相对于弹性主体6静止，确保活动输电块104的导出导线不与弹性主体6缠绕。

由图10，图11所示，主动控制粘弹性材料频率实现超精密研抛测力的过程如下：计算机终端控制器给频率发生器一个信号，使频率发生器发出指定频率给粘弹性材料，力信号通过自定义频率的弹性材料主体传递给在XOY平面内呈正方形分布的四组压电石英力敏装置，通过拉压剪切压电效应将接收的力信号转化成六维力的电信号，经由导线和防缠线机构传给电荷放大器后再由数据采集卡处理，把模拟信号转化成计算机终端控制器上的六维力的数字信号。

一种基于粘弹性材料研抛的六维力测力方法，包括下列步骤：

如图10、图11所示，研抛头7受到空间任意方向的作用力F，将F在x、y、z三正交方向分解为研抛力真值F_CX、F_CY、F_CZ。而研抛力测量值F_SX则由分布在x方向上的力敏装置一2中的X向石英晶片202测得或力敏装置三4中的X向石英晶片402；y方向上的研抛力测量值F_SY由y轴方向上分布的力敏装置二3中的Y向石英晶片302测得或力敏装置四5中的Y向石英晶片502，z方向的研抛力测量值由四组力敏装置中的Z向石英晶片203、303、403、503共同测得，每组力敏装置中的测量不同方向的石英晶片互不干扰，当且仅当某一方向石英晶片受到该方向的力时，石英晶片才会产生相应的形变，进而产生电信号经由导线和防缠线机构传出，从而测量六维力：正交力F_CX'，F_CY'，F_CZ'；扭矩M_X，M_Y,M_Z；以下从X、Y、Z三个方面进行叙述：

(1)、根据加工时的不同情况，将x方向上的研抛真值力F_CX平移到x轴方向上分布的力敏装置一2或者力敏装置三4的质心处。即对研抛头7x方向上的研抛力真值F_CX转化为F_CX对力敏装置质心的扭矩M_X和正交力F_CX'，则扭矩M_X为；

M_X＝F_CX·L  (1)

其中L：两晶片质心到F_CX的垂直距离

F_CX：研抛真值力

弹性主体6转动角度随时间的变化函数为φ(t)，所以每个力敏装置的转动惯性力为F_M：

F_M＝MR²·φ(t)"  (2)

其中M：每组力敏装置的运动质量

R：力敏装置质心到弹性主体6中心轴的距离

力敏装置预紧螺钉304的预紧力为F_RE，力敏装置一2，力敏装置二3，力敏装置三4，力敏装置四5，各受到四个力敏装置预紧螺钉304与压电端盖一201，压电端盖二301，压电端盖三401，压电端盖四501连接的预紧力4F_RE，所以x方向上的研抛力测量值由x轴方向分布的力敏装置一2中的x向石英晶片202(或力敏装置三4中的x向石英晶片402)测得，为F_SX：

F_SX＝F′_CX+4F_RE+F_M  (3)

即将在x方向上研抛力真实值F_CX转化为F_CX对力敏装置质心的扭矩M_X和F_CX'：

F′_CX＝F_SX-4F_RE-MR²·φ(t)″  (4)

扭矩为M_x；

(2)、根据加工时的不同情况，将y方向上的研抛真值力F_CY平移到y轴方向上分布的力敏装置二3或者力敏装置四5的质心处。即对研抛头7y方向上的研抛真值力F_CY等效为F_CY对力敏装置质心的扭矩M_Y和F_CY'，则扭矩M_Y为：

M_Y＝F_CY·L  (6)

其中L：两晶片质心到F_CY的垂直距离

F_CY：研抛真值力

同理在y方向上的研抛力测量值F_SY由y轴方向分布的力敏装置二3中的y向石英晶片302(或力敏装置四5中的y向石英晶片502)测得，为研抛力测量值F_SY：

F_SY＝F′_CY+4F_RE+F_M  (7)

即在y方向上研抛力真实值F_CY等效为F_CY对力敏装置质心的扭矩M_Y和F_CY'：

F′_CY＝F_SY-4F_RE-MR²·φ(t)″  (8)

扭矩M_Y为：

(3)、z方向上研抛真实值F_CZ作用在研抛头7上，z方向上的研抛力测量值F_SZ分别由在xoy平面内呈正四边形排布四组力敏装置对应的四个z向石英晶片203、303、403、503共同测得F_CZ1,F_CZ2,F_CZ3,F_CZ4，其和值为F_CZ，z方向上的研抛力测量值F_SZ；

F_SZ＝F_CZ  (10)

而：

F_CZ＝F_CZ1+F_CZ2+F_CZ3+F_CZ4  (11)

则：

F_CZ'＝F_CZ  (12)

扭矩为M_Z；

M_Z＝F_CZ·R  (13)

M_Z＝F_CZ1·R+F_CZ2·R+F_CZ3·R+F_CZ4·R  (14)

同理，在加工平面时，粘弹性材料层8呈刚性，可以很好的贴合被加工材料的表面，方法步骤同上。

Claims (7)

1.一种基于粘弹性材料研抛的六维力测力装置，其特征在于：包括传出部分，弹性主体，外套筒，下盖，力敏装置一、力敏装置二、力敏装置三、力敏装置四，带有粘弹性材料层的研抛头装在卡簧中，卡簧装在弹性主体前端的凹槽内，卡簧与弹性主体前端的凹槽内壁贴合接触，并将内螺纹紧固帽靠螺纹连接在弹性主体前端，并联的力敏装置一，力敏装置二，力敏装置三，力敏装置四由力敏装置预紧螺钉预紧在弹性主体上，并装卡在弹性主体四周呈正四边形分布的凹槽内，外套筒与弹性主体由套筒预紧螺钉连接，下盖与弹性主体通过下盖预紧螺钉连接，传出部分悬浮在下盖、接触环圈与外套筒的准闭合空间内；

所述的传出部分的结构是，由外磁圈、内磁圈、接触环圈、活动输电块、外磁片、内磁片、下磁片组成，接触环圈呈圆环状，其圆环内部由内及外均匀分布着同圆心的内接触槽、中接触圈、外接触圈，且均为导电材料，其余部分材料不导电，接触环圈靠弹性主体与下盖夹持，内磁圈套在下盖的凸台上，外磁圈套在外套筒内部与接触环圈的最外边界通过过盈量连接，活动输电块的内外壁上贴有内磁片，外磁片，底部贴有下磁片，通过内磁片与内磁圈、外磁片与外磁圈、下磁片与下盖的下凸台圆环表面贴有的环形磁片的同名磁极排斥力悬浮在下盖、接触环圈与外套筒的准闭合空间内，活动输电块顶部由内及外均匀分布着同圆心的导电内接触弧、导电中接触弧、导电外接触弧，连接导电接触弧的其余部分由不导电材料制成，导电内接触弧的内弧与内接触槽的外侧接触，带有导线接触滑片的活动输电块z向导出导线的一端通过活动输电块内孔与导电内接触弧焊接，导电中接触弧的内弧与中接触圈的外侧接触，带有导线接触滑片的活动输电块x向导出导线的一端通过活动输电块内孔与导电中接触弧焊接，导电外接触弧的内弧与外接触圈的外侧接触，带有导线接触滑片的活动输电块y向导出导线的一端通过活动输电内孔与导电外接触弧焊接。

2.根据权利要求1所述的一种基于粘弹性材料研抛的六维力测力装置，其特征在于：所述力敏装置一的结构是：由x向石英晶片导线,z向石英晶片导线，压电端盖一组成，其中x向石英晶片上用导电胶粘贴有两个电极与两个x向石英晶片导线相连,z向石英晶片上同样有用导电胶粘贴的两个电极与两个z向石英晶片导线相连，其中石英晶片与弹性主体点接触，力敏装置一中的压电石英晶片通过串联的方式连接，并用密封胶密封，z向石英晶片导线的另一端都带有导线接触滑片与接触环圈上方的内接触槽焊接，且相邻两焊点相隔90°均匀分布在内接触槽上，x向石英晶片导线的另一端都带有导线接触滑片在x轴的方向上与接触环圈上方的中接触圈焊接。

3.根据权利要求1所述的一种基于粘弹性材料研抛的六维力测力装置，其特征在于：所述力敏装置二的结构是：由y向石英晶片导线、z向石英晶片导线,压电端盖二组成，其中y向石英晶片上用导电胶粘贴有两个电极与两个y向石英晶片导线相连测量,z向石英晶片上贴用导电胶粘有两个电极与两个z向石英晶片导线相连，其中石英晶片与弹性主体点接触，力敏装置二中的压电石英晶片通过串联的方式连接，并用密封胶密封，z向石英晶片导线的另一端都带有导线接触滑片与接触环圈上方的内接触槽焊接，且相邻两焊点相隔90°均匀分布在内接触槽上，y向石英晶片导线的另一端都带有导线接触滑片在y轴的方向上与接触环圈上方的外接触圈焊接。

4.根据权利要求1所述的一种基于粘弹性材料研抛的六维力测力装置，其特征在于：所述力敏装置三的结构同力敏装置一相同。

5.根据权利要求1所述的一种基于粘弹性材料研抛的六维力测力装置，其特征在于：所述力敏装置四的结构同力敏装置二相同。

6.根据权利要求1所述的一种基于粘弹性材料研抛的六维力测力装置，其特征在于：所述活动输电块内包括活动输电块z向导出导线、活动输电块x向导出导线、活动输电块y向导出导线。

7.采用如权利要求1～6任一项所述的基于粘弹性材料研抛的六维力测力装置的测力方法，其特征在于，包括下列步骤；

研抛头受到空间任意方向的作用力F，将F在x、y、z三正交方向分解为研抛力真值F_CX、F_CY、F_CZ；而研抛力测量值F_SX则由分布在x方向上的力敏装置一中的X向石英晶片测得或力敏装置三中的X向石英晶片；y方向上的研抛力测量值F_SY由y轴方向上分布的力敏装置二中的Y向石英晶片测得或力敏装置四中的Y向石英晶片，z方向的研抛力测量值由四组力敏装置中的Z向石英晶片共同测得，每组力敏装置中的测量不同方向的石英晶片互不干扰，当且仅当某一方向石英晶片受到该方向的力时，石英晶片才会产生相应的形变，进而产生电信号经由导线和防缠线机构传出，从而测量六维力：正交力F_CX'，F_CY'，F_CZ'；扭矩M_X，M_Y,M_Z，以下从X、Y、Z三个方面进行叙述：

(1)、根据加工时的不同情况，将x方向上的研抛真值力F_CX平移到x轴方向上分布的力敏装置一或者力敏装置三的质心处，即对研抛头x方向上的研抛力真值F_CX转化为F_CX对力敏装置质心的扭矩M_X和正交力F_CX'，则扭矩M_X为；

M_X＝F_CX·L                                 (1)

其中，L：两晶片质心到F_CX的垂直距离，F_CX：研抛真值力；

弹性主体转动角度随时间的变化函数为φ(t)，所以每个力敏装置的转动惯性力为F_M：

F_M＝MR²·φ(t)"                               (2)

其中，M：每组力敏装置的运动质量，R：力敏装置质心到弹性主体中心轴的距离；

力敏装置预紧螺钉的预紧力为F_RE，力敏装置一，力敏装置二，力敏装置三，力敏装置四，各受到四个力敏装置预紧螺钉与压电端盖一，压电端盖二，压电端盖三，压电端盖四连接的预紧力4F_RE，所以x方向上的研抛力测量值由x轴方向分布的力敏装置一中的x向石英晶片(或力敏装置三中的x向石英晶片)测得，为F_SX：

F_SX＝F′_CX+4F_RE+F_M            (3)

即将在x方向上研抛力真实值F_CX转化为F_CX对力敏装置质心的扭矩M_X和F_CX'：

F′_CX＝F_SX-4F_RE-MR²·φ(t)″            (4)

扭矩为M_x：

(2)、根据加工时的不同情况，将y方向上的研抛真值力F_CY平移到y轴方向上分布的力敏装置二或者力敏装置四的质心处，即对研抛头y方向上的研抛真值力F_CY等效为F_CY对力敏装置质心的扭矩M_Y和F_CY'，则扭矩M_Y为；

M_Y＝F_CY·L                                (6)

其中，L：两晶片质心到F_CY的垂直距离，F_CY：研抛真值力；

同理在y方向上的研抛力测量值F_SY由y轴方向分布的力敏装置二中的y向石英晶片或力敏装置四中的y向石英晶片测得，为研抛力测量值F_SY：

F_SY＝F′_CY+4F_RE+F_M                          (7)

即在y方向上研抛力真实值F_CY等效为F_CY对力敏装置质心的扭矩M_Y和F_CY'：

F′_CY＝F_SY-4F_RE-MR²·φ(t)”                 (8)

扭矩M_Y为：

(3)、z方向上研抛真实值F_CZ作用在研抛头上，z方向上的研抛力测量值F_SZ分别由在xoy平面内呈正四边形排布四组力敏装置对应的四个z向石英晶片共同测得F_CZ1,F_CZ2,F_CZ3,F_CZ4，其和值为F_CZ，z方向上的研抛力测量值F_SZ；

F_SZ＝F_CZ                                      (10)

而：

F_CZ＝F_CZ1+F_CZ2+F_CZ3+F_CZ4                                 (11)

则：

F_CZ'＝F_CZ                                          (12)

扭矩为M_Z；

M_Z＝F_CZ·R                                     (13)

M_Z＝F_CZ1·R+F_CZ2·R+F_CZ3·R+F_CZ4·R                          (14)。

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