CN114739320A - 一种硬脆材料冲击刻划自动调平和原位检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工件调平和检测技术，更具体的说是一种硬脆材料冲击刻划自动调平和原位检测装置及方法。一种硬脆材料冲击刻划自动调平和原位检测装置，包括检测端，所述检测端包括能够发射光源的白光干涉仪，以及调节所述光源位置的位移平台，所述位移平台能够可拆卸的安装在机床的主轴端面上，所述光源与所述端面垂直。所述方法包括以下步骤：S1、记录工件在水平方向和竖直方向的的倾斜角，且使工件无高度差；S2、拆除检测端，在主轴端面安装金刚石刀具用以刻划工件，刻划结束后，拆除金刚石刀具，安装检测端，利用白光干涉仪扫描工件表面，获得干涉条纹信号，通过测量干涉条纹的变化来测量工件表面三维形貌。
Description
技术领域
本发明涉及工件定位技术，更具体的说是一种硬脆材料冲击刻划自动调平和原位检测装置及方法。
背景技术
硬脆材料具有机械强度高、化学稳定性好、热膨胀系数小等特点，在光学、电子、航空航天、新能源、生物医学等领域得到越来越广泛的应用，是新技术发展和国防建设必不可少的基础材料。其中，光学元器件制造过程中产生的裂纹和残余应力等损伤会对设备的性能产生严重影响，使其使役寿命降低甚至失效。因此硬脆材料磨削去除及表面形成机理成为机械加工领域热点和核心研究问题之一。
但目前为止，对硬脆材料去除及损伤形成机理的研究主要是在静态/准静态条件下进行的，并未考虑高应变率引起的材料力学性能变化规律，研究结果不能准确描述实际加工过程。因此需要开展高应变率单磨粒冲击刻划实验，模拟实际磨削加工过程来研究材料去除机理及表面/亚表面损伤演化机制。
现阶段刻划实验多采用纳米压痕仪和自研的一些刻划平台，刻划深度在微纳米级别，但工件在载物台上并未调平，其倾斜会导致刀具与工件接触不完整，实际接触面积与理论计算有很大差距，导致理论模型不能准确预测刻划表面裂纹扩展角度和亚表面塑性损伤区域；另一方面，实验完成后，需要将工件取下检测分析，破坏了实际加工环境，手动操作在工件表面引入其他微观杂质，导致检测结果与实际加工结果有误差。因此需要考虑在刻划过程中首先检测出工件是否倾斜即与刻划刀具是否保持垂直，以便于调整，另外在刻划完成后，需要在实际加工环境中进行检测分析。
发明内容
本发明提供一种硬脆材料冲击刻划自动调平和原位检测装置及方法，目的是可以自动调节工件倾斜角度和原位检测加工件表面形貌。
上述目的通过以下技术方案来实现：
一种硬脆材料冲击刻划自动调平和原位检测装置，包括检测端，所述检测端包括能够发射光源的白光干涉仪，以及调节所述光源位置的位移平台，所述位移平台能够可拆卸的安装在机床的主轴端面上，所述光源与所述端面垂直。
进一步的，所述白光干涉仪包括白光干涉仪本体，白光干涉仪本体上设有传感器探头，以及依次与传感器探头连接的光纤和白光干涉仪控制器；其中，白光干涉仪控制器通过光纤控制传感器探头发出光源。
进一步的，所述传感器探头发出的光斑直径为10μm，传感器线性量程为2.1mm，分辨率小于1nm。
进一步的，所述白光干涉仪控制器采用E2000型，光纤静态弯曲半径30mm，动态弯曲半径40mm。
进一步的，所述位移平台包括内部中空的位移平台底座，位移台底座的内部安装有滑动组件，在位移台底座上端面上边缘和侧边缘分别安装刻度尺，滑动组件上且对应两个安装刻度尺旁各设有一个位移符，滑动组件通过丝杠螺母传动的方式来调节位移符与刻度尺的相对位置。
进一步的，还包括工件端；所述工件端包括安装在所述机床的工件轴端面上的转接台，所述转接台的端面水平，在转接台的端面上固接有四个周向均匀分布的绝缘陶瓷，绝缘陶瓷所处的虚拟圆的圆心与工件轴的轴线重合，绝缘陶瓷上堆叠有压电陶瓷，压电陶瓷的两端突出一个银电极，还包括将各层银电极串联的导线，在最尾端的压电陶瓷上固接有绝缘陶瓷，还包括固接在尾端的绝缘陶瓷上的载物台，压电陶瓷通过压电陶瓷供电电缆与电源相连，电源通过压电陶瓷位移控制器线缆与压电陶瓷位移控制器相连。
进一步的，各层压电陶瓷采用耐高温胶相连。
进一步的，控制器采用被动制冷以将温度控制在15-35℃。
进一步的，采用上述的检测装置的检测方法，包括以下步骤：
S1、调节滑动组件的水平位置以使传感器探头发出的光源照射在工件水平边缘处，记录此时位移符在位移台刻度尺的位置，记录白光干涉仪控制器上干涉条纹的亮度峰值，反向调节滑动组件的水平位置，使白光干涉仪探头发出的光源照射在工件的水平另一边缘，记录此时位移符在位移台刻度尺的位置，记录白光干涉仪控制器上干涉条纹的亮度峰值；
S2、根据两次位移符的位置，获得白光干涉仪探头水平移动距离，根据两次干涉条纹的亮度峰值，可知工件在这两点的高度差，根据反三角函数，即可确定工件在水平方向的倾斜角；
S3、根据工件的倾斜角度和压电陶瓷在水平方向的距离，利用三角函数确定压电陶瓷驱动位移量，在压电陶瓷位移控制器输入相应的位移量，驱动水平方向两压电陶瓷，驱动完毕后，重复上述白光干涉仪操作，使工件水平方向无高度差；
S4、同理使工件竖直方向无高度差；
S5、拆除检测端，在主轴端面安装安装金刚石刀具用以刻划工件，刻划加工后，拆除金刚石刀具，安装检测端，利用白光干涉仪扫描工件表面，传感器探头发出的光经过扩束准直后经分光棱镜分出两束，一束经被测表面反射回来，另外一束光经参考镜反射，两束反射光最终汇聚并发生干涉，显微镜将被测表面的行为特征转换为干涉条纹信号，通过测量干涉条纹的变化来测量工件表面三维形貌。
进一步的，所述机床为磨削机床。
由于砂轮磨粒的不确定性，直接分析硬脆材料磨削去除机理及表面\亚表面损伤演化机制很困难，因此都采用单颗磨粒简化刻划硬脆材料表面，这类刻划实验由于工件尺寸小，断裂韧性低往往不适合使用机械装夹，因此使用石蜡粘接在工件台上，手动操作将会使工件表面并非平行，导致刻划过程中道具并非垂直切入工件表面，将会使分析结果不准确。同时在分析去除机理时，通常将工件取下工位，放置在分析检测设备上，装卸过程中会破坏实际加工工件表面，检测到的现象与实际加工表面有误差。
本发明通过白光干涉仪检测工件表面倾斜度，借助压电陶瓷调节工件表面，使工件表面垂直于刻划磨粒，并在刻划结束后，无需装卸工件，利用白光干涉仪原位检测工件表面形貌，分析硬脆材料去除机理和表面损伤演化机制。
附图说明
图1为发明的整体结构示意图；
图2为检测端主视图；
图3为检测端结构示意图；
图4为工件端主视图；
图5为工件端结构示意图；
图6显示了绝缘陶瓷、银电极、导线和压电陶瓷。
图中：检测端1；工件端2；包括主轴3；竖直位移调节旋钮4；位移平台底座5；底座紧固螺丝6；白光干涉仪转接台7；紧固螺丝8；白光干涉仪底座9；光纤接口10；白光干涉仪11；传感器探头12；工件13；载物台14；绝缘陶瓷15；银电极16；导线17；压电陶瓷18；预紧螺栓19；转接台20；转接台紧固螺丝21；工件轴22；电陶瓷供电电缆23；电陶瓷位移控制器线缆24；电源25；压电陶瓷位移控制器26；过光纤27；白光干涉仪控制器28；预紧螺栓阶梯孔29；预紧螺栓螺纹孔30；水平位移调节旋钮31和位移台刻度尺32。
具体实施方式
一种硬脆材料冲击刻划自动调平和原位检测装置，包括用于检测工件位置的检测端1，以及调整工件位置的工件端2；本装置优选的与自研的超精密磨削机床配合使用，所述自研的超精密磨削机床包括能够进给与自转的主轴3，当然也可以是其他的机床，例如磨削机床。将超精密磨削机床作为本装置的底座，工件轴22也是超精密磨削机床的一部分，优选的，主轴3和工件轴22均采用空气静压主轴，超精密磨削机床采用大理石底座，有效隔离振动，配合数控系统，位移精度可达到1μm级别。
其中，如图1所示，检测端1部分安装在超精密磨削机床的主轴3的右端面上，主轴3圆端面上间隔180°开设2个螺纹孔，具体的，检测端1包括位移台底座5，位移台底座5右端对角线的两端上开各开设一个通孔，两个通孔的位置和尺寸与所述两个螺纹孔的位置和尺寸一致，使用2个底座紧固螺栓6，采用扭力扳手将位移台底座5固定在主轴3上，保证位移台5与主轴3端面平行，优选的位移台5的中心与主轴3轴线重合，位移台底座5右端中心设有凹槽实现中空，所述凹槽内安装有能够在纵向平面上进行水平与竖直调节的滑动组件34；滑动组件34优选采用LY60-CM滑台，实际上其他XY轴直线位移滑台满足精度为0.01mm即可，为便于描述的，下面介绍滑动组件34的所包括的控制部分即，水平位移调节旋钮31和竖直位移调节旋钮4。
进一步的，如图2所示，滑动组件34的上边缘和左边缘分别加工内螺纹，位移台5内部上边缘和左边缘分别开孔，在孔的底部和出口处安装轴承，竖直位移调节旋钮4和水平位移调节旋钮31通过过盈配合内嵌在轴承中，在竖直位移调节旋钮4和水平位移调节旋钮31末端做表面花纹处理，便于手动旋进旋出，滑动组件34在竖直边缘和水平边缘均分布螺纹，通过旋转竖直位移调节旋钮4和水平位移调节旋钮31，驱动滑动组件34在竖直方向和水平方向位移，在滑动组件34表面开设螺纹孔，通过紧固螺栓8将白光干涉仪转接台7安装在滑动组件34上，使用扭力扳手，保证白光干涉仪转接台7表面与滑动组件34表面平行，白光干涉仪转接台7上边缘和左边缘分别安装位移标识符33，在位移台底座5上端面内壁的上边缘和左边缘分别安装刻度尺32，刻度尺32的精度与与苏测电子游标卡尺0-150一致，为0.01mm，顺时针旋转水平位移调节旋钮31调节滑动组件34的位置，以利用滑动组件34带动白光干涉仪转接台7从刻度尺0到9水平运动，以确定白光干涉仪转接台7的水平位置，顺时针旋转竖直位移调节旋钮4，带动白光干涉仪转接台7从刻度尺0到9竖直运动，以确定白光干涉仪转接台7的竖直位置，实际上这个位置的确定是为了确定检测用的光源的位置。
进一步的，还包括白光干涉仪，所述白光干涉仪包括通过过盈配合装配在白光干涉仪转接台7上的白光干涉仪底座9，以及固接在干涉仪底座9上的白光干涉仪本体11，白光干涉仪本体11与主轴3垂直且二者轴线重合，白光干涉仪本体11的右端设有用于发射光源的传感器探头12，白光干涉仪本体11上设有光纤接口10，光纤接口10连接柔性的可拔插的光纤27，光纤27与白光干涉仪的控制器28连接，控制器28通过光纤27控制传感器探头12发出光源；
其中，在控制器28端采用E2000型，光纤静态弯曲半径30mm，动态弯曲半径40mm，控制器28采用NIR-SLED且波长840nm的光源，控制器28采用铝合金外壳，被动制冷，要求控制温度在15-35℃，独立式安装，供电电源24VDC；
其中，传感器探头12端采用FC型，传感器探头12头部发出直径10μm光斑，传感器线性量程为2.1mm，分辨率小于1nm，传感器探头12采用不锈钢材质。
其中，如图4和5所示，工件端2包括用于安装在工件轴22端面上的转接台20，工件轴22端面间隔120°分布有螺纹孔，根据该螺纹孔的尺寸确定转接台20上通孔尺寸，使用转接台紧固螺丝21将转接台20固定在工件轴22端面，并使用扭力扳手使转接台20端面与工件轴22端面平行，根据工件13尺寸确定载物台14的尺寸，载物台14优选为圆柱形铝合金，要求载物台14拥有中心预留尺寸，所述预留的部分为的光滑表面，所述预留尺寸略大于工件尺寸；在图4中，将4个绝缘陶瓷15设置在与转接台20的右端面且周向均匀分布，4个绝缘陶瓷15所在的虚拟的圆的圆心与轴线重合，4个绝缘陶瓷靠近载物台14的边缘设置，在绝缘陶瓷15上堆叠压电陶瓷18，压电陶瓷18两端各突出一块银电极16，各层压电陶瓷18之间采用耐高温胶粘连，耐高温胶优选为美斯国顿防火阻燃密封胶，根据预估位移量，确定堆叠层数，导线17将各层压电陶瓷15两端的银电极16串联，堆叠完成后粘接绝缘陶瓷15，绝缘陶瓷15通过耐高温胶粘接在载物台14上，在载物台14上的预留表面外约1mm外开设预紧螺栓阶梯孔29，开设预紧螺栓阶梯孔29，其中，预紧螺栓阶梯孔29尺寸略大于预紧螺栓19即可，开设位置要求对称，两预紧螺栓阶梯孔29间隔距离大于工件最长尺寸5mm，预紧螺栓19穿过预紧螺栓阶梯孔29旋进设置在转接台20上的预紧螺栓螺纹孔30，通过改变旋进深度，调节载物台14表面与工件轴22端面平行，采用石蜡将工件16粘接在载物台14中心，要求工件13的四条边分别与四座压电陶瓷18堆叠块边平行，压电陶瓷18通过压电陶瓷供电电缆23与电源25相连，电源25通过压电陶瓷位移控制器线缆24与压电陶瓷位移控制器26相连。
其中，压电陶瓷18为片状，优选的是厚度为2mm的方片，长7mm，宽7mm，单片位移3.3μm，驱动电压150V，银电极16采用耐高温焊接方式交叉平行焊接在压电陶瓷18两端，绝缘陶瓷15厚度为1mm的片状结构且长宽与压电陶瓷18尺寸一致，压电陶瓷位移控制器26采用数字与模拟集成式控制器，由DC24V4A直流供电，标称输出电压0-150V，4通道，每通道平均电流70mA，设置有USB、RS-232、RS-422通讯接口，根据预估的工件13倾斜尺度，选择压电陶瓷18的层数，各层之间采用耐高温胶粘接固定，胶层要求薄且不能涂抹到压电陶瓷18侧面，以免影响银电极16连接，粘接后的位移为每片压电陶瓷18位移的总和。
按上述要求装配完毕后，启动白光干涉仪控制器29，预热30分钟，待白光干涉仪探头12能发出稳定探测光即可开始工作，启动压电陶瓷位移控制器26，启动电源25给压电陶瓷18供电，待压电陶瓷位移驱动正常，所有准备工作就绪。
使白光干涉仪探头12发出的光源照射在工件16水平边缘处，记录此时位移符33在位移台刻度尺32的位置，记录白光干涉仪控制器28上干涉条纹的亮度峰值，反向旋转水平位移调节旋钮31，使白光干涉仪探头12发出的光源照射在工件的水平另一边缘，记录此时位移符33在位移台刻度尺32的位置，记录白光干涉仪控制器28上干涉条纹的亮度峰值，根据两次位移符33的位置，可知白光干涉仪探头水平移动距离，根据两次干涉条纹的亮度峰值，可知工件在这两点的高度差，根据反三角函数，即可确定工件13在水平方向的倾斜角度，调节竖直方向倾斜度，旋转竖直位移调节旋钮4，使白光干涉仪探头12发出的光源照射在工件竖直边缘处，记录此时位移符33在位移台刻度尺32的位置，记录白光干涉仪控制器28上干涉条纹的亮度峰值，反向旋转竖直位移调节旋钮4，使白光干涉仪探头12发出的光源照射在工件的竖直另一边缘，记录此时位移符33在位移台刻度尺32的位置，记录白光干涉仪控制器28上干涉条纹的亮度峰值，根据两次位移符33的位置，可知白光干涉仪探头竖直移动距离，根据两次干涉条纹的亮度峰值，可知工件在这两点的高度差，根据反三角函数，即可确定工件13在竖直方向的倾斜角度，根据工件13的倾斜角度和压电陶瓷在竖直方向的距离，利用三角函数确定压电陶瓷驱动位移量，在压电陶瓷位移控制器24输入相应的位移量，驱动竖直方向两压电陶瓷18，驱动完毕后，重复上述白光干涉仪操作，使工件竖直方向无高度差。
工件在水平方向和竖直方向均无高度差，即工件表面平行于主轴3端面，拆除主轴3上的检测端1的部分，在主轴3端面安装金刚刀具用于刻划工件13，刻划结束后，拆除金刚石刀具，安装检测端装置，利用白光干涉仪扫描工件13表面，传感器探头12发出的光经过扩束准直后经分光棱镜分出两束，一束经被测表面反射回来，另外一束光经参考镜反射，两束反射光最终汇聚并发生干涉，显微镜将被测表面的行为特征转换为干涉条纹信号，通过测量干涉条纹的变化来测量工件13表面三维形貌。
Claims (10)
1.一种硬脆材料冲击刻划自动调平和原位检测装置，包括检测端(1)，所述检测端(1)包括能够发射光源的白光干涉仪，以及调节所述光源位置的位移平台，所述位移平台能够可拆卸的安装在机床的主轴(3)端面上，所述光源与所述端面垂直。
2.根据权利要求1所述的检测装置，所述白光干涉仪(11)包括白光干涉仪本体，白光干涉仪本体上设有传感器探头(12)，以及依次与传感器探头(12)连接的光纤(27)和白光干涉仪控制器(28)；其中，白光干涉仪控制器(28)通过光纤(27)控制传感器探头(12)发出光源。
3.根据权利要求1所述的检测装置，所述传感器探头(12)发出的光斑直径为10μm，传感器线性量程为2.1mm，分辨率小于1nm。
4.根据权利要求2所述的检测装置，所述白光干涉仪控制器(28)采用E2000型，光纤(27)静态弯曲半径30mm，动态弯曲半径40mm。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的检测装置，所述位移平台包括内部中空的位移平台底座(5)，位移台底座(5)的内部安装有滑动组件(34)，在位移台底座(5)上端面上边缘和侧边缘分别安装刻度尺(32)，滑动组件(34)上且对应两个安装刻度尺(32)旁各设有一个位移符(33)，滑动组件(34)通过丝杠螺母传动的方式来调节位移符(33)与刻度尺(32)的相对位置。
6.根据权利要求1或5所述的检测装置，还包括工件端(2)；所述工件端(2)包括安装在所述机床的工件轴(22)端面上的转接台(20)，所述转接台(20)的端面水平，在转接台(20)的端面上固接有四个周向均匀分布的绝缘陶瓷(15)，绝缘陶瓷(15)所处的虚拟圆的圆心与工件轴(22)的轴线重合，绝缘陶瓷(15)上堆叠有压电陶瓷(18)，压电陶瓷(18)的两端突出一个银电极(16)，还包括将各层银电极(16)串联的导线(17)，在最尾端的压电陶瓷(18)上固接有绝缘陶瓷(15)，还包括固接在尾端的绝缘陶瓷(15)上的载物台(14)，压电陶瓷(18)通过压电陶瓷供电电缆(23)与电源(25)相连，电源(25)通过压电陶瓷位移控制器线缆(24)与压电陶瓷位移控制器(26)相连。
7.根据权利要求6所述的检测装置，各层压电陶瓷(18)采用耐高温胶相连。
8.根据权利要求7所述的检测装置，白光干涉仪控制器(28)采用被动制冷以将温度控制在15-35℃。
9.采用权利要求1所述的检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、调节滑动组件(34)的水平位置以使传感器探头(12)发出的光源照射在工件水平边缘处，记录此时位移符(33)在位移台刻度尺(32)的位置，记录白光干涉仪控制器(28)上干涉条纹的亮度峰值，反向调节滑动组件(34)的水平位置，使白光干涉仪探头(12)发出的光源照射在工件的水平另一边缘，记录此时位移符(33)在位移台刻度尺(32)的位置，记录白光干涉仪控制器(28)上干涉条纹的亮度峰值；
S2、根据两次位移符(33)的位置，获得白光干涉仪探头水平移动距离，根据两次干涉条纹的亮度峰值，可知工件在这两点的高度差，根据反三角函数，即可确定工件(13)在水平方向的倾斜角；
S3、根据工件(13)的倾斜角度和压电陶瓷(18)在水平方向的距离，利用三角函数确定压电陶瓷(18)驱动位移量，在压电陶瓷位移控制器(26)输入相应的位移量，驱动水平方向两压电陶瓷(18)，驱动完毕后，重复上述白光干涉仪操作，使工件水平方向无高度差；
S4、同理使工件竖直方向无高度差；
S5、拆除检测端(1)，在主轴(3)端面安装金刚石刀具用以刻划工件(13)，刻划结束后，拆除金刚石刀具，安装检测端(1)，利用白光干涉仪扫描工件(13)表面，传感器探头(12)发出的光经过扩束准直后经分光棱镜分出两束，一束经被测表面反射回来，另外一束光经参考镜反射，两束反射光最终汇聚并发生干涉，显微镜将被测表面的行为特征转换为干涉条纹信号，通过测量干涉条纹的变化来测量工件(13)表面三维形貌。
10.根据权利要求9所述的方法，所述机床为磨削机床。
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| CN202210474901.9A CN114739320B (zh) | 2022-04-29 | 2022-04-29 | 一种硬脆材料冲击刻划自动调平和原位检测装置及方法 |
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