CN115781517B

CN115781517B - 用于弹性发射中抛光压力的控制装置及抛光压力确定方法

Info

Publication number: CN115781517B
Application number: CN202211641376.1A
Authority: CN
Inventors: 翟嘉; 崔力娜; 杨娇; 张翅翔; 杨旭宁; 孟禹彤; 侯溪
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2022-12-20
Filing date: 2022-12-20
Publication date: 2024-05-17
Anticipated expiration: 2042-12-20
Also published as: CN115781517A

Abstract

本发明提供了一种用于弹性发射中抛光压力的控制装置及抛光压力确定方法。所述控制装置包括柔性铰链、微动板、力传感器、力驱动器、测距仪和固定板。微动板为可运动件，通过柔性铰链与固定板相连，此外，微动板还可通过力传感器和力驱动器与固定板相连；力传感器测量力驱动器施加于微动板上的力载荷；测距仪测量测距仪距微动板的距离。所述装置及算法可实时计算和控制弹性发射加工中的抛光压力，使加工过程中抛光压力满足预期要求。此外，本发明所提出的控制装置，可在抛光液液面之上工作，不受抛光液影响。

Description

用于弹性发射中抛光压力的控制装置及抛光压力确定方法

技术领域

本发明涉及弹性发射加工领域，尤其涉及一种用于弹性发射中抛光压力的控制装置及抛光压力确定方法。

背景技术

弹性发射是日本大阪大学的学者Mori等人在20世纪70年代提出的一种原子量级的超光滑抛光技术。该技术以特定液体和纳米级粉体为抛光液，抛光轮与被加工工件之间存在约10-100微米的间隙；抛光时，高速旋转的抛光轮带动抛光液运动，利用流动的抛光液对工件进行抛光。与传统抛光不同，该加工中抛光轮并不接触工件；因此避免了机械式抛光的不足，可以极大地降低工件表面粗糙度，已有文献报道其粗糙度均方根值可优于0.1nm。

由抛光轮旋转带动抛光液形成的抛光压力是加工中的重要参数，该压力值的大小及稳定性都影响着最终的加工质量。当抛光压力过小时，其加工效率低；当抛光压力过大时，其加工后粗糙度指标较差；因此，理想的抛光压力应该在某一合理范围内。此外，针对不同材质的工件、不同的粗糙度指标等要求，还需要选定不同的抛光压力。

为了对工件施加期望的抛光压力，国内外学者提出了多种方式。日本学者Mori等人在其论文《Elasticemissionmachining》中提出采用配重杆方式，对抛光轮施加一定的压力。日本专利申请号：JP9-338860，专利名称：研磨装置，提出一种采用柔性铰链、力促动器、力传感器等组成的抛光力施加装置。上述方法均可实现抛光力的施加，但由于配重杆或者抛光力施加装置安装在抛光机构上，而抛光机构与工件不直接接触，因此其配重或促动器施加力并不等于最终被加工工件所受的抛光压力。已有文献报道，抛光压力主要与抛光液的动压相关。此外，由于被加工工件浸没在抛光液中，且抛光轮高速旋转，都给测量被加工工件所受的抛光压力带来了困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于弹性发射中抛光压力的控制装置及抛光压力确定方法，可在抛光过程中实时计算和控制被加工工件受到的抛光压力，并且该装置不受抛光液影响。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种用于弹性发射中抛光压力的控制装置，包括柔性铰链1、微动板2、力传感器3、力驱动器4、测距仪5和固定板6；其中，微动板2为可运动件，通过柔性铰链1与固定板6相连，此外，还通过力传感器3和力驱动器4与固定板6相连；力传感器3测量力驱动器4施加于微动板2上的力载荷；测距仪5用于测量测距仪5与微动板2之间的距离。

本发明所述的一种用于弹性发射中抛光压力确定方法，步骤如下：

步骤1：建立微动板2的静力学力矩平衡方程，如下：

M+M1+M2＝0(1)

式中：M为柔性铰链1施加于微动板2的力矩、M1为力驱动器4施加于微动板2的力矩、M2为抛光压力的反作用力施加于微动板2的力矩；

步骤2：建立M的数学模型，如下：

M＝K×θ(2)

式中：K为柔性铰链1的力矩刚度，θ为柔性铰链1的旋转角度；

步骤3：建立M1的数学模型，如下：

M1＝F1×A(3)

式中：F1为力驱动器4施加于微动板2的力载荷，A为该力载荷与柔性铰链1旋转中心的距离；

步骤4：建立M2的数学模型，如下：

M2＝F2×B(4)

式中：F2为抛光压力的反作用力施加于微动板2的力载荷，B为该力载荷与柔性铰链1旋转中心的距离；

步骤5：设该装置在非加工状态下，施加在微动板2上的力矩分别为M'、M1'、M2'；在加工状态下，其力矩分别M”、M1”、M2”，则由步骤1可得两种状态下微动板2的静力学力矩平衡方程分别为：

M'+M1'+M2'＝0(5)

M”+M1”+M2”＝0(6)

步骤6：将步骤5中的平衡方程相减，可得：

(M'-M”)+(M1'-M1”)+(M2'-M2”)＝0(7)

步骤7：将式(2)、式(3)、式(4)代入式(7)，上角标“'”和“””分别表示非加工状态和加工状态，可得：

K(θ'-θ”)+A(F1'-F1”)+B(F2'-F2”)＝0 (8)

由于在非加工状态下，抛光压力的反作用力施加于微动板2上的力载荷为0，即：F2'＝0；则上式可化简为：

K(θ'-θ”)+A(F1'-F1”)-B×F2”＝0 (9)

上式可化简为：

步骤8：计算相对转角θ'-θ”，即：

式中：L'为非工作状态下测距仪5距微动板2的距离，L”为工作状态下测距仪5距微动板2的距离，C为测距仪5在微动板2上的测点到柔性铰链1旋转中心的距离；

由此，F2”的表达式为：

抛光压力的反作用力与抛光压力等大反向，即抛光压力与F2”的数值大小相等，方向相反。

装置运行中，运用力传感器3和测距仪5实时采集力F1和距离L信息，结合本发明所述确定方法，可计算出抛光压力。当计算所得的抛光压力与期望值存在差异时，调节力驱动器4的驱动力，并再次采集力F1和距离L信息、计算抛光压力；如此循环直至抛光压力满足预期值。

本发明的原理：微动板2受到柔性铰链1施加于微动板2的力矩——M、力驱动器4施加于微动板2的力矩——M1和抛光压力的反作用力施加于微动板2的力矩——M2，在三个力矩的作用下产生微小的以柔性铰链1铰链关节为旋转中心的旋转量，并满足合力矩为零的静力学力矩平衡方程；采用柔性铰链1结构特性获得其刚度K，采用测距仪5测得距离——L，依据装置结构特性获得尺寸参数——C，由此计算M；采用力传感器3测量力——F1，采用装置结构特性获得对应力臂——A，由此计算M1；在已有M1、M2的基础上，结合抛光压力的反作用力与柔性铰链1旋转中心的距离——B，计算出抛光压力。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明可在加工过程中实时计算、控制抛光压力；

(2)本发明所述的电子器件，例如力传感器3、测距仪5等等，都在抛光区域的上方，当抛光区完全浸没在抛光液中时，该控制装置可以在抛光液液面之上工作，不受抛光液影响。

附图说明

图1是本发明一种用于弹性发射中抛光压力的控制装置结构图。

图2是本发明力学原理图。

图中各标号含义为：1、柔性铰链；2、微动板；3、力传感器；4、力驱动器；5、测距仪；6、固定板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明一种用于弹性发射中抛光压力的控制装置，所述控制装置包括柔性铰链1、微动板2、力传感器3、力驱动器4、测距仪5和固定板6。微动板2为可运动件，通过柔性铰链1与固定板6相连，此外，微动板2还可通过所述力传感器3和力驱动器4与固定板6相连；力传感器3测量力驱动器4施加于微动板2上的力载荷；测距仪5测量测距仪5距微动板2的距离。

该实施例抛光压力确定方法包括以下步骤：

步骤1：建立微动板2的静力学力矩平衡方程，如下：

M+M1+M2＝0(1)

步骤2：建立M的数学模型，如下：

M＝K×θ(2)

步骤3：建立M1的数学模型，如下：

M1＝F1×A(3)

式中：F1为力驱动器4施加于微动板2的力载荷，A为该力载荷到柔性铰链1旋转中心的距离；

步骤4：建立M2的数学模型，如下：

M2＝F2×E(4)

式中：F2为抛光压力的反作用力施加于微动板2的力载荷，B为该力载荷到柔性铰链1旋转中心的距离；

M'+M1'+M2'＝0 (5)

M”+M1”+M2”＝0 (6)

步骤6：将步骤5中的两个平衡方程相减，可得：

(M'-M”)+(M1'-M1”)+(M2'-M2”)＝0 (7)

K(θ'-θ”)+A(F1'-F1”)+B(F2'-F2”)＝0 (8)

由于在非加工状态下，抛光压力的反作用力施加于微动板2的力载荷为0，即：F2'＝0；则上式可化简为：

K(θ'-θ”)+A(F1'-F1”)-B×F2”＝0 (9)

上式可化简为：

步骤8：计算相对转角θ'-θ”，即：

式中：L'为非工作状态下测距仪5距微动板2的距离，L”为工作状态下测距仪5距微动板2的距离，C为测距仪5到柔性铰链1旋转中心的距离；

由此，F2”的表达式为：

本实施例中，如图2所示，所采用柔性铰链1的力矩刚度K＝1308.92N·m/rad，力驱动器4施加于微动板2的力载荷到柔性铰链1旋转中心的距离A＝0.265m，抛光压力的反作用力施加于微动板2的力载荷到柔性铰链1旋转中心的距离B＝0.245m，测距仪5到柔性铰链1旋转中心的距离C＝0.305m。对非工作状态下测距仪5距微动板2的距离及力驱动器4施加于微动板2的力载荷进行置零处理，置零后为L'＝0m，F1'＝0N。工作状态下，L”＝8.00×10^-5m，F1”＝4.87N。

将上述数值带入得F2”＝-6.67N；即抛光压力数值大小为6.67N，方向与F2”相反。

本实施例中抛光压力期望值为8.0±0.1N。经与计算抛光压力F2”比对，F2”小于期望值，因此根据所述抛光压力控制方法调节力驱动器4的驱动力。当力驱动器4的驱动力F1”＝6.23N时，测距仪5距微动板2的距离L”＝7.13×10^-5m；将上述数值代入公式，得F2”＝-8.00N。该结果满足期望值要求，抛光压力调节结束。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种用于弹性发射中抛光压力确定方法，利用用于弹性发射中抛光压力的控制装置，其特征在于：该装置包括柔性铰链(1)、微动板(2)、力传感器(3)、力驱动器(4)、测距仪(5)和固定板(6)；

其中，微动板(2)为可运动件，通过柔性铰链(1)与固定板(6)相连，此外，还通过力传感器(3)和力驱动器(4)与固定板(6)相连；力传感器(3)用于测量力驱动器(4)施加于微动板(2)上的力载荷；测距仪(5)用于测量测距仪(5)与微动板(2)之间的距离；

该用于弹性发射中抛光压力确定方法包括以下步骤：

步骤1：建立微动板(2)的静力学力矩平衡方程，如下：

M+M1+M2＝0 (1)

式中：M为柔性铰链(1)施加于微动板(2)的力矩、M1为力驱动器(4)施加于微动板(2)的力矩、M2为抛光压力的反作用力施加于微动板(2)的力矩；

步骤2：建立M的数学模型，如下：

M＝K×θ (2)

式中：K为柔性铰链(1)的力矩刚度，θ为柔性铰链(1)的旋转角度；

步骤3：建立M1的数学模型，如下：

M1＝F1×A (3)

式中：F1为力驱动器(4)施加于微动板(2)的力载荷，A为该力载荷到柔性铰链(1)旋转中心的距离；

步骤4：建立M2的数学模型，如下：

M2＝F2×B (4)

式中：F2为抛光压力的反作用力施加于微动板(2)的力载荷，B为该力载荷到柔性铰链(1)旋转中心的距离；

步骤5：设该装置在非加工状态下，施加在微动板(2)上的力矩分别为M′、M1′、M2'；在加工状态下，其力矩分别M″、M1″、M2″，则由步骤1可得两种状态下微动板(2)的静力学力矩平衡方程分别为：

M′+M1′+M2′＝0 (5)

M″+M1″+M2″＝0 (6)

步骤6：将步骤5中的两个平衡方程相减，可得：

(M′-M″)+(M1′-M1″)+(M2′-M2″)＝0 (7)

步骤7：将式(2)、式(3)、式(4)代入式(7)，上角标“′”和“″”分别表示非加工状态和加工状态，可得：

K(θ′-θ″)+A(F1′-F1″)+B(F2′-F2″)＝0 (8)

由于在非加工状态，抛光压力的反作用力施加于微动板(2)的力载荷为0，即：F2′＝0；则上式可化简为：

K(θ′-θ″)+A(F1′-F1″)-B×F2″＝0 (9)

上式可化简为：

步骤8：计算相对转角θ′-θ″，即：

式中：L′为非工作状态下测距仪(5)距微动板(2)的距离，L″为工作状态下测距仪(5)距微动板(2)的距离，C为测距仪(5)与柔性铰链(1)旋转中心的距离；

由此，F2″的表达式为：

抛光压力的反作用力与抛光压力等大反向，即抛光压力与F2″的数值大小相等，方向相反。