TWI628423B

TWI628423B - 測力裝置

Info

Publication number: TWI628423B
Application number: TW106104310A
Authority: TW
Inventors: 邱源成; 莊睿全; 李榮宗; 張哲誠
Original assignee: 國立中山大學
Priority date: 2017-02-09
Filing date: 2017-02-09
Publication date: 2018-07-01
Also published as: TW201829998A

Abstract

一種測力裝置，用以解決習知三分力量測計之校正難度高的問題。本發明的測力裝置包含：一個基座，具有一個定位座；一個安裝平台，設於該基座，該安裝平台具有一個平台本體與該定位座沿著Z方向間隔設置，該平台本體的端緣設有一個X向側抵部及一個Y向側抵部；及三個測力模組，各該測力模組的自由端設一個滾珠滾輪，該三個測力模組設於該基座，並分別由其滾珠滾輪抵接該X向側抵部、該Y向側抵部及該平台本體朝向該定位座的表面。

Description

測力裝置

本發明係關於一種測力裝置，尤其是一種可用於量測機械設備加工力之三分力的測力裝置。

按，由於機械設備的許多硬體及操作條件都會直接影響機械加工品質，故目前已存在有許多可用以量測機械設備加工力的三分力量測計(3-component dynamometer)，藉由量測加工力的三分力，作為鑑別加工品質與刀具性能等參數，有助於提升刀具研發技術及優化加工條件。

在各式習知的三分力量測計中，常用的力感測器主要都是應變計式(Strain gage type)或壓電式(PZT type)二種；其中應變計感測器是一種黏貼在待測物敏感部位的極細電阻線，其與惠斯登電橋(Wheatstone bridge)及放大器組成力的檢測系統，將力轉換為電壓訊號，藉由量測電壓訊號值以得知力的值。壓電感測器則是由壓電晶體材料與高輸入阻抗電路或電荷放大器組成力的檢測系統，將瞬間作用的外力所產生的壓電效應輸出瞬間的電荷或電壓訊號，同樣可藉由量測電壓訊號值以得知力的值，惟壓電式感測器無法用於靜態測量，只適用於動態量測(一般必須高於100Hz)。

然而，無論是應變計式或壓電式的習知三分力量測計，都需要依照待測物的敏感部位安裝數個力感測器，且各個力感測器受力時常會同時受到三向分力的作用，使得三分力量測值之間易互相干擾，需要透過十分複雜的數學運算校正，才能求得各向分力的真實力量值，故習知三分力量測計的安裝及校正難度高，稍有失誤便會影響量測結果的準確性。

又，習知的三分力量測計因多用於檢測銑削(Milling)、磨削(Grinding)或車削(Turning)等機械設備加工力，故多具有測力範圍高而待測物安裝面積小的特性；例如Kistler公司製的9119AA1型三分力量測計，其測力範圍高達4kN左右，待測物安裝面積則約為80 x 39mm。因此，習知的三分力量測計實難以適用於直徑高達10英吋且切割力僅數N的半導體矽晶圓切割作業分析。

有鑑於此，習知的三分力量測計確實仍有加以改善之必要。

為解決上述問題，本發明提供一種測力裝置，其中的每個測力模組都能單獨量測一方向的分力，可大幅降低各分力彼此的干擾度，以降低校正作業的困難度。

本發明提供一種測力裝置，其結構簡易且易於安裝至待測物。

本發明提供一種測力裝置，可依據量測需求選擇合適規格的構件，以滿足各種待測物尺寸與測力範圍的需求。

本發明以下所述方向性或其近似用語，例如「上(頂)」、「下(底)」、「內」、「外」、「側面」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性或其近似用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。

本發明的測力裝置，包含：一個基座，該基座具有一個定位座；一個安裝平台，該安裝平台設於該基座，該安裝平台與該基座之間形成一個容置空間，該安裝平台具有一個平台本體與該定位座沿著Z方向間隔設置，該平台本體的端緣設有一個X向側抵部及一個Y向側抵部；及三個測力模組，設於該容置空間中，各該測力模組的自由端設一個滾珠滾輪，該三個測力模組設於該基座，並分別由其滾珠滾輪抵接該X向側抵部、該Y向側抵部及該平台本體朝向該定位座的表面，其中該基座在該容置空間中設有一個第一座板及一個第二座板，該第一座板沿X方向面向該X向側抵部的部位供組裝一個前述的測力模組，該第二座板沿Y方向面向該Y向側抵部的部位供組裝另一個前述的測力模組。

據此，本發明的測力裝置，藉由使測力模組與安裝平台之間以滾動接觸的型式相接，令每個測力模組都能單獨量測一方向的分力，以大幅降低各分力彼此的干擾度，從而降低校正作業的困難度，有助提升量測結果的準確性。此外，本發明的測力裝置，其結構簡易且易於安裝至待測物，可提升該測力裝置本身的組裝效率，及提升該測力裝置與待測物的組裝效率，且安裝過程簡易，不需要豐富的操作經驗即可正確安裝，並據以得到準確的量測值，適合大眾使用。另，本發明的測力裝置，可依據量測需求選擇合適規格的構件，以滿足各種待測物尺寸與測力範圍的需求，實用性極佳。

其中，該X向側抵部設於該平台本體在X方向上的端緣，該Y向側抵部設於該平台本體在Y方向上的端緣，該X向側抵部及該Y向側抵部分別沿著Z方向朝該定位座延伸但不接觸該定位座；該結構簡易而便於製造及組裝，具有降低製造成本及提升組裝便利性等功效。

其中，該平台本體朝向該定位座的表面設有一溝槽；該結構使該平台本體除了具有足夠的強度供穩固結合待測物及該基座外，還能兼具有產生彈性變形的能力，以準確地將受力傳遞至該三個測力模組，具有提升量測準確性等功效。

其中，該溝槽呈環狀，抵接該平台本體的測力模組抵接在該溝槽所圈圍的範圍內；該結構具有提升量測準確性等功效。

其中，抵接該平台本體的測力模組抵接在該溝槽所圈圍的範圍中心處；該結構可更進一步地提升量測準確性。

其中，該X向側抵部設於該平台本體一端緣的中間位置，該Y向側抵部設於該平台本體另一端緣的中間位置；該結構具有提升組裝便利性及量測準確性等功效。

其中，該基座設有數個腳柱，該數個腳柱分別由兩端結合該定位座與該安裝平台；該結構簡易而便於製造及組裝，具有降低製造成本及提升組裝便利性等功效。

其中，該安裝平台的平台本體在Z方向的橫截面呈正方形；該結構可避免各向干擾度不同的問題，具有提升校正便利性等功效。

其中，該腳柱的數量為四個，該四個腳柱分別對位組裝在該平台本體的四個角隅處；該結構使該安裝平台及該數個腳柱受力時可產生一致性較佳的各方向分力，有助簡化對量測值的校正程序。

其中，各該腳柱在Z方向的橫截面呈正方形；該結構具有提升校正便利性等功效。

其中，各該測力模組具有一個負荷計及一個調整接頭，該負荷計具有一受力方向，該調整接頭沿著該受力方向連接該滾珠滾輪，且該調整接頭設於該滾珠滾輪與該負荷計之間；以便藉由該調整接頭調整該滾珠滾輪抵接該X向側抵部、該Y向側抵部或該平台本體的預負荷，具有提升操作便利性等功效。

其中，該滾珠滾輪具有一個頭端，該頭端內設有一個可滾動的主滾珠，且該主滾珠的局部凸伸穿出該頭端以抵接該X向側抵部、該Y向側抵部或該平台本體；該結構使各該測力模組與該安裝平台產生相對位移時，可維持滾動接觸的極低摩擦力運動型態，以大幅降低各分力彼此的干擾度。

其中，該頭端設有相連通的一內滾動室及一外滾動室，且該外滾動室與外部連通，該內滾動室中容置有多個輔助滾珠，該主滾珠容置於該外滾動室中，該主滾珠的體積大於各該輔助滾珠；該結構簡易而便於製造及組裝，具有降低製造成本及提升組裝便利性等功效。

其中，該滾珠滾輪具有一個螺紋端連接該頭端，該調整接頭設有內螺紋以沿著該負荷計的受力方向連接該滾珠滾輪的螺紋端；該結構使各該測力模組可藉由轉動該調整接頭來調整該滾珠滾輪抵接該安裝平台的預負荷，具有提升操作便利性等功效。

1‧‧‧基座

11‧‧‧定位座

12‧‧‧腳柱

13‧‧‧第一座板

14‧‧‧第二座板

2‧‧‧安裝平台

21‧‧‧平台本體

21a‧‧‧第一表面

21b‧‧‧第二表面

211‧‧‧溝槽

22‧‧‧X向側抵部

23‧‧‧Y向側抵部

3‧‧‧測力模組

31‧‧‧滾珠滾輪

31a‧‧‧頭端

31b‧‧‧螺紋端

311‧‧‧內滾動室

312‧‧‧外滾動室

313‧‧‧輔助滾珠

314‧‧‧主滾珠

32‧‧‧負荷計

33‧‧‧調整接頭

34‧‧‧墊塊

S‧‧‧容置空間

第1圖：本發明一實施例的立體分解結構示意圖。

第2圖：本發明一實施例的局部剖視立體結構示意圖。

第3圖：本發明一實施例的滾珠滾輪的局部剖視立體結構示意圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1、2圖，其係本發明測力裝置的一實施例，該測力裝置大致上包含一個基座1、一個安裝平台2及三個測力模組3，該安裝平台2設於該基座1，並與該基座1共同形成一容置空間S，該三個測力模組3設於該容置空間S中並抵接該安裝平台2，以分別量測該安裝平台2所受到的X、Y、Z三向分力。

本發明不限制該基座1的型態，以能夠供該安裝平台2及該三個測力模組3等構件組裝定位為原則；在本實施例中，該基座1包含一個定位座11及數個腳柱12，該定位座11可用以供該三個測力模組3組裝定位，該數個腳柱12則可分別由兩端結合該定位座11與該安裝平台2，以共同支撐該安裝平台2，使該安裝平台2與該定位座11沿著Z方向間隔設置，並在該安裝平台2與該定位座11之間形成前述的容置空間S。

該安裝平台2包含一個平台本體21、一個X向側抵部22及一個Y向側抵部23，該平台本體21可供待測物直接穩固地安裝，或是安裝夾治具以便快速結合待測物，使待測物的受力能直接傳遞至該平台本體21。該X向側抵部22設於該平台本體21在X方向上的端緣，該Y向側抵部23設於該平台本體21在Y方向上的端緣，該X向側抵部22及該Y向側抵部23分別沿著Z方向朝該定位座11延伸但不接觸該定位座11。

在本實施例中，該平台本體21概呈一個均質的平板體，該平台本體21具有相對的一個第一表面21a及一個第二表面21b，該第一表面21a朝向該定位座11。該X向側抵部22可例如為一個L型板件，以便組裝結合在該平台本體21的第一表面21a，並形成沿著Z方向朝該定位座11延伸的部位，使該平台本體21及該X向側抵部22都易於製造成型且便於組裝；或者，該X向側抵部22也可以一體連接該平台本體21，以更進一步地提升該安裝平台2與該基座1的組裝效率。該Y向側抵部23亦同，於此不再贅述。

各該測力模組3的自由端設有一個滾珠滾輪31，該三個測力模組3組裝於該基座1，並分別由其滾珠滾輪31抵接該X向側抵部22、該Y向側抵部23及該平台本體21朝向該定位座11的第一表面21a。在本實施例中，該基座1可另於該容置空間S中設有一個第一座板13及一個第二座板14，該第一座板13可例如為一個L型板件，以便組裝結合在該定位座11，並形成沿著X方向面向該X向側抵部22的部位，供組裝一個測力模組3，使該測力模組3的滾珠滾輪31能抵接於該X向側抵部22。類似地，該第二座板14亦可選擇為一個L型板件，以便組裝結合在該定位座11，並形成沿著Y方向面向該Y向側抵部23的部位，供組裝另一個測力模組3，使該另一個測力模組3的滾珠滾輪31能抵接於該Y向側抵部23。

詳言之，請參照第2、3圖，該滾珠滾輸31具有相連接的一個頭端31a及一個螺紋端31b，該頭端31a設有相連通的一內滾動室311及一外滾動室312，且該外滾動室312與外部連通；該內滾動室311中容置有多個輔助滾珠313，該外滾動室312中則容置有一個主滾珠314，該主滾珠314的體積大於各該輔助滾珠313，且該主滾珠314的局部凸伸穿出該頭端31a。據此，該滾珠滾輪31可以由該主滾珠314凸伸穿出該頭端31a的部位抵接該安裝平台2，並於相對位移時維持滾動接觸的運動型態。

此外，各該測力模組3還可包含一個負荷計32及一個調整接頭33，該負荷計32可例如為一個拉壓型的荷重元(Load cell)，該負荷計32具有一個受力方向，安裝時，使該三個測力模組3的負荷計32的受力方向分別沿著X方向、Y方向及Z方向設置。各該測力模組3的調整接頭33可設有內螺紋，以便沿著對應的負荷計32的受力方向連接該滾珠滾輪31的螺紋端31b，且該調整接頭33設於該滾珠滾輪31與該負荷計32之間。據此，各該測力模組3可藉由轉動該調整接頭33以調整該滾珠滾輪31抵接該X向側抵部22、該Y向側抵部23或該平台本體21的預負荷。該負荷計32的另一端還可結合有一墊塊34，以便各該測力模組3透過該墊塊34組裝定位於該定位座11。

請再參照第2圖，據由前述結構，本發明的測力裝置可以由該安裝平台2的平台本體21結合待測物，並依照三分力的最大預估量測值分別調整該三個測力模組3的調整接頭33，使各該測力模組3的滾珠滾輪31能分別對該安裝平台2的X向側抵部22、Y向側抵部23及平台本體21施予大於該最大預估量測值的預負荷，藉以確保在量測過程中，各該測力模組3的滾珠滾輪31都能維持抵接該安裝平台2。

量測時，由於各該測力模組3的滾珠滾輪31與其所抵接該安裝平台2的部位之間屬於滾動接觸，其中的滾動摩擦係數遠小於0.1(僅約0.03左右)，使得各該負荷計32的中心軸不易受到側向力的作用，可大幅降低各分力彼此的干擾度。換言之，當該安裝平台2受力時，即便該作用力同時具有X方向、Y方向及Z方向上的分力時，沿著X方向受力的負荷計32所量測的X方向分力將不易受到Y方向分力及Z方向分力的干擾；沿著Y方向受力的負荷計32所量測的Y方向分力將不易受到X方向分力及Z方向分力的干擾；沿著Z方向受力的負荷計32所量測的Z方向分力將不易受到X方向分力及Y方向分力的干擾。如此一來，該三個測力模組3的負荷計32即可分別精確地量測三分力。

接著，只要將該三個負荷計32的輸出電壓訊號分別傳送至三台電壓訊號放大器，並匯集到數據收集系統及個人電腦，同時由訊號放大器將預負荷的電壓訊號歸零。如此，三台訊號放大器所輸出的電壓訊號即可準確對應X方向分力、Y方向分力及Z方向分力等三分力。值得一提的是，當該測力裝置用於量測高速變化的衝擊力時，可將應變計式負荷計32更換成壓電式負荷計32。

請再參照第1、2圖，基於上述技術概念，以下更進一步地列舉本實施例測力裝置的各項特點並詳細說明：該安裝平台2的平台本體21若太厚、太硬，待測物的受力將不易傳遞至抵接該平台本體21的測力模組3，而該平台本體21若太薄、太軟，則會有雜訊過多的問題，因此，本實施例較佳在該平台本體21朝向該定位座11的第一表面21a設置一溝槽211，使該平台本體21除了具有足夠的強度供穩固結合待測物及該基座1外，還能兼具有產生彈性變形的能力，以準確地將受力傳遞至該三個測力模組3。

其中，該溝槽211可概呈環狀，較佳設為頭尾相接的封閉環狀，並使抵接該平台本體21的測力模組3抵接在該溝槽211所圈圍的範圍內，且較佳抵接在該溝槽211所圈圍的範圍中心處。另，還可將該X向側抵部22設於該平台本體21一端緣的中間位置，將該Y向側抵部23設於該平台本體21另一端緣的中間位置。據此，該三個測力模組3在該容置空間S中的空間配置率較佳，不僅有助提升組裝便利性，且藉由該X向側抵部22及該Y向側抵部23傳遞待測物受力的過程中也較不易失誤，可達到提升量測準確性等功效。

值得注意的是，本實施例的測力裝置可以依照材料力學的彈性變形公式及ANSYS軟體計算，使該溝槽211的深度及各該腳柱12的尺寸可依待測物的尺寸或者三分力的大小，以該平台本體21受力時，可在X、Y、Z上分別產生約0.3μm級的彈性變形量為原則來調整，藉以達到最為準確的測力效果。其中，在X、Y方向上的彈性變形量可分別是0.15~1.0μm，在Z方向上的彈性變形量則可以是0.1~0.6μm。

此外，本實施例可選擇使該安裝平台2的平台本體21在Z方向的橫截面呈正方形，以避免各向干擾度不同，可方便校正作業之進行。另搭配將該腳柱12的數量設為四個以便計算受力，及使該四個腳柱12分別對位組裝在該平台本體21的四個角隅處，較佳亦選擇使各該腳柱12在Z方向的橫截面呈正方形；據此，該安裝平台2及該數個腳柱12受力時可產生一致性較佳的各方向分力，有助簡化對量測值的校正程序。

綜上所述，本發明的測力裝置，藉由使測力模組與安裝平台之間以滾動接觸的型式相接，令每個測力模組都能單獨量測一方向的分力，以大幅降低各分力彼此的干擾度，達到降低校正作業困難度及提升量測結果準確性等功效。

本發明的測力裝置，其結構簡易且易於安裝至待測物，可提升該測力裝置本身的組裝效率，及提升該測力裝置與待測物的組裝效率，且安裝過程簡易，不需要豐富的操作經驗即可正確安裝，並據以得到準確的量測值，適合大眾使用。

本發明的測力裝置，可依據量測需求選擇合適規格的構件，以滿足各種待測物尺寸與測力範圍的需求，實用性極佳。亦即，本發明的測力裝置能以更簡易的結構取代測力範圍高(數kN)而待測物安裝面積小的習知三分力量測計；也能選擇合適規格的構件，提供測力範圍較小(數N)而待測物安裝面積較大的測力裝置，以便分析直徑高達10英吋的半導體矽晶圓切割作業。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種測力裝置，包含：一個基座，該基座具有一個定位座；一個安裝平台，該安裝平台設於該基座，該安裝平台與該基座之間形成一個容置空間，該安裝平台具有一個平台本體與該定位座沿著Z方向間隔設置，該平台本體的端緣設有一個X向側抵部及一個Y向側抵部；及三個測力模組，設於該容置空間中，各該測力模組的自由端設一個滾珠滾輪，該三個測力模組設於該基座，並分別由其滾珠滾輪抵接該X向側抵部、該Y向側抵部及該平台本體朝向該定位座的表面，其中該基座在該容置空間中設有一個第一座板及一個第二座板，該第一座板沿X方向面向該X向側抵部的部位供組裝一個前述的測力模組，該第二座板沿Y方向面向該Y向側抵部的部位供組裝另一個前述的測力模組。
如申請專利範圍第1項所述之測力裝置，其中，該X向側抵部設於該平台本體在X方向上的端緣，該Y向側抵部設於該平台本體在Y方向上的端緣，該X向側抵部及該Y向側抵部分別沿著Z方向朝該定位座延伸但不接觸該定位座。
如申請專利範圍第1項所述之測力裝置，其中，該平台本體朝向該定位座的表面設有一溝槽。
如申請專利範圍第3項所述之測力裝置，其中，該溝槽呈環狀，抵接該平台本體的測力模組抵接在該溝槽所圈圍的範圍內。
如申請專利範圍第4項所述之測力裝置，其中，抵接該平台本體的測力模組抵接在該溝槽所圈圍的範圍中心處。
如申請專利範圍第1項所述之測力裝置，其中，該X向側抵部設於該平台本體一端緣的中間位置，該Y向側抵部設於該平台本體另一端緣的中間位置。
如申請專利範圍第1項所述之測力裝置，其中，該基座設有數個腳柱，該數個腳柱分別由兩端結合該定位座與該安裝平台。
如申請專利範圍第7項所述之測力裝置，其中，該安裝平台的平台本體在Z方向的橫截面呈正方形。
如申請專利範圍第8項所述之測力裝置，其中，該腳柱的數量為四個，該四個腳柱分別對位組裝在該平台本體的四個角隅處。
如申請專利範圍第9項所述之測力裝置，其中，各該腳柱在Z方向的橫截面呈正方形。
如申請專利範圍第1至10項中任一項所述之測力裝置，其中，各該測力模組具有一個負荷計及一個調整接頭，該負荷計具有一受力方向，該調整接頭沿著該受力方向連接該滾珠滾輪，且該調整接頭設於該滾珠滾輪與該負荷計之間。
如申請專利範圍第11項所述之測力裝置，其中，該滾珠滾輪具有一個頭端，該頭端內設有一個可滾動的主滾珠，且該主滾珠的局部凸伸穿出該頭端以抵接該X向側抵部、該Y向側抵部或該平台本體。
如申請專利範圍第12項所述之測力裝置，其中，該頭端設有相連通的一內滾動室及一外滾動室，且該外滾動室與外部連通，該內滾動室中容置有多個輔助滾珠，該主滾珠容置於該外滾動室中，該主滾珠的體積大於各該輔助滾珠。
如申請專利範圍第12項所述之測力裝置，其中，該滾珠滾輪具有一個螺紋端連接該頭端，該調整接頭設有內螺紋以沿著該負荷計的受力方向連接該滾珠滾輪的螺紋端。