技术领域
[0001] 本实用新型涉及超精密加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种针对梯度功能研抛盘的加工测试装置。
背景技术
[0002] 蓝
宝石、YAG晶体、特种陶瓷、晶体材料等硬脆性材料具有硬度高、熔点高，热
稳定性好和化学性质稳定等优良特性，在国防、航空航天、工业以及生活领域中得到广泛应用。而在对硬脆性材料的
研磨抛光加工过程中，经常会在晶片表面留下裂纹、
断裂带、凹坑、凸起和夹杂物等表面
缺陷，通过研究可将表面缺陷分为以下几种类型：
[0003] 1)凹缺陷，即向内的缺陷，如沟槽、划道、裂纹、鸦爪、边缘崩边、缺口、凹坑和条纹等；
[0004] 2)凸缺陷，即向外的缺陷，如火山口、夹杂物、
飞边、附着物和小丘等；
[0005] 3)混合缺陷，即部分向外和部分向内的缺陷，如环形坑、折叠、划痕、切削残余等；
[0006] 4)区域缺陷和外观缺陷，即几何尺寸很难测量的缺陷，如划痕、
腐蚀、磨曲、麻点、裂纹、斑点和斑纹。
[0007] 当硬脆性材料作为一种衬底材料时，研磨和抛光占有非常重要的工序地位，在注重加工效率的同时，重点关注表面粗糙度、材料去除率、表层损伤、残余应
力、平坦度(面型
精度)等技术参数。目前，当硬脆性材料作为一种衬底材料时，可采用基于梯度功能
研磨盘的硬脆材料均匀去除的新型超精密加工技术，该技术利用制备各个分区内沿径向方向
弹性模量梯度变化的梯度功能研抛盘来进行
工件加工，由于该技术属于新兴技术，在已经取得相关技术突破的同时，也存在一些不容忽视的问题，该新技术提出的均匀性去除会导致研抛盘磨损不一致，以及研抛盘自身
磨料选择、工艺参数控制不当就会造成基片表面产生过重划痕和损伤，而目前现有的实验装置对这种新型超精密加工技术无法提供完整的工艺实验测试。实用新型内容
[0008] 本实用新型的目的在于解决现有的实验装置对新型超精密加工技术无法提供完整的工艺实验测试的问题，设计了一种针对梯度功能研抛盘的加工测试装置，该装置提供一套适用于蓝宝石一类硬脆材料在基于梯度功能研磨盘中均匀去除的新型超精密加工技术下进行工艺测试的方法。
[0009] 本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：一种针对梯度功能研抛盘的加工测试装置，包括具有梯度功能的研抛盘、负载加压装置、整体
机架和调速测试装置；
[0010] 所述具有梯度功能的研抛盘将传统的研磨盘分隔成两个一级环库，每个一级环库中的环都有按照弹性模量的大小从小到大储备的弹性模量不同的研抛盘，内环的外半径等于外环的内半径，所有内环和所有外环的厚度均相等；
[0011] 所述负载加压装置包括测试
支架、X轴伺服
电机、X轴
丝杠传动模
块、X轴滑动块、Y轴
伺服电机、Y轴丝杠传动模块、Y轴滑动块、负载固定夹具、S型力测量
传感器、
薄膜力传感器、测试夹具和测试脆性材料工件，所述X轴滑动块、Y轴伺服电机、Y轴丝杠传动模块、Y轴滑动块、负载固定夹具、S型力
测量传感器、薄膜力传感器、测试夹具和测试脆性材料工件设有结构完全相同的一对；所述X轴丝杠传动模块安装在测试支架上，测试支架固定在整体机架上，X轴伺服电机固定在测试支架上，且X轴伺服电机连接X轴丝杠传动模块的一端并驱动X轴丝杠传动模块的运动，两个X轴滑动块均套装在X轴丝杠传动模块上，X轴伺服电机驱动X轴丝杠传动模块转动时带动两个X轴滑动块沿着X轴方向左右滑动；两个Y轴丝杠传动模块分别竖直固定在两个X轴滑动块上，Y轴伺服电机连接Y轴丝杠传动模块的一端并驱动Y轴丝杠传动模块的转动，所述Y轴滑动块套装在Y轴丝杠传动模块上，Y轴伺服电机驱动Y轴丝杠传动模块的转动时带动Y轴滑动块沿竖直方向直线运动；每个Y轴滑动块上均固定有一个负载固定夹具，负载固定夹具通过S型力测量传感器连接测试夹具，所述测试夹具下方连接测试脆性材料工件，所述测试夹具和测试脆性材料工件之间设置有薄膜传感器放置夹层，薄膜力传感器放置在测试夹具和测试脆性材料工件之间薄膜传感器放置夹层内；
[0012] 所述整体机架上开设有两个圆形孔，负载加压装置上的两个测试脆性材料工件设置在两个圆形孔的正上方，两个圆形孔下方设置有两个固定在调速测试装置上的具有梯度功能的研抛盘；
[0013] 所述调速测试装置包括Y轴外轴、手动调速箱、X轴、第一圆锥
齿轮、第二圆
锥齿轮、
轴承、轴承
支撑架、
联轴器和调速电机，所述Y轴外轴、手动调速箱、X轴、第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮、轴承、轴承支撑架均设置有一对，所述调速电机通过联轴器连接
水平设置的X轴，X轴的两端通过轴承安装在两个轴承支撑架上，两个轴承支架架固定在地面上，X轴上设有两个齿数比不同的第二圆锥齿轮，两个手动调速箱的下端分别连接第一圆锥齿轮，两个第一圆锥齿轮分别和两个第二圆锥齿轮相
啮合，所述手动调速箱的上端连接Y轴外轴，具有梯度功能的研抛盘的外环安装在Y轴外轴上，具有梯度功能的研抛盘的内环连接手动调速箱的上端的轴端，两个手动调速箱分别设置在整体机架的两个圆形孔的正下方。
[0014] 进一步的，每个薄膜传感器放置夹层内均设置有多个薄膜力传感器，每个薄膜传感器放置夹层内的薄膜力传感器数量与负载加压装置下方当前组成的具有梯度功能的研抛盘的环数量相等，且每个薄膜力传感器的
位置对应设置在当前组成的具有梯度功能的研抛盘每层环的正上方。
[0015] 进一步的，所述X轴丝杠传动模块和Y轴丝杠传动模块均由滚珠丝杠、丝杠底座、两个丝杠座组成，滚珠丝杠通过两个丝杠座固定在丝杠底座上，Y轴丝杠传动模块的丝杠底座的背面与X轴滑动块固定连接，X轴丝杠传动模块的丝杠底座
正面设有与X轴滑动块底部相配合的滑动槽，Y轴丝杠传动模块的丝杠底座正面设有与Y轴滑动块底部相配合的滑动槽。
[0016] 进一步的，所述手动调速箱包括Y轴外轴、Y轴上端内轴、Y轴下端内轴、变速箱中间轴、
行星轮、Y轴外轴、变速
箱体、输入齿轮、变速齿轮对、变速箱换挡叉、变速齿轮对，所述Y轴上端内轴的上端连接具有梯度功能的研抛盘的内环，Y轴上端内轴的中部通过行星轮连接Y轴外轴的下端，Y轴外轴的上端连接研抛盘夹具，Y轴上端内轴的下端与中间轴固定有变速齿轮对，所述Y轴下端内轴的上端固定有输入齿轮，Y轴下端内轴的下端连接第一圆锥齿轮，所述变速箱中间轴与
输出轴上设置有变速齿轮对，变速箱换挡叉上
花键与上面变速齿轮对上花键相啮合，输出的转速为上齿轮的齿轮比，变速箱换挡叉上花键与下变速齿轮对上花键相啮合，输出的转速为下齿轮对的齿轮比，以实现两级变速效果。
[0017] 一种针对梯度功能研抛盘的加工测试方法，采用上述一种针对梯度功能研抛盘的加工测试装置，具体包括如下步骤：
[0018] 步骤一：将制备的两份具有不同梯度功能的研抛盘固定在两个研抛盘夹具中，设立环库为了组合具有不同KP的研抛盘，KP即弹性模量，此时一个具有不同梯度功能的研抛盘内外环就有两个不同的KP，两份研抛盘四种KP记为KP1、KP2、KP3、KP4；
[0019] 步骤二：将Y轴伺服电机启动，Y轴伺服电机运动时带动Y轴滚珠丝杠转动，进而带动Y轴滑动块向下运动，直至测试脆性材料工件压紧制备好的研抛盘，根据伺服电机恒力矩出输出加载力矩的特性，Y轴伺服电机的转矩会转化为对测试脆性材料工件的向下压力，S型力测量传感器测量测得初始抛光静态测试下Y轴伺服电机对测试脆性材料工件的向下压总压力F，通过薄膜力传感器测量抛光测试过程中每一环上方测试脆性材料工件的实际环上压力F1，通过 得到实际在研抛盘环上的压强p；
[0020] 步骤三：驱动调速电机，调速电机驱动X轴转动，X轴带动两个第一圆锥齿轮运动，由于两个第一圆锥齿轮的齿数比不同，导致两个Y轴下端内轴的转速不一致，又由于手动调速箱的存在，通过拨动变速箱换挡叉，切换变速箱中间轴上的变速齿轮对，通过大小不同的齿轮组合与Y轴下端内轴结合，实现左右两个抛光盘差动转速，又通过行星轮传动带动其研抛盘的内环和外环转速不同，通过一次对调速电机的调速，实现两个研抛盘的两个内环和两个外环会产生四种不同的速度，记为V1、V2、V3、V4；
[0021] 步骤四：设计消除抖动与稳定速度的控制系统，以解决测试过程中研抛盘转动，而测试支架是通过
螺栓机械结合实现，螺栓机械结合的
刚度强度不够造成整个装置产生抖动，又由于通过调速电机产生的多路速度，存在达到执行端速度不稳定的问题，从而影响测试结果的问题；设计的控制系统为嵌入式ARM平台，由于抖动是X轴向和Y轴向耦合的作用，通过伺服电机微动位移对其消去抖动带来的影响，现对其用现代控制理论进行建立
状态空间模型：
[0022] 对于X轴模型
[0023] 对于Y轴模型
[0024] 选x1＝q,x2＝y，则 以及
[0025] 写成矩阵型式
[0026]
[0027] 式中M1电机和丝杠
质量，M2工件与夹具质量，X2(t)工件中心点位置，b1为X轴的
摩擦系数，b2为Y轴的摩擦系数；测试过程中，通过薄膜力传感器动态测量测试过程中的压强的变化，反馈为
电压的变化，通过嵌入式ARM平台输出PWM脉冲
频率与脉冲个数对其伺服电机调节，输出压力测量通过S型力测量传感器得到，PWM调节原理如下：
[0028]
[0029] 式中VH为PWM波的高电平，VL为PWM波的低电平，t为时间，k为周期；
[0030] 研抛盘的转速是由调速电机单一输出，通过齿轮变速形成不同转速，为形成稳定的执行端速度，光电码盘传感器监控末端内轴转速，反馈给ARM平台，通过输出不同电压微动调节调速电 机输出速度 ，调节控 制为PID调节 ，PID调节原理如下：
[0031] 式中，err(t)为输入转速与输出转速偏差，T为
采样频率；
[0032] ARM平台电压输出调节原理如下：将PWM波进行
傅立叶变换，得到
[0033] 式中
直流分量与n成线性关系，电压从VL到VL+VH之间变化；最终通过电压控制调速电机的转速。
[0034] 本实用新型的有益效果在于：本实用新型结构简单，依据Preston方程针对加工工艺因数kp、v、p三个主要加工因数设计测试工艺平台，该测试平台对三个主要加工因数变量测试控制来优化工艺，填补了基于梯度功能研磨盘的硬脆材料均匀去除新型超精密加工技术尚无测试试验装置的空白，并提供了一套测试方法，该装置对后续大规模生产和提高加工质量有重要的测试意义；本实用新型涉及超精密加工技术领域，为解决实验过程过长的问题，通过结构设计达到在一个实验平台上同时进行四组实验；通过一次实验增加实验组数，相对减小实验时间；10小时后，利用粗糙度检测仪对工件表面粗糙度检测、利用天平称重法计算材料去除率。
附图说明
[0035] 图1是本实用新型一种针对梯度功能研抛盘的加工测试装置的整体结构示意图。
[0036] 图2是本实用新型具有梯度功能的抛光盘的组合示意图。
[0037] 图3是本实用新型负载加压装置的结构示意图。
[0038] 图4是本实用新型调速测试装置的调速电机驱动部分示意图。
[0039] 图5是本实用新型具有梯度功能的研抛盘与变速箱的拆分结构示意图。
[0040] 图中，1-负载加压装置、2-具有梯度功能的研抛盘、3-整体机架、4-调速测试装置、11-测试脆性材料工件、12-测试夹具、13-S型力测量传感器、14-负载固定夹具、15-测试支架、16-X轴丝杠传动模块、17-Y轴伺服电机、18-Y轴丝杠传动模块、19-X轴伺服电机、110-X轴滑动块、111-Y轴滑动块、21-内环、22-外环、31-圆形孔、41-Y轴外轴、42-Y轴上端内轴，，也为变速箱输出轴、43-Y轴下端内轴、44-变速箱中间轴、45-行星轮、46-变速齿轮对、47-变速箱体、48-输入齿轮、49-变速齿轮对、410-变速箱换挡叉、411-调速电机、412-X轴、413-第一圆锥齿轮、414-第二圆锥齿轮、415-轴承支撑架。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
[0042] 如图1所示，一种针对梯度功能研抛盘的加工测试装置，包括具有梯度功能的研抛盘2、负载加压装置1、整体机架3和调速测试装置4。整体机架3作为整个装置的安装
基础固定在地面上，负载加压装置1固定在整体机架3上，调速测试装置4设置在整体机架3下方的地面上，具有梯度功能的研抛盘2安装在调速测试装置4上。
[0043] 所述整体机架3上开设有两个圆形孔31，负载加压装置1上的两个测试脆性材料工件11设置在两个圆形孔31的正上方，两个圆形孔31下方设置有两个固定在调速测试装置4上的具有梯度功能的研抛盘2。
[0044] 如图2所示，所述具有梯度功能的研抛盘2将传统的研磨盘分隔成两个一级环库，每个一级环库中的环都有按照弹性模量的大小从小到大储备的弹性模量不同的研抛盘，内环的外半径等于外环的内半径，所有内环和所有外环的厚度均相等；通过研抛盘的弹性模量的梯度分布函数E(r，z)来计算Preston函数参数KP，其计算公式为：KP＝K1×Ke×E(r,z)其中K1、Ke与材料特性相关，由计算得出的KP选择弹性模量研磨块填充单环，两个弹性模量环组合成一个完整的研抛盘，内外盘的KP记为KP1、KP2。
[0045] 具有梯度功能的研抛盘2也可以分隔成不止两个一级环库，可以是三个一级环库，四个一级环库甚至是N个一级环库，每个一级环库中的环都有按照弹性模量的大小从小到大储备的弹性模量不同的研抛盘，内层一级环的外半径等于外层一级换的内半径，所有内环和所有外环的厚度均相等。在设计多级一级环库时，对应的调速测试装置4的行星轮也跟着变动，有多少级一级环库就使用多少个行星轮，保证每级环差速转动。
[0046] 如图3所示，所述负载加压装置1包括测试支架15、X轴伺服电机19、X轴丝杠传动模块16、X轴滑动块110、Y轴伺服电机17、Y轴丝杠传动模块18、Y轴滑动块111、负载固定夹具14、S型力测量传感器13、薄膜力传感器、测试夹具12和测试脆性材料工件11，所述X轴滑动块110、Y轴伺服电机17、Y轴丝杠传动模块18、Y轴滑动块111、负载固定夹具14、S型力测量传感器13、薄膜力传感器、测试夹具12和测试脆性材料工件11设有结构完全相同的一对；所述X轴丝杠传动模块16安装在测试支架15上，测试支架15固定在整体机架3上，X轴伺服电机19固定在测试支架15上，且X轴伺服电机19连接X轴丝杠传动模块16的一端并驱动X轴丝杠传动模块16的运动，两个X轴滑动块110均套装在X轴丝杠传动模块16上，X轴伺服电机19驱动X轴丝杠传动模块16转动时带动两个X轴滑动块110沿着X轴方向左右滑动；两个Y轴丝杠传动模块18分别竖直固定在两个X轴滑动块110上，Y轴伺服电机17连接Y轴丝杠传动模块18的一端并驱动Y轴丝杠传动模块18的转动，所述Y轴滑动块111套装在Y轴丝杠传动模块18上，Y轴伺服电机17驱动Y轴丝杠传动模块18的转动时带动Y轴滑动块111沿竖直方向直线运动；每个Y轴滑动块111上均固定有一个负载固定夹具14，负载固定夹具14通过S型力测量传感器
13连接测试夹具12，所述测试夹具12下方连接测试脆性材料工件11，所述测试夹具12和测试脆性材料工件11之间设置有薄膜传感器放置夹层，薄膜力传感器放置在测试夹具12和测试脆性材料工件11之间薄膜传感器放置夹层内。
[0047] 每个薄膜传感器放置夹层内均设置有多个薄膜力传感器，每个薄膜传感器放置夹层内的薄膜力传感器数量与负载加压装置1下方当前组成的具有梯度功能的研抛盘2的环数量相等，且每个薄膜力传感器的位置对应设置在当前组成的具有梯度功能的研抛盘2每层环的正上方。
[0048] 所述X轴丝杠传动模块16和Y轴丝杠传动模块18均由滚珠丝杠、丝杠底座、两个丝杠座组成，滚珠丝杠通过两个丝杠座固定在丝杠底座上，Y轴丝杠传动模块18的丝杠底座的背面与X轴滑动块110固定连接，X轴丝杠传动模块16的丝杠底座正面设有与X轴滑动块110底部相配合的滑动槽，Y轴丝杠传动模块18的丝杠底座正面设有与Y轴滑动块111底部相配合的滑动槽。
[0049] 如图4和图5所示，所述调速测试装置4包括Y轴外轴41、手动调速箱、X轴412、第一圆锥齿轮413、第二圆锥齿轮414、轴承、轴承支撑架415、联轴器和调速电机411，所述Y轴外轴41、手动调速箱、X轴412、第一圆锥齿轮413、第二圆锥齿轮414、轴承、轴承支撑架415均设置有一对，所述调速电机411通过联轴器连接水平设置的X轴412，X轴412的两端通过轴承安装在两个轴承支撑架415上，两个轴承支架架固定在地面上，X轴412上设有两个齿数比不同的第二圆锥齿轮414，两个手动调速箱的下端分别连接第一圆锥齿轮413，两个第一圆锥齿轮413分别和两个第二圆锥齿轮414相啮合，所述手动调速箱的上端连接Y轴外轴41，具有梯度功能的研抛盘2的外环22安装在Y轴外轴41上，具有梯度功能的研抛盘2的内环21安装在手动调速箱的上端的轴端，两个手动调速箱分别设置在整体机架3的两个圆形孔31的正下方。
[0050] 所述手动调速箱包括Y轴外轴41、Y轴上端内轴42、Y轴下端内轴43、变速箱中间轴44、行星轮45、Y轴外轴41、变速箱体47、输入齿轮48、变速齿轮对49、变速箱换挡叉410、变速齿轮对46，所述Y轴上端内轴42的上端连接具有梯度功能的研抛盘2的内环21，Y轴上端内轴
42的中部通过行星轮45连接Y轴外轴41的下端，Y轴外轴41的上端连接研抛盘夹具，Y轴上端内轴42的下端与中间轴44固定有变速齿轮对46，所述Y轴下端内轴43的上端固定有输入齿轮48，Y轴下端内轴43的下端连接第一圆锥齿轮413，所述变速箱中间轴44与输出轴42上设置有变速齿轮对49，变速箱换挡叉上410花键与变速齿轮对46上花键相啮合，输出的转速为齿轮对46的齿轮比，变速箱换挡叉410上花键与变速齿轮对49上花键相啮合，输出的转速为齿轮对49的齿轮比，以实现两级变速效果。
[0051] 行星轮45在安装时，其
外圈齿轮固定在Y轴外轴41的内壁上，其
内圈齿轮固定在Y轴上端内轴42上，外圈齿轮与内圈齿轮均与中部齿轮相啮合，内圈齿轮在Y轴上端内轴42的带动下转动时带动中部齿轮转动，进而带动外圈齿轮和Y轴外轴41共同转动，且外圈齿轮和Y轴外轴41与行星轮45的内圈
齿轮转速不一致；在进行两级以上的具有不同梯度功能的抛光盘加工测试时，则将Y轴外轴41和行星轮45看做为一个整体，作为外侧一圈行星轮的内圈齿轮，再其外侧再设置新的外轴以固定外层的环。
[0052] 一种针对梯度功能研抛盘的加工测试方法，采用上述一种针对梯度功能研抛盘的加工测试装置，具体包括如下步骤：
[0053] 步骤一：将制备的两份具有不同梯度功能的研抛盘固定在两个研抛盘夹具中，设立环库为了组合具有不同KP的研抛盘，KP即弹性模量，此时一个具有不同梯度功能的研抛盘内外环22就有两个不同的KP，两份研抛盘四种KP记为KP1、KP2、KP3、KP4；
[0054] 步骤二：将Y轴伺服电机17启动，Y轴伺服电机17运动时带动Y轴滚珠丝杠转动，进而带动Y轴滑动块111向下运动，直至测试脆性材料工件11压紧制备好的研抛盘，根据伺服电机恒力矩出输出加载力矩的特性，Y轴伺服电机17的转矩会转化为对测试脆性材料工件11的向下压力，S型力测量传感器13测量测得初始抛光静态测试下Y轴伺服电机17对测试脆性材料工件11的向下压总压力F，通过薄膜力传感器测量抛光测试过程中每一环上方测试脆性材料工件11的实际环上压力F1，通过 得到实际在研抛盘环上的压强p；
[0055] 步骤三：驱动调速电机411，调速电机411驱动X轴412转动，X轴412带动两个第一圆锥齿轮413运动，由于两个第一圆锥齿轮413的齿数比不同，导致两个Y轴下端内轴43的转速不一致，又由于手动调速箱的存在，通过拨动变速箱换挡叉410，切换变速箱中间轴44上的变速齿轮对，通过大小不同的齿轮组合与Y轴下端内轴43结合，实现左右两个抛光盘差动转速，又通过行星轮45传动带动其研抛盘的内环21和外环22转速不同，通过一次对调速电机411的调速，实现两个研抛盘的两个内环21和两个外环22会产生四种不同的速度，记为V1、V2、V3、V4；
[0056] 步骤四：设计消除抖动与稳定速度的控制系统，以解决测试过程中研抛盘转动，而测试支架15是通过螺栓机械结合实现，螺栓机械结合的刚度强度不够造成整个装置产生抖动，又由于通过调速电机411产生的多路速度，存在达到执行端速度不稳定的问题，从而影响测试结果的问题；设计的控制系统为嵌入式ARM平台，由于抖动是X轴向和Y轴向耦合的作用，通过伺服电机微动位移对其消去抖动带来的影响，现对其用现代控制理论进行建立状态空间模型：
[0057] 对于X轴模型
[0058] 对于Y轴模型
[0059] 选x1＝q,x2＝y，则 以及
[0060] 写成矩阵型式
[0061]
[0062] 式中M1电机和丝杠质量，M2工件与夹具质量，X2t工件中心点位置，b1为X轴的摩擦系数，b2为Y轴的摩擦系数；测试过程中，通过薄膜力传感器动态测量测试过程中的压强的变化，反馈为电压的变化，通过嵌入式ARM平台输出PWM脉冲频率与脉冲个数对其伺服电机调节，输出压力测量通过S型力测量传感器13得到，PWM调节原理如下：
[0063]
[0064] 式中VH为PWM波的高电平，VL为PWM波的低电平，t为时间，k为周期；
[0065] 研抛盘的转速是由调速电机411单一输出，通过齿轮变速形成不同转速，为形成稳定的执行端速度，光电码盘传感器监控末端内轴转速，反馈给ARM平台，通过输出不同电压微动调节调速电机411输出速度，调节控制为PID调节，PID调节原理如下：
[0066] 式中，err(t)为输入转速与输出转速偏差，T为
采样频率；
[0067] ARM平台电压输出调节原理如下：将PWM波进行傅立叶变换，得到
[0068] 式中直流分量与n成线性关系，电压从VL到VL+VH之间变化；最终通过电压控制调速电机411的转速。
[0069] 上述
实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型
专利的权利保护范围内。
