基于粘弹性材料研抛的六维力测力装置与测力方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。

Six axis force of viscoelastic material polishing force measurement device and measurement method based on

The invention relates to a method for measuring six dimensional force of viscoelastic material and polishing device based on force, belonging to the ultra precision machining and machining of complex optical measurement technology field. With viscoelastic material layer of the polishing head is arranged in a clamping spring, circlip installed in the front end of the main body of the elastic groove in the inner wall of the groove joint contact card is spring and elastic body, and the thread of the fastening cap are connected by screw threads in the elastic main body, force sensing device pre parallel tightly on the elastic body. And in the elastic clamp around the main body of positive quadrilateral distribution groove, an outer sleeve and an elastic body are connected by screw sleeve preload, and the elastic body is connected with the lower cover through the lower cover pre tightening screws, outgoing quasi closed empty part suspended in the lower cover, a contact ring between the inner ring and the outer sleeve. The advantage of being able to achieve precise measurement, the coupling degree is small, the lateral force of small interference, real-time accurate measurement of six axis force and convenient installation and disassembly.

【技术实现步骤摘要】
基于粘弹性材料研抛的六维力测力装置与测力方法
本专利技术属于超精密加工及复杂光学零件加工测控
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术采取的技术方案是：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。本专利技术所述力敏装置一由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。本专利技术所述力敏装置二由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。本专利技术所述力敏装置三结构同力敏装置一。本专利技术所述力敏装置四结构同力敏装置二。本专利技术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FCX、FCY、FCZ。而研抛力测量值FSX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FSY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FCX'，FCY'，FCZ'；扭矩MX，MY,MZ；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FCX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方向上本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷岩，林洁琼，卢明明，孙慧岩，孙建波，卢发祥，郭海龙，王畅，周岩，陈修元，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22