基于懸臂梁稱重傳感器的圓弧刀研磨力測量儀設(shè)計*

金志樑，巴音賀希格，朱繼偉，吉日嘎蘭圖，唐玉國

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春 130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

機械刻劃法是采用光柵刻劃機的金剛石刻劃刀對鍍有金屬膜的基底進行擠壓、拋光使其發(fā)生形變而形成光柵槽型［1］，從而實現(xiàn)光柵母板的研制。常見的金剛石刻劃刀有直刃刀（尖劈刀）、雙圓錐形圓弧刀（簡稱圓弧刀）及延伸角錐刀。金剛石尖劈刀制作工藝簡單，制造設(shè)備簡易且刃磨時較容易獲得高質(zhì)量刃口，是常用光柵刻劃任務(wù)首選的光柵刻劃刀具類型［2］，但是在現(xiàn)有設(shè)計方法下尖劈刀的使用壽命具有一定的不確定性。近年來，隨著大面積光柵和凹面光柵的廣泛應(yīng)用，由于圓弧刀在金屬膜層作用過程中受力面積較大，在光柵刻劃過程中具有在線轉(zhuǎn)刃的可能性，利于提高金剛石刻劃刀具使用壽命而逐漸被大家重視［3，4］。根據(jù)金剛石刀具的研磨經(jīng)驗，研磨過程中研磨力過小、過大及波動變化均會對圓弧刀的質(zhì)量和耐磨性產(chǎn)生影響［5］。

鑒于此，為了更好地研究圓弧刀研磨過程中研磨力控制策略和了解研磨過程中圓弧刀所受力變化情況，根據(jù)圓弧刀研磨過程，針對刀具與高速磨盤接觸測量困難的情況，設(shè)計以杠桿原理為基礎(chǔ)的圓弧刀研磨力測量儀，建立了圓弧刀與磨盤之間研磨力的數(shù)學(xué)模型。該儀器以高性能數(shù)字信號處理器（DSP）TMS320F2812和16位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器AD977A為硬件核心，可以實現(xiàn)圓弧刀在高速研磨過程中壓力的數(shù)據(jù)采集，對提高和改善圓弧刀的質(zhì)量有一定的促進作用。

1 主要工作原理

圓弧刀研磨力測量儀主要用于實現(xiàn)圓弧刀研磨力測量，儀器以杠桿結(jié)構(gòu)為主體（如圖1所示），由伺服電機、杠桿、配重塊、滾珠、氣浮導(dǎo)軌、支撐柱、稱重傳感器1、刀具擺軸和稱重傳感器2共同構(gòu)成。稱重傳感器1是研磨力測量的主要器件，放置在支撐柱與氣浮導(dǎo)軌導(dǎo)向頂端。稱重傳感器2是用于輔助完成研磨力數(shù)學(xué)模型的建立，放置在磨盤與刀具擺軸末端之間。在圓弧刀研磨在線測量過程中，只需記錄稱重傳感器1的數(shù)值，此時撤去稱重傳感器2。

圖1 研磨力測量儀示意圖Fig 1 Schematic drawing of lapping pressure measurement instrument

因為在圓弧刀高速研磨過程中，無法直接測量圓弧刀與磨盤之間的力。因此，本文通過杠桿原理對研磨力數(shù)學(xué)模型進行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)。圓弧刀與稱重傳感器2接觸，根據(jù)力學(xué)分析可以得到2只稱重傳感器受力與配重塊位置的關(guān)系為

式中F1為稱重傳感器1測得的力，F(xiàn)2為稱重傳感器2測得的力，GZ為自重端的重力，GP為配重塊的重力，GD為伺服電機及其組件的重力，l1為自重端對杠桿的作用點到杠桿支點的距離，l2為杠桿支點到配重塊的距離，l3為杠桿支點到伺服電機的距離，ε為系統(tǒng)誤差。其中，GZ和GP為已知，l1，l3為固定長度，則l2根據(jù)伺服電機改變配重塊的位置決定。

在式（1）中，系統(tǒng)誤差ε需要通過實驗測量間接得到，下面給出系統(tǒng)誤差ε的推導(dǎo)過程。由稱重傳感器1和稱重傳感器2測得的力F1和F2可表達為

將式（2）代入式（1），即可得到系統(tǒng)誤差ε為

將式（3）代入式（1），得到稱重傳感器1和稱重傳感器2承受的力和配重塊位置關(guān)系的表達式為

由式（4）可知，當(dāng)配重塊到杠桿支點的距離l2保持恒定時，F(xiàn)1和F2的和為定值。因此，只需測量稱重傳感器1的值F1，即可實現(xiàn)圓弧刀承受的研磨力F2的間接測量。

2 硬件設(shè)計

圓弧刀研磨壓力測量儀的系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，其硬件部分主要由電源模塊、壓力采集及A/D轉(zhuǎn)換電路、伺服電機控制電路和通信電路等組成。

圖2 系統(tǒng)原理框圖Fig 2 Block diagram of system principle

測量儀硬件主控芯片采用TI公司的32位定點DSP TMS320F2812，該芯片的最高時鐘頻率為150 MHz。儀器采用該DSP芯片主要實現(xiàn)伺服電機控制、稱重傳感器1和稱重傳感器2數(shù)據(jù)采集和上位機LabVIEW軟件通信3個功能。其中，兩路A/D同步采樣采用DSP芯片的IO口實現(xiàn)，與上位機實時通信采用串行通信接口SCI完成，此外DSP芯片通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)字信號傳輸給D/A轉(zhuǎn)換芯片。

稱重傳感器選用高精度的懸臂梁式稱重傳感器，其量程為0～10 kgf，綜合精度為0.02%，傳感器后端變送器輸出電壓0～10 V，由A/D轉(zhuǎn)換器接收。測量儀對兩路A/D采集，為保證采集稱重傳感器數(shù)據(jù)的同步性，分別使用DSP的3個I/O口模擬SPI模塊對數(shù)據(jù)進行同步接收。A/D轉(zhuǎn)換器由片選信號選通后，使用讀取/轉(zhuǎn)換控制信號啟動A/D轉(zhuǎn)換，完成A/D轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生中斷信號通知主控芯片接收數(shù)據(jù)。其中，讀取/轉(zhuǎn)換控制信號和中斷信號的發(fā)送和接收都由DSP的I/O口實現(xiàn)。其中一路A/D轉(zhuǎn)換電路的實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 AD977A與DSP的接口電路Fig 3 Interface circuit between AD977A and DSP

圓弧刀研磨力測量儀配重塊的定位采用直流伺服電機實現(xiàn)，電機的目標(biāo)位置由模擬電壓控制。模擬電壓電路選用16位D/A轉(zhuǎn)換芯片DA712，DSP產(chǎn)生的信號通過16位數(shù)據(jù)總線輸出，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片SN74ALV164245傳給DAC712，實現(xiàn)±10 V的模擬信號輸出。

3 圓弧刀研磨力測量儀軟件設(shè)計

3.1 下位機程序設(shè)計

研磨力測量儀下位機程序主要負責(zé)實現(xiàn)稱重傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、電機驅(qū)動和與上位機通信等功能。上電后，程序進行初始化，并等待上位機發(fā)送指令。指令中的采樣頻率是根據(jù)圓弧刀在研磨過程中的研磨狀態(tài)（包括磨盤轉(zhuǎn)速和刀具擺軸的頻率等）決定。DSP完成參數(shù)配置后啟動伺服電機，將配重塊移動到預(yù)設(shè)位置，啟動A/D轉(zhuǎn)換，對稱重傳感器進行數(shù)據(jù)采集，并發(fā)送給上位機。測量系統(tǒng)誤差時，稱重傳感器需要對不同配重塊位置進行研磨力采集，指令中需設(shè)置好電機運動軌跡。在圓弧刀研磨力測量階段，配重塊運動到指定位置后不再需要驅(qū)動電機。不同階段的指令對電機操作不同，但2個階段使用指令格式相同。DSP程序流程圖如圖4所示。

圖4 DSP程序框圖Fig 4 Block diagram of DSP program

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機采用LabVIEW編程，主要完成下位機指令的發(fā)送和圓弧刀研磨力數(shù)據(jù)的接收、顯示與存儲等功能。利用LabVIEW的VISA與DSP串口連接，實現(xiàn)指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收，完成下位機上傳的研磨力數(shù)據(jù)顯示。

4 實驗結(jié)果分析

4.1 稱重傳感器標(biāo)定

稱重傳感器的輸出具有一定的非線性，且容易受到各種環(huán)境因素的影響，為了提高稱重傳感器標(biāo)定精度，本文采用最小二乘原理對稱重傳感器進行標(biāo)定。用于標(biāo)定實驗的精密砝碼誤差范圍為±0.005%。標(biāo)定完測得稱重傳感器1和稱重傳感器2的實測值與標(biāo)稱值的最大誤差分別為0.127，0.147 N，均小于 0.15 N。稱重傳感器測量精度較高，滿足測量儀的設(shè)計要求，可以用于圓弧刀研磨力的在線測量。

4.2 系統(tǒng)誤差測量

研磨力數(shù)學(xué)模型中，系統(tǒng)誤差ε的確定需要通過實驗完成。根據(jù)式（2），改變配重塊在絲桿上的位置，實驗中，截取距離支點23～62mm處的數(shù)據(jù)點，得到稱重傳感器1和稱重傳感器2的值如表1所示。再將各已知數(shù)據(jù)代入式（3）中計算出系統(tǒng)誤差ε。

表1 系統(tǒng)誤差測量結(jié)果Tab 1 Measurement result of system error

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)誤差求算術(shù)平均值得到系統(tǒng)誤差約為0.844 N。將各已知數(shù)據(jù)代入式（4），可以得到F1+F2的表達式為

根據(jù)式（5），若將l2取定值，通過稱重傳感器1對支撐柱與氣浮導(dǎo)軌導(dǎo)向端面處承受力的測量，即可得到研磨時研磨力的變化情況。

4.3 圓弧刀研磨力測量實驗

完成系統(tǒng)誤差測量后，根據(jù)測量儀測得的研磨力在線變化情況，實時判斷圓弧刀研磨質(zhì)量，從而對研磨轉(zhuǎn)速、圓弧刀自轉(zhuǎn)速及其它磨刀機參數(shù)做出相應(yīng)的調(diào)整，從而可降低圓弧刀研磨力變化幅值。

在圓弧刀工藝人員未對研磨機的相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整時，由稱重傳感器1測得研磨力變化范圍一般較大（實測曲線見圖5所示）。

圖5 調(diào)整前的研磨力測量曲線Fig 5 Measurement curve of lapping pressure before adjustment

從圖5可以看出:初始階段稱重傳感器1測得的研磨力在8.75～9.35 N之間波動，間接反映出研磨過程中研磨力變化為4.626～5.204N，變化量為0.578N。根據(jù)測量儀輸出的研磨力曲線對研磨機的相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整后（研磨力曲線見圖6所示），最終降低了研磨力變化幅值，壓力變化范圍降低為4.694～5.106 N，研磨力變化量由測量儀研制之前的 0.578 N減小為 0.412 N，變化范圍降低了28.8% 。

圖6 調(diào)整后的研磨力測量曲線Fig 6 Measurement curve of lapping pressure after adjustment

5 結(jié)論

為解決雙圓錐形圓弧刀研磨力在線測量難題，研制了以懸臂梁稱重傳感器和杠桿原理為基礎(chǔ)的圓弧刀研磨力測量儀，建立了圓弧刀研磨力測量的數(shù)學(xué)模型。該儀器下位機和上位機分別采用DSP和LabVIEW實現(xiàn)，完成了圓弧刀研磨力的在線采集、處理、存儲及實時顯示等功能，可以應(yīng)用于高質(zhì)量的圓弧刀研制。

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