CN107206566A - 平面研磨机 - Google Patents

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Abstract

一种样品研磨机包括基部，所述基部具有碗状物和旋转驱动盘，以可操作地支撑砂轮。头部被配置以支撑试样架并且具有用于所述试样架的旋转驱动的第一驱动，以及用于使所述头部和所述试样架朝向和远离所述旋转驱动盘移动的第二驱动。所述头部具有大于所述试样架的套管。盖子被设置在所述碗状物之上，并且具有大于所述套管的开口，从而当所述试样架朝所述旋转驱动盘移动时，所述套管适合穿过所述开口。所述砂轮可仅以单一径向取向安装到所述盘。修整***被可操作地连接到控制器，以监控所述驱动盘电动机和/或所述头部第一驱动的电流，基于所述驱动盘电动机和/或所述头部第一驱动中消耗的所述电流降到预先确定的值以下而致动所述修整***。

Description

平面研磨机
关联申请的交叉引用
本申请要求2014年11月12日递交的临时美国申请序列No.62/078,628的权益和优先权，所述临时申请的公开以其全部并入本文。
背景
研磨机使用在许多行业中。一种类型的研磨机被使用来制备诸如金属、聚合物、陶瓷等的材料样品以用于进一步检查，如通过显微镜检查。
已知的研磨机包括样品或试样架，所述样品或试样架被配置以相对于也被配置成旋转的研磨介质旋转。以该方式，存在同时进行的两种旋转运动。流体(如水)被注射到研磨介质中，以润滑和冷却样品和介质并且除去杂物，如在研磨过程期间产生的研磨杂物。
Shewey等人的US 8,574,028中公开的一种已知的研磨机/抛光机包括头部，样品架被安装在所述头部以用于样品的旋转。样品被保持在研磨机的基部中的旋转盘或压盘(platen)上。盘或压盘具有粗糙表面，或者粗糙的流体介质被引入到压盘上，以实现样品制备。典型地，压盘上的粗糙表面是砂纸或其他可移除和可替换的介质。Shewey等人的公开，以及Hart的US 8,465,347和Hart的US 8,152,603的公开被共同转让给本申请，并且通过引用并入本文。
Shewey的研磨机和/抛光机的头部往复运动(朝向和远离压盘移动)以维持样品和压盘之间的预先确定的力。头部的往复移动是至少部分地基于来自被可操作地连接到试样架(经由卡盘和驱动轴)的称重传感器的输入确定的。
当用作研磨机时，砂轮被安装到压盘。在使用中，因为与试样的接触和试样的研磨，形成砂轮的磨料颗粒被磨损。结果，砂轮必须被“修整(dressed)”或重置表面(resurfaced)，以继续有效地制备样品。修整是使用臂在研磨操作期间进行的，所述臂在具有头端的轮的对面之上摆动，所述头端被安装到臂。臂呈弧形移动并且接触轮，以移除磨损区域并且露出能更有效地实现研磨的磨料的新表面。在已知的自动化研磨机***中，修整是在定时基础上进行的，而不管是否需要或逾期。
另外，已知的研磨机具有基部，其中安置有具有开放的顶部的压盘。即，压盘上方围绕着架上的试样的区域对于周围环境是开放的。而这使得可容易做到接近轮和/或压盘和试样，在操作期间它还可以导致飞溅以及杂物从研磨机喷出。
有时候，更换轮来进行不同的研磨操作也是常见的。例如，待制备的不同的材料(如钢和铝)可能需要使用不同类型的砂轮(不同的轮材料)。像这样，用于研磨钢的轮可以被移除，而随后用于研磨铝的轮被安设在研磨机中。当随后重新安设研磨钢的轮时，它可能会因为在所述轮被安设在压盘上时它的取向而需要修整或重新修整，以确保轮表面是平面的并且垂直于试样。否则，因为轮上相对于试样的高点和低点，研磨可能是不平坦的。确保轮上的平面表面的该附加的修整可以是耗时的，并且可以导致移除轮的还没有被消耗的部分和轮的对于研磨仍然有效的部分。
因此，存在对于改进的研磨机的需要。符合期望地，此类研磨机包括用于基于需要修整砂轮的自动化***。更符合期望地，此类研磨机包括试样之上的盖子，以减少飞溅和杂物喷出的量，但是允许即时接近砂轮。再更符合期望地，此类研磨机允许移除砂轮，并且以在重新安设期间维持轮的取向的方式重新安设该砂轮。
发明内容
一种样品研磨机包括基部，基部具有碗状物(bowl)和旋转驱动盘，以可操作地支撑砂轮。头部被配置以支撑试样架并且具有用于所述试样架的旋转驱动的第一驱动，以及用于使所述头部和所述试样架朝向和远离所述旋转驱动盘移动的第二驱动。所述头部具有下垂套管，所述下垂套管具有大于所述试样架的内和外周缘。
可移除的盖子被设置在所述碗状物和旋转驱动盘之上。所述盖子具有开口，所述开口具有大于所述套管的所述外周缘的内周缘，从而当所述试样架朝所述旋转驱动盘移动时，所述套管横穿过所述盖子开口。
所述盖子具有顶部，所述顶部为非平面的并且朝前侧拐角倾斜。所述套管可以由透明的或半透明的材料形成。
所述盖子可以包括流体递送歧管和与所述流体递送歧管流体连通的多个流体分发喷嘴。所述流体递送歧管可以被形成为所述盖子的一部分，并且所述流体分发喷嘴可以在所述流体递送歧管之上被安装到所述盖子。所述喷嘴可以被形成为盘中的开口，并且所述盘被安装到所述盖子的内侧表面。所述开口可以大体上沿所述盘的支座(line)被不对称地设置。所述基部中的流体递送导管与所述流体递送歧管流体连通。
一种砂轮具有中心轴线，并且可安装到所述压盘并且与所述压盘共轴。所述砂轮仅以单一径向取向安装到所述压盘，并且具有与所述压盘安装元件配合以允许仅以所述单一径向取向来安装所述砂轮的、在所述砂轮上的一个或更多个安装元件。所述砂轮最初被安装到所述压盘，从所述压盘被移除并且被重新安装到所述压盘，并且当所述砂轮被重新安装到所述压盘时，所述砂轮可以仅以与最初被安装到所述盘相同的径向取向被重新安装。
所述压盘安装元件和所述砂轮安装元件可以是，例如，配合的凸起和凹进。所述配合的凸起和凹进可以是销和孔。所述销可以被安置在所述压盘上，并且所述孔被形成在所述砂轮中。
在一实施例中，四个销被安置在所述压盘上，其中的三个被对称地设置在所述压盘上，而所述第四个销相对于所述三个对称地设置的销被不对称地设置在所述压盘上。所述砂轮包括被安置以与所述四个销配合的四个孔。
所述样品研磨机还可以包括修整***，所述修整***包括用于接触所述砂轮以修整所述砂轮的臂和硬化面。监控器监控所述驱动盘电动机和所述头部第一驱动中的一个或两个的电流。所述样品研磨机包括控制器。
所述监控器监控所述驱动盘电动机和所述头部第一驱动中的一个或两个消耗(drawn)的电流，并且所述修整***基于所述驱动盘电动机和所述头部第一驱动中的一个或两个消耗的所述电流降到预先确定的值以下而被致动。
在一实施例中，所述控制器确定研磨周期是否已开始，并且一旦开始，所述控制器启动修整操作。当所述控制器确定修整操作在进行中时，所述控制器监控并且捕获电流数据点，并且当所述控制器确定没有在进行修整操作时，所述控制器确定用于所述驱动盘电动机和/或所述头部第一驱动的预先确定的电流值。
从以下具体实施方式，连同权利要求书，本发明的这些和其他特征和优点将容易是明显的。
几幅附图的简要描述
在审阅以下具体实施方式和附图之后，对于相关领域的普通技术人员而言，本发明的益处和优点将更容易变得明显，其中；
图1是平面研磨机的实施例的立体图示说明；
图2的平面研磨机的立体示意性图示说明，其中示出头部处于下面的或研磨位置；
图3是类似于图1-2的那些平面研磨机的视图，其中头部被撤回并且旋转离开基部和盖子；
图4是类似于图3的视图，其中盖子被移除以便于观察砂轮，并且示出修整臂处于砂轮上的操作位置；
图5是类似于图4的视图，示出砂轮被移除以便于观察压盘；
图6和7是头部高度驱动组件的局部立体视图，并且使头部的部分被移除以清楚地图示说明；
图8是试样(旋转)驱动的一部分的立体视图，其中示出所述试样(旋转)驱动中的试样架和试样驱动组件轴；
图9是压盘驱动和驱动组件的分解视图；
图10A-10C是基部的底部和剖面视图，图10B和10C是分别沿图10A中的线10B-10B和10C-10C取的；
图11图示说明处于上面的或内缩位置的头部和套管；
图12是盖子的底面和盖子中的流体歧管进口和喷射喷嘴的图示说明；
图13是流体歧管和流体喷射喷嘴的局部放大的图示说明；
图14是基部的立体视图，其中盖子和砂轮被移除以用于清楚地图示说明压盘；
图15是砂轮的底部的图示说明；以及
图16是用于平面研磨机的操作方案的示例。
具体实施方式
尽管本装置容许各种形式的实施例，但是在附图中示出并且将在下文描述目前优选的实施例的条件是本公开被认为是示例，而不是旨在被限制到图示说明的具体实施例。
现在参考附图并且特别是参考图1-5，示出一种台式平面研磨机10。所述研磨机10一般地包括：基部12、头部14，以及与控制面板18连通的控制器16。基部12包括围合旋转压盘22的外壳20，以及用于所述压盘22的驱动***24。简略地参考图9和10A-10C，驱动***24包括驱动电动机26。在本实施例中，电动机26是被驱动皮带28可操作地连接到压盘22的交流电动机。
基部12限定形成碗状物32的顶部边缘的上缘部30。压盘22在碗状物的底部上方但在缘部30下方被安置在碗状物32中。碗状物32具有大体上D形的轮廓，以允许接近压盘22，以用于维护、移除等。砂轮34被安置在压盘22上。碗状物32的D形轮廓还允许即时接近砂轮34，以用于维护、移除等。
参考图4和14-15，砂轮34被安置在压盘22上并且被安装到所述压盘22，以用于与压盘22一起旋转。砂轮34和压盘22彼此共轴(即，拥有共同的轴线A)并且被这样配置，从而砂轮34可以仅以一个取向被安设在压盘22上或者被安装到压盘22。该单一取向的安装配置确保当轮34被移除和重新安设在压盘22上时，它每次均以完全相同的取向被重新安设。如将被本领域技术人员领会到的，每次均以相同的取向重新安设轮34的能力消除了每次轮被安设在压盘22上时重新修整所述轮34的需要。
在本实施例中，单一取向的安装***是通过多个定位销36A-D提供的，所述定位销36A-D中的一个36D被不对称地定位，并且所述定位销36A-D被接收在轮34中的配合定位孔38A-D中，所述定位孔38A-D中的一个38D被不对称地定位以接收不对称地定位的销36D。例如，轮34可以包括被定位在距轮34的中心轴线A等距离、彼此间隔120度的三个销36A-C，和被定位在轮34上的任何位置处的第四个销36D(如在图示说明的实施例中，沿三个销中的一个的径向线)；以及压盘22中用于接收销的配合孔38A-D。基本上，不对称的第四个销36D提供干扰安装的布置，从而阻止以将使所有四个销36A-D容纳在它们各自的配合孔38A-D中的一个取向之外的任何取向来安装轮34。单一紧固件40(如沉头螺栓)可以被使用来将轮34紧固到压盘22。
此类单一取向的安装布置有许多优点。例如，如上文指出的，一旦轮34被修整，它可以从压盘22被移除并且重新安设，而不需要进一步的修整或重新修整，除非需要对轮34重置表面。而且，用例如单个紧固件40将轮34容易并且快速地安设、移除和重新安设在压盘22上。
如图1-4和11中图示说明的，研磨机10包括被设置在碗状物32之上的盖子42。当在适当位置中时，盖子42遮盖碗状物32(包括轮34)。盖子42包括开口44，试样架46使试样移动穿过所述开口44与轮34接触。套管48被安置在头部14上，从所述头部14下垂在轴50周围和之上，试样架46被安装到轴50。套管48从头部14下垂到试样架46正上方的位置。
套管48具有稍微大于试样架46的直径的内直径，以及被配置以允许套管48与试样架46一起移动穿过盖子开口44的外直径(套管48的外直径刚好小于盖子开口44的直径)。以该方式，套管48和盖子开口44之间的间隙52足够小，以便减小或消除可能出现的飞溅。如图3和12中看到的，盖子42的前侧拐角54向下倾斜，以允许头部14(与被安装到所述头部14的试样架46一起)摆动远离盖子42和轮34，以用于容易地接近架46和轮34。密封件56可以被安置在盖子42的下边缘周围，其中盖子42被安置在基部12上，以进一步密封碗状物32。套管48可以由透明的或半透明的材料形成，以允许观察试样和轮34。
为了接近轮34和压盘22，盖子42被配置以用于从基部12容易地移除。在本实施例中，盖子42包括被安置在修整臂壳体60之上的、在盖子后面的有槽开口58。有槽开口58的边缘滑动到修整臂壳体60中的凹进62中，以将盖子42紧固在适当位置中。盖子42可以包括将盖子42紧固和锁定到基部12，并且允许在不使用工具的情况下移除和安设盖子42的夹具64。
当盖子42在基部12上的适当位置中时，盖子42中的开口66与流体供应导管68连通。导管68从基部12向上延伸到开口66中。密封件70被安置在导管68和开口66之间。流体(如水)从供应装置提供，穿过基部12，而进入到盖子42中的开口66中。
如上文指出的，适合的研磨机10的操作需要冷却/润滑流体。流体供应导管68经由盖子42中的流体递送歧管72向轮34供应冷却/润滑流体。在一实施例中，流体递送歧管72包括将流体喷射到轮34上的多个开口或喷嘴74。喷嘴74被安置来将期望的喷射模式的流体提供到轮34上。在一实施例中，九(9)个喷嘴74a-74i被布置来从歧管72喷射流体，其中第一喷嘴74a靠近流体入口(从导管68)，一组五个邻近的喷嘴74b-74f与第一喷嘴间隔开，第七个喷嘴74g与所述一组五个喷嘴间隔开，并且一组两个喷嘴74h、74i在约歧管72的端部处，最靠近轮34的中心。喷嘴74可以被形成在板76中，所述板76被安置在歧管72的部分上方并且形成所述歧管72的所述部分。
参考图1-9，头部14支撑并且使试样S旋转。头部14被可伸缩式支撑件78安装到基部12。头部14包含两个驱动***，一个驱动***80用于试样架46的旋转(参见图8)，而高度驱动***82用于头部14的上下移动(参见图6-7)，以使试样架46和试样S朝向和远离轮34移动。移动、旋转和高度由分开的***80、82提供。
参考图8，旋转驱动80被配置以使试样架46以或者顺时针方向或者逆时针方向旋转。在本研磨机10中，驱动***80是由电动机84驱动的齿轮驱动，然而，也可以使用直接驱动、皮带驱动等。将理解的是，当试样架46旋转驱动运转时，头部14是静止的。驱动***80包括具有齿轮88的罐状壳体86，所述齿轮88接合电动机齿轮90以使罐状壳体86旋转。
参考图6-7，高度驱动82是相对于轮34精确地安置试样架46和试样S的精确驱动。高度驱动82被固定地安装在头部14中。本研磨机10使用被正时皮带92可操作地连接到滑轮94(由皮带92驱动的)的伺服电动机。导螺杆96被安装到滑轮94，以用于与滑轮94一起旋转。导螺杆96被安装到固定的(相对于基部12和支撑件78)带螺纹的接收元件98，从而导螺杆96的旋转使头部14上下移动，从而使试样架46朝向和远离轮34移动。
研磨机10的进一步的精进是自动化修整***100。如上文指出的，当轮34被磨损时，即当磨料上的峰被磨损而峰之间的谷被试样材料充满(称作轮载入)时，进行修整以对轮34重置表面或修复。修整***100包括被安装到臂104的头端102，所述臂104呈弧形移动并且接触轮34，从而移除已载入区域(例如，磨损的和变钝的区域或磨料)，并且露出能更有效地实现研磨的磨料的新表面。通过移动臂104以从进行研磨操作的位置在轮34的对面之上摆动，在研磨操作期间进行修整。
修整***头端102具有接触并且移除轮34的磨损或变钝的区域的硬化面106。一个硬化面是牺牲金刚石(sacrificial diamond)修整面106。在已知的研磨***的操作中，在预先设定的时间进行修整，而不管实际上是否需要修整或者修整是否逾期。在前一个实例中，将领会到的是，修整太频繁会移除轮表面的对于研磨仍然有效的部分。在后者中，逾期修整可以导致太多的时间花费在研磨样品或乌无法适当地研磨上。而且，所需要的修整期是许多变量的函数，如试样材料、轮组成、轮速度、样品架速度等。
在本研磨机10的实施例中，修整是基于经测量的操作条件以及将那些操作条件与预先设定的值进行比较来进行的。一种基于操作条件修整轮34的此类方法是测量试样S和砂轮34之间的阻力，并且当所述阻力降到某个预先设定的值以下时，修整砂轮34。
可以以各种方式来监控所述阻力。在一个实施例中，阻力与操作或者压盘电动机26或头部电动机84(两个同时旋转的元件)需要的功率的量相关。功率与电动机26、84消耗的电流相关。所以，在应用中，测量阻力的一种方式是监控压盘26或头部电动机84消耗的电流。当电流下降到某个预先确定的水平以下时，这是降低阻力的指示，而修整将会自动开始。
图16中图示说明自动修整操作1000的流程图。在步骤1002中，研磨机周期开始，而在步骤1004中，启动重新修整操作。在步骤1006中，控制器监控重新修整操作是否在进行中。
如果修整操作在进行中，那么在步骤1008中，(电力)电流数据点(电动机上的工作荷载)被捕获并且储存在控制器中，并且操作返回到步骤1004和1006之间。
如果没有在进行修整操作，那么在步骤1010中，控制器确定启动下一次修整操作的最佳的电流触发点。在步骤1012中，控制器监控电流荷载是否达到荷载触发点。并且，如果已经达到触发点，则在步骤1004中，控制器启动修整操作。如果还没有达到触发点，则在步骤1012中，控制器继续监控电流荷载是否达到荷载触发点。
以该方式，仅当基于实际操作数据(通过监控压盘或头部电动机上的电流荷载捕获的数据)有需要时，才启动修整操作，而不是基于任意的、基于时间的测量。该特征提供具有最小的周期时间的最佳的工作荷载。
本文提到的所有专利都通过引用并入本文，无论在本公开的文本之内是否明确这样做。
在本公开中，单词“一个(a)”或“一个(an)”要被理解为包括单数和复数两者。相反地，对复数物品的任何提及在适当情况中都应该包括单数。
从前文中将会观察到，可以在不背离本公开的新颖的构思的真实精神和范围的情况下实现许多修改和变化。要理解，不能预期或不应该推测关于图示说明的具体实施例的限制。公开旨在覆盖落在发明的范围之内的所有此类修改。

Claims (20)

1.一种样品研磨机，所述样品研磨机包括：
基部，所述基部具有碗状物和旋转驱动盘，以可操作地支撑砂轮；
头部，所述头部被配置以支撑试样架并且具有用于所述试样架的旋转驱动的第一驱动，所述头部具有用于使所述头部和所述试样架朝向和远离所述旋转驱动盘移动的第二驱动，所述头部具有下垂套管，所述下垂套管具有内和外周缘，所述内周缘大于所述试样架的外周缘；以及
盖子，所述盖子被设置在所述碗状物和旋转驱动盘之上，所述盖子具有开口，所述开口具有大于所述套管的所述外周缘的内周缘，其中当所述试样架朝所述旋转驱动盘移动时，所述套管横穿过所述盖子开口。
2.如权利要求1所述的样品研磨机，其中所述盖子具有顶部，所述顶部为非平面的并且朝所述盖子的前侧拐角倾斜。
3.如权利要求1所述的样品研磨机，其中所述套管至少部分地由透明的或半透明的材料形成。
4.如权利要求1所述的样品研磨机，其中所述盖子包括流体递送歧管和与所述流体递送歧管流体连通的多个流体分发喷嘴。
5.如权利要求4所述的样品研磨机，其中所述流体递送歧管被形成为所述盖子的一部分，并且其中所述流体分发喷嘴在所述流体递送歧管之上被安装到所述盖子。
6.如权利要求5所述的样品研磨机，其中所述流体分发喷嘴被形成为盘中的开口，并且其中所述盘被安装到所述盖子的内侧表面。
7.如权利要求6所述的样品研磨机，其中所述盘中的所述开口大体上沿所述盘的支座被不对称地设置。
8.如权利要求5所述的样品研磨机，包括在所述基部中的与所述流体递送歧管流体连通的流体递送导管。
9.如权利要求1所述的样品研磨机，其中所述盖子可从所述基部移除。
10.如权利要求9所述的样品研磨机，包括紧固装置，以将所述盖子紧固到所述基部，所述紧固装置可在紧固位置和非紧固位置之间移动，并且其中当所述紧固装置处于非紧固位置时，所述盖子可在不使用工具的情况下从所述基部移除。
11.一种样品研磨机，所述样品研磨机包括：
基部，所述基部具有碗状物和旋转压盘，以可操作地支撑砂轮，所述旋转压盘具有中心轴线和在所述旋转压盘上的一个或更多个安装元件；
砂轮，所述砂轮具有中心轴线，所述砂轮可安装到所述压盘并且与所述压盘共轴，所述砂轮可仅以单一径向取向安装到所述压盘，所述砂轮具有与所述压盘安装元件配合以允许仅以所述单一径向取向来安装所述砂轮的、在所述砂轮上的一个或更多个安装元件，
其中所述砂轮最初被安装到所述压盘，从所述压盘被移除并且被重新安装到所述压盘，并且当所述砂轮被重新安装到所述压盘时，所述砂轮可以仅以与最初被安装到所述盘相同的径向取向被重新安装。
12.如权利要求11所述的样品研磨机，其中所述压盘安装元件和所述砂轮安装元件是配合的凸起和凹进。
13.如权利要求12所述的样品研磨机，其中所述配合的凸起和凹进是销和孔。
14.如权利要求13所述的样品研磨机，其中所述销被安置在所述压盘上，并且所述孔被形成在所述砂轮中。
15.如权利要求14所述的样品研磨机，包括被安置在所述压盘上的四个销，所述销中的三个被对称地设置在所述压盘上，而所述第四个销相对于所述三个对称地设置的销被不对称地设置在所述压盘上，所述砂轮包括被安置成与所述四个销配合的四个孔。
16.一种样品研磨机，所述样品研磨机包括：
基部，所述基部具有旋转驱动盘，以可操作地支撑砂轮，所述旋转驱动盘具有被可操作地连接到旋转驱动盘的驱动盘电动机，以驱动所述盘；
头部，所述头部被配置以支撑试样架并且具有用于所述试样架的旋转驱动的第一驱动，所述第一驱动具有电动机，所述头部具有用于使所述头部和所述试样架朝向和远离所述旋转驱动盘移动的第二驱动；
修整***，所述修整***包括用于接触所述砂轮以修整所述砂轮的臂和硬化面；
监控器，所述监控器用于监控所述驱动盘电动机和所述头部第一驱动中的一个或两个的电流；以及
控制器，
其中所述监控器监控所述驱动盘电动机和所述头部第一驱动中的一个或两个消耗的电流，并且其中所述修整***基于所述驱动盘电动机和所述头部第一驱动中的一个或两个消耗的所述电流降到预先确定的值以下而被致动。
17.如权利要求16所述的样品研磨机，其中所述控制器确定研磨周期是否已开始，并且一旦开始，所述控制器启动修整操作。
18.如权利要求17所述的样品研磨机，其中当所述控制器确定修整操作在进行中时，所述控制器监控并且捕获电流数据点，并且当所述控制器确定没有在进行修整操作时，所述控制器确定所述驱动盘电动机和所述头部第一驱动的预先确定的值。
19.如权利要求16所述的样品研磨机，其中所述监控器监控所述驱动盘电动机(26)消耗的所述电流。
20.如权利要求16所述的样品研磨机，其中所述监控器监控所述头部第一驱动消耗的所述电流。
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