周江峰,蔡?hào)|海,文東輝,尹林志

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

0 引 言

研拋加工是超精密加工技術(shù)其中一種，主要包括了研磨和拋光兩部分。其中，研磨是指將研磨液加到研磨盤上，通過研磨盤(一般為鑄鐵)與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行加工的方法，拋光原理與研磨類似，但拋光加工中所用的拋光磨粒粒徑比研磨中所用的小得多，而且研磨盤多采用軟質(zhì)材料。

Preston方程[1]指出，被加工工件表面材料去除率與壓力參數(shù)p成正比，即工件表面所受壓力越大，則工件材料去除率越高。因此，對(duì)研拋壓力的研究對(duì)研拋加工具有重要的意義。

在研拋加工過程中，由于研拋壓力是由研拋加載盤與工件的接觸變形產(chǎn)生的，對(duì)研拋加載力的最佳控制方法就是通過確定研拋加載盤與工件的相對(duì)位置，以此來達(dá)到對(duì)力的控制。同時(shí)，研拋加工過程中，保持研拋壓力恒定[2]可以進(jìn)一步提高研拋質(zhì)量，因此，對(duì)研拋裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制也是十分必要的。

目前的壓力加載系統(tǒng)有砝碼配重、機(jī)械式、氣動(dòng)式、電液式和其他加載系統(tǒng)。為了替換砝碼配重加載方法，必須選擇一種其他加載系統(tǒng)進(jìn)行研究，如氣動(dòng)式和電液式。為了獲得更好的控制精度，多采用昂貴的伺服閥，因此這里選用機(jī)械式加載方式。

本文對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制監(jiān)測(cè)軟、硬件系統(tǒng)進(jìn)行闡述。

1 研拋加工加載系統(tǒng)構(gòu)成

平面研磨拋光系統(tǒng)由一個(gè)旋轉(zhuǎn)的工件盤、承載拋光墊的研磨拋光盤和拋光液供給裝置三大部分組成。

在平面研磨拋光過程中，工件盤和研磨拋光盤以一定的速度旋轉(zhuǎn)，它們的偏心距保持不變或者按照某一規(guī)律變化，同時(shí)工件承受變化的載荷。研拋加工主要針對(duì)納米薄膜生長的硅片和氧化鋯陶瓷等脆性材料進(jìn)行拋光加工[3-4]，同時(shí)考慮還需要對(duì)光學(xué)玻璃、藍(lán)寶石[5]等光學(xué)電子元器件進(jìn)行加工。

因此，對(duì)新研制的研拋加工壓力加載提出以下幾個(gè)方面的功能和要求:

(1)拋光加載盤應(yīng)該具有自轉(zhuǎn)功能，工件需要承受變化的載荷，在研拋加工期間，對(duì)拋光負(fù)載施加80 N左右的載荷是最為合適的[6]；

(2)拋光過程中需要實(shí)時(shí)檢測(cè)施加載荷力的大小，測(cè)力傳感器能實(shí)現(xiàn)對(duì)加載壓力的測(cè)量與數(shù)據(jù)采集，有一定的反饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)拋光加工時(shí)的動(dòng)態(tài)平衡。因此，需要選用合適的傳感器，在控制上實(shí)現(xiàn)拋光加工的反饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

針對(duì)工件的研拋加工工藝要求，按上述功能和要求設(shè)計(jì)的研拋加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 研拋加工壓力加載平臺(tái)

圖1中的研拋加工系統(tǒng)平臺(tái)由：伺服電機(jī)及其伺服放大器、機(jī)架、升降機(jī)、彈簧均壓機(jī)構(gòu)、測(cè)力傳感器和控制計(jì)算機(jī)等組成。

壓力加載曲線示意圖如圖2所示。

圖2 壓力加載曲線示意圖

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是為了使得加載力按照壓力加載曲線動(dòng)作，其加載工作原理就是通過編寫程序控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)不同壓力的加載，從而可以改變不同階段的研拋力，進(jìn)而選擇最好的壓力加載曲線進(jìn)行研拋加工。

2 研拋加工加載系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1 伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器

研拋加載盤與工件的相對(duì)位置來達(dá)到對(duì)力的控制需要加載系統(tǒng)對(duì)位置精度控制要求很高，可以選用使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)(或給定值)的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)即伺服系統(tǒng)。伺服電機(jī)為研拋壓力提供位置進(jìn)給，且調(diào)速范圍較大則進(jìn)給距離的精度就更高。

基于三菱交流伺服系統(tǒng)有運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào)速范圍寬、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

該壓力加載平臺(tái)采用三菱伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)型號(hào)為HG-KN43BJ-S100。

具體參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 三菱伺服電機(jī)主要參數(shù)

2.2 彈簧均壓機(jī)構(gòu)

彈簧均壓機(jī)構(gòu)主要提供加載所需的壓力，由加載所需的壓力決定彈簧的彈性系數(shù)，從而完成彈簧的選型。

彈簧均壓機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 彈簧均壓機(jī)構(gòu)1-導(dǎo)桿螺釘;2-軸承;3-中間板;4-彈簧;5-底板;6-導(dǎo)桿;7-軸承安裝板;8-調(diào)節(jié)螺釘;9-檔板

其中，具體的零部件有導(dǎo)桿螺釘、軸承、中間板、彈簧、底板、導(dǎo)桿、軸承安裝板、調(diào)節(jié)螺釘、檔板。

調(diào)節(jié)螺釘可以用來調(diào)節(jié)間隙，使得彈簧處于適當(dāng)位置。

2.3 主驅(qū)動(dòng)式拋光頭機(jī)構(gòu)

這里采用定偏心主動(dòng)驅(qū)動(dòng)單面研磨方式[7-8]，為了使得拋光頭可旋轉(zhuǎn)，故筆者選用了浮動(dòng)接頭用來連接拋光頭。

3 研拋加工加載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該壓力加載平臺(tái)的硬件系統(tǒng)主要包括PCI1240U運(yùn)動(dòng)控制卡、接線端子ADAM-3952、三菱伺服電機(jī)HG-KN43BJ-S100、伺服驅(qū)動(dòng)器MR-JE-40A、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、人機(jī)界面、開關(guān)安鈕以及測(cè)力傳感器等。其中的接線端子與伺服放大器的接線如圖4所示。

圖4 硬件連線圖

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是人機(jī)界面(HMI)的設(shè)計(jì)，又稱用戶界面，是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話接口。

該研拋加工壓力加載平臺(tái)的的人機(jī)界面使用LabVIEW編寫，主要包括壓力采集數(shù)據(jù)模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過LabVIEW編寫壓力加載數(shù)據(jù)采集程序和電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。

程序界面如圖5所示。

圖5 LabVIEW軟件界面

3.3 壓力檢測(cè)系統(tǒng)

壓力檢測(cè)系統(tǒng)主要由測(cè)力傳感器、外接變送器、數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件組成。測(cè)力傳感器可以采集到具體壓力，通過外接變送器放大信號(hào)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡存儲(chǔ)到LabVIEW軟件中，并且繪制出壓力加載曲線[9]。

測(cè)力傳感器的具體參數(shù)如表2所示。

表2 測(cè)力傳感器主要參數(shù)

該測(cè)量系統(tǒng)主要包括測(cè)力傳感器的采集、信號(hào)放大調(diào)理為電壓信號(hào)0～10 V、采集與存儲(chǔ)，測(cè)力傳感器可以直接測(cè)量加載盤與拋光盤的壓力，測(cè)力傳感器信號(hào)被調(diào)理放大后，通過USB電壓數(shù)據(jù)信號(hào)采集卡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)研拋加工過程中壓力加載的實(shí)時(shí)測(cè)量。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該實(shí)驗(yàn)搭建的用于研拋加工的加載系統(tǒng)平臺(tái)，是在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有Nano-Max單面研磨拋光機(jī)上搭建的壓力動(dòng)態(tài)加載的定偏心被動(dòng)驅(qū)動(dòng)單面研磨拋光裝置。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了若干片硅片用石蠟粘貼于材質(zhì)為陶瓷盤的基盤上，并在研磨盤上貼拋光墊，準(zhǔn)備W7，W2.5，W0.5的氧化鋁研磨料分別配置成濃度20%的研磨液(以去離子水配置)。

針對(duì)10 mm×10 mm×1 mm的硅片，筆者用上述LabVIEW軟件制定相應(yīng)的壓力加載曲線，研磨盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為10 r/min。

在預(yù)拋階段，加入W7的研磨液，設(shè)置預(yù)拋力為80 N，拋光時(shí)間為3 min；

在預(yù)拋階段，加入W3.5的研磨液，設(shè)置粗拋力為120 N，拋光時(shí)間為8 min；

在預(yù)拋階段，加入W0.5的研磨液，設(shè)置精拋力為80 N，拋光時(shí)間為10 min。

整個(gè)過程總時(shí)長大約30 min，最終得到濾波后的壓力變化曲線采集圖如圖7所示。

圖7 壓力變化曲線采集圖

本研究在采集壓力過程中發(fā)現(xiàn)力并不是一個(gè)數(shù)值，而是圍繞著一個(gè)數(shù)值上下波動(dòng)，可以稱為振動(dòng)。這種振動(dòng)是由于研拋工具的制造誤差和研拋工具盤與工件表面接觸產(chǎn)生的微小振動(dòng)引起的。

因此，振動(dòng)無法避免，后期可以采用更加優(yōu)化的機(jī)械結(jié)構(gòu)，還可以通過模糊控制方法減小外界干擾，使研拋壓力趨近理想的壓力值，保證特定壓力范圍內(nèi)的恒壓力研拋加工。

5 結(jié)束語

本研究開發(fā)的壓力加載控制系統(tǒng)主要由三菱伺服電機(jī)及其伺服放大器、機(jī)架、升降機(jī)、彈簧加壓工具、測(cè)力傳感器和控制計(jì)算機(jī)等組成。該壓力加載控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，同時(shí)采用LabVIEW人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)人性化、規(guī)范化，實(shí)現(xiàn)了需要完成的變化曲線功能。在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上對(duì)研拋加工實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。

研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加載系統(tǒng)的壓力參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的壓力加載變化曲線功能，系統(tǒng)故障斷路響應(yīng)迅速、可靠性高。

該系統(tǒng)平臺(tái)的建立為不同工件的研拋加工壓力加載奠定了基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了基于力控制的研拋加工，保證了研拋加工的工件質(zhì)量，提高了工件的加工效率。