CN102114611B - 基于半固着磨具双面抛光机控制系统 - Google Patents

Abstract

基于半固着磨具双面抛光机控制系统，包括传动系统部分、控制系统部分，所述传动系统部分包括驱动上半固着磨粒抛光盘升降的步进电机和驱动上下半固着磨粒抛光盘及内外齿圈旋转的直流无刷电机，所述控制系统部分包括控制主板，所述控制主板包括速度检测单元和压力位置检测单元，所述速度检测单元与步进电机及直流无刷电机相连，所述压力位置检测单元与半固着磨粒抛光盘相连。本发明的有益效果：加工余量去除的一致性，保证获得良好的表面质量和精度，步进电机实现上抛光盘的精确控制，实现平稳、高精度、高效率的抛光加工；采用自动控制设备操作的模式，以排除人为因素对加工质量的影响，保证高精度、稳定一致的加工质量。

Description

基于半固着磨具双面抛光机控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于半固着磨具双面抛光机控制系统。

背景技术

游离磨粒加工主要特点是以游离状态的磨粒对工件进行非强制性加工，加工质量对磨粒粒度分布均匀性要求很高。外界侵入的大颗粒或者研磨液中的磨粒易引起的工件表面缺陷，不能保证表面精度，同时限制了生产效率。这种加工方法磨粒利用率低、材料去除率低，但是可获得纳米级到亚纳米级的表面质量和几十纳米的加工变质层。固着磨粒加工特点是以固着状态的磨粒对工件进行强制性加工，磨粒利用率、材料去除率都较高，也可获得纳米级至亚纳米级的表面质量，加工变质层在微米等级。但是其加工精度主要依赖于高精度、高刚性的加工设备和超细磨粒砂轮，而超细磨粒砂轮的制备及其容屑空间的保持等问题尚没得到较好的解决。

游离磨粒和固着磨粒加工各有其优缺点，如何将这两种加工的优点相结合，国外研究者提出很多设想，也取得了一些的成果。1993年川田健二提出了高磨粒率低结合强度抛光砂轮，通过高磨粒率低进给量实现对工件的很浅切割，大大的降低工件表面损伤；这种采用低结合强度来实现磨具的自锐效果，打破传统磨具提高结合强度的定向思维。由于该磨具没有解决好自身抗破坏强度问题，容易出现磨具脱落现象，无法投入到实际生产当中。1995年SHIMADA等提出了一种采用半固态的磁性抛光体MPT（Magnetic compound fluid polishing tool）进行了超精密加工的方法，将磁性复合流体MCF（Magnetic compound fluid）和植物纤维、磨粒均匀混合后在磁场条件下压缩成抛光体，它在磁场作用下为半固态，然后用抛光体对工件进行加工。该方法使用微米级铁粉构成的抛光体对SUS430不锈钢进行抛光，获得了较好的表面。但是此方法对环境和设备要求较高，应用存在有一定局限性。浙江工业大学超精密实验室针对精密加工中硬质大颗粒造成工件表面损伤及精度与效率不可兼这一课题，提出具有“陷阱”效应的半固着磨粒磨具的概念。

半固着磨粒磨具及其“陷阱”效应

游离磨粒加工的理想状况是工件与磨具之间的磨粒粒度相当，磨粒上的载荷相等。但实际情况中磨粒粒度并不均匀，从工件上脱落的尺寸较大的磨屑（称之为大颗粒）或较大尺寸的磨粒进入加工区后，对刚性磨具（如陶瓷、铸铁等）来说，磨具表面没有变形，大颗粒与磨粒高度不等，大颗粒因载荷过大而破碎，在工件表面形成损伤，降低工件表面精度或者加工载荷由少量大颗粒承担，导致大颗粒对工件的切深增加从而形成划痕、凹陷等损伤。因此，通常采用软加工盘（沥青、铜、锡等材质）来缓解大颗粒对工件表面的损伤作用，对弹性磨具而言，磨具表层虽然以弹性变形方式使磨粒与硬质大颗粒高度相当，却不能使硬质大颗粒与磨粒上的载荷相同，同样也对表面造成损伤，目前只能通过靠提高加工环境的净化程度和磨粒尺寸的一致性，但仍旧无法从根本上解决这个问题，而且加工的成本较高。

为此浙江工业大学超精密加工实验室提出了半固着磨粒磨具的概念：半固着磨具主要由磨粒、孔隙、结合剂组成，但是磨具中的结合剂强度不大，当硬质大颗粒运动进入加工区时，硬质大颗粒周围磨粒则产生位置迁移，从而形成“陷阱”空间使硬质大颗粒与磨粒趋于相同高度。从磨具角度来看，磨具在大颗粒作用下的区域发生塑性变形而不是弹性变形，而对于其他大部分区域则发生弹性变形。因此，不但能够保证大颗粒对工件的载荷与磨粒的载荷基本相同，达到减轻或者避免大颗粒对工件表面造成损伤的目的，而且能够使磨具具有一定的保形能力，具有一定的刚性，以抵抗加工时所受外力，防止磨具加工时出现裂纹和脱落。

半固着磨粒磨具的“陷阱”效应区别于普通磨具的磨粒埋没现象。普通磨具磨粒的埋没现象是由于磨削点冷却不够充分，磨削热向着背后传导，热量使结合剂软化将磨粒埋没。磨粒埋没现象会使得磨具上磨粒突出量减少，甚至完全不能用于加工。而半固着磨粒磨具的“陷阱”效应是一种针对大颗粒的主动“陷阱”行为，当大颗粒陷入后，磨粒突出量仍然与普通磨粒几乎相同，因此不会影响去除率。

）半固着磨粒磨具加工

实现高效高精加工是超精密加工的一个重要发展趋势，超精密加工向着高精度方向发展，由目前的亚微米级发展到纳米级，最终实现原子级加工精度。高精是指形状精度高、表面质量好、表面损伤小；而高效则并不是狭隘的指材料去除率很高，高效应该体现的是达到所预期的表面精度所用最短时间短。传统上的去除效率与高精是相悖的，但是高效高精旨在以更快的速度达到更好的加工效果。

因此需要寻求一种新型的磨具，它不仅对硬质大颗粒具有“陷阱”效应，还应具有一定的材料去除率，在相同条件下最终加工效果比其它加工方式更好。所以通过高孔隙率、高磨粒率和适当结合强度来保证高精高效加工的实现，磨粒率高固然会使得磨粒切深变小，但相同时间内参与加工的磨粒数增多，能够弥补磨粒切深变小带来的去除率减小的影响。更为重要的是磨粒切深变小，工件表面损伤层也相应减小，从而提高工件表面质量，保证了表面精度。高孔隙率使磨具具有较多的容屑空间，能够有限的改善加工区域的冷却效果，同时有助于磨具“陷阱”效应的产生。适当的结合强度，这样就使得磨粒在没有被磨钝之前脱落，因而参与加工的磨粒都是很锋利的磨粒，从而保证磨具具有持续的加工能力。

发明内容

本发明的目的在于在半固着抛光盘的基础上实现石英晶片的高精度与高效加工，提供了一种自动化程度高的基于半固着磨具双面抛光机控制系统。

本发明的技术方案：

基于半固着磨具双面抛光机控制系统，其特征在于：包括传动系统部分、控制系统部分，所述传动系统部分包括驱动上半固着磨粒抛光盘升降的步进电机和驱动上下半固着磨粒抛光盘及内外齿圈旋转的直流无刷电机，所述控制系统部分包括控制主板，所述控制主板包括速度检测单元和压力位置检测单元，所述速度检测单元与步进电机及直流无刷电机相连，所述压力位置检测单元与半固着磨粒抛光盘相连；所述控制主板，用于控制步进电机的升降速度和直流无刷电机的开启，检测抛光速度、抛光压力、抛光液流量及加工时间；所述控制主板控制所述步进电机驱动上半固着磨粒抛光盘快降至距离下半固着磨粒抛光盘指定距离时开启抛光液，步进电机缓慢下降，检测抛光压力，所述抛光压力到达预设压力时，保持压力恒定，开启直流无刷电机进行工件加工，同时所述控制主板检测抛光速度、抛光压力、抛光液流量是否正常，当加工时间到达预设时间，停止直流无刷电机和关闭抛光液，上升步进电机，取出工件，加工结束。

进一步，所述步进电机设有加压系统和弹簧保压系统。

本发明的技术构思，为了保证半固着抛光盘转速平稳性，减少由于速度对石英晶片产生的内应力，避免石英晶片表面出现裂纹和损伤，本发明中采用直流无刷电机控制抛光盘转速。通过调节电枢端电压实现调速，即从电机额定转速向下变速或从额定电压往下降低电枢电压，属于恒转矩调速方法。主要优点是降压特性曲线是与固有特性相平行的一族直线，无论轻载、满载还是空载，其调速效果都很明显；降压特性曲线的硬度不变，低速时由所加负载变化引起的转速波动很小，静态稳定性较好，速度调节范围大；可以平滑地改变施加于电动机的端电压，从而实现平滑地调节转速和无极调速；电枢端电压调速方法调节过程中耗能量较小，这种调速方法广泛应用于对制、起动和调速性能要求较高的场合。

本发明中为实现半固着磨具双面抛光机自动加工，当抛光机接通电源后，设备及各检测系统进入工作状态。设备进入系统自检状态，检查控制板卡、电机驱动、各传感器、电路系统、气动系统等是否正常，如果一切正常，则准备开始加工工件；如果出现异常情况，控制主界面就会出现报警。先设置加工工件的相关工艺参数，一般情况下需要设置上下抛光盘、内外齿圈的转速，不同加工阶段的时间，各阶段的抛光压力等。调用设置好的工艺参数，开始自动加工，先步进电机驱动上磨盘快速下降，至下抛光盘3cm距离后步进电机继续缓慢下降，压力传感器不断将当前压力通过A/D采样传送给嵌入式微处理器，压力传感器所得压力与预设压力相同时，步进电机加压系统停止加压，并将压力存储在弹簧保压系统中，从而保证上研磨盘的压力恒定。四直流无刷电机启动进行工件加工，在工件加工过程中，系统一直监控抛光速度、抛光压力以及加工时间，一旦抛光速度、抛光压力、抛光液流量出现异常或者加工时间到达预先设定的值，则四个电机停止，工件加工停止。最后关闭抛光液，使步进电机驱动上抛光盘上升，到达能够卸工件位置停止，加工结束。

利用直流电机具有响应快速、较大的起动转矩，速度调节范围大，可以平滑地改变施加于电动机的端电压，实现平滑地调节转速和无极调速，可以保证晶片不因抛光盘速度改变时产生较大的冲击而使晶片产生内部应力，出现裂纹和破损，从而影响晶片的表面质量。

本发明中直流无刷电机控制流程，首先初始化控制板、直流电机驱动器、AD转换器，采样AD值延时，设置相应的脉冲宽度延时。

本发明与一般的铸铁抛光盘双面抛光机相比，区别在于本发明总体控制中采用新型半固着抛光盘对石英晶片等光电材料进行抛光，保证晶片的表面质量和批量加工的效率。

本发明的有益效果：(1) 各主轴抛光转速精度要求保持在±0.1 r/s以内，从而使工件加工总误差在1nm以内，保证加工余量去除的一致性。(2) 实现合理的抛光盘速度控制加工模式，避免抛光盘速度变化过大对工件产生内部应力，保证获得良好的表面质量和精度。 (3)步进电机实现上抛光盘的精确控制，实现平稳、高精度、高效率的抛光加工；(4) 采用自动控制设备操作的模式，以排除人为因素对加工质量的影响，保证高精度、稳定一致的加工质量。

附图说明

图1 是本发明的总控制框图。

图2 本发明的自动加工控制流程。

图3本发明的半固着磨具双面抛光加工原理。

图4-图7是本发明控制的半固着磨具与游离料加工的对比实验结果图。

图8是石英晶片在半固着磨具与游离料加工前后的显微图。

具体实施方式

参照图1-3，基于半固着磨具双面抛光机控制系统，包括传动系统部分、控制系统部分，所述传动系统部分包括驱动上半固着磨粒抛光盘升降的步进电机和驱动上下半固着磨粒抛光盘及内齿圈1、外齿圈2旋转的直流无刷电机，所述控制系统部分包括控制主板，所述控制主板包括速度检测单元和压力位置检测单元，所述速度检测单元与步进电机及直流无刷电机相连，所述压力位置检测单元与半固着磨粒抛光盘相连；所述控制主板，用于控制步进电机的升降速度和直流无刷电机的开启，检测抛光速度、抛光压力、抛光液流量及加工时间；所述控制主板控制所述步进电机驱动上半固着磨粒抛光盘快降至距离下半固着磨粒抛光盘3指定距离时开启抛光液，步进电机缓慢下降，检测抛光压力，所述抛光压力到达预设压力时，保持压力恒定，开启直流无刷电机进行工件4加工，同时所述控制主板检测抛光速度、抛光压力、抛光液流量是否正常，当加工时间到达预设时间，停止直流无刷电机和关闭抛光液，上升步进电机，取出工件4，加工结束。

所述步进电机设有加压系统和弹簧保压系统。

本发明的技术构思，为了保证半固着抛光盘转速平稳性，减少由于速度对石英晶片产生的内应力，避免石英晶片表面出现裂纹和损伤，本发明中采用直流无刷电机控制抛光盘转速。通过调节电枢端电压实现调速，即从电机额定转速向下变速或从额定电压往下降低电枢电压，属于恒转矩调速方法。主要优点是降压特性曲线是与固有特性相平行的一族直线，无论轻载、满载还是空载，其调速效果都很明显；降压特性曲线的硬度不变，低速时由所加负载变化引起的转速波动很小，静态稳定性较好，速度调节范围大；可以平滑地改变施加于电动机的端电压，从而实现平滑地调节转速和无极调速；电枢端电压调速方法调节过程中耗能量较小，这种调速方法广泛应用于对制、起动和调速性能要求较高的场合。

使用本发明控制系统的半固着磨具和游离磨粒加工(铸铁盘)对石英晶片进行了对比，半固着磨具采用1000#树脂结合剂磨具，游离磨粒加工使用1000#绿色碳化硅，在相同的加工参数，对比分析在不同速度、压力和抛光液流量下对石英晶片的表面质量和去除率的影响，结果如图4-7所示。

在载荷为0.75Kg，外齿圈转速为12rpm，内齿圈转速为-18rpm，上磨盘转速为-14rpm，下磨盘转速为35rpm，抛光液流量为25ml/min条件下，对比半固着抛光盘和铸铁盘加工石英晶片。通过对比两种加工方式，得出两者都能在很快的速度下达到稳定的加工质量，游离磨料加工时工件的去除率比半固着磨具加工时略高，但半固着磨具加工能达到更高的表面质量。取两种加工方式下工件的最终加工面进行对比，使用半固着磨具进行抛光所得到的工件的加工面比较光亮，光泽度明显较游离磨料加工高，加工一致性较好。使用游离磨料进行抛光所得到的工件表面粗糙度较高，表面较暗淡。

如图8（a）所示是石英晶片加工前的表面图。用显微镜观测加工后的石英晶片表面发现，半固着磨具加工后石英晶片表面几乎没有划痕，如图8(c)所示，而游离磨料加工后划痕较多且较深，如图8(b)所示，需要大量的后续加工时间。使用粗糙度仪对加工后的石英晶片进行了检测，半固着磨具加工后工件的表面粗糙度远远好于游离磨料加工。由此可知，半固着磨具加工达到的表面粗糙度远远好于游离磨料加工，并且其材料去除率基本接近游离磨料加工，因而从整个加工工艺而言，半固着磨粒加工大大提高了加工效率。采用半固着磨具和铸铁盘游离磨料对石英晶片加工进行对比，对比实验结果表明半固着磨具的加工去除率与游离磨粒加工相当，但却可以获得更低的表面粗糙度；半固着磨具加工后的工件损伤层较小，因而对其进行终抛光所需的时间比游离磨料加工后的工件再抛光所需的时间短很多，提高了加工效率，同时加工性能也有了很大的提高。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.基于半固着磨具双面抛光机控制系统，其特征在于：包括传动系统部分、控制系统部分，所述传动系统部分包括驱动上半固着磨粒抛光盘升降的步进电机和驱动上下半固着磨粒抛光盘及内外齿圈旋转的直流无刷电机，所述控制系统部分包括控制主板，所述控制主板包括速度检测单元和压力位置检测单元，所述速度检测单元与步进电机及直流无刷电机相连，所述压力位置检测单元与半固着磨粒抛光盘相连；所述控制主板，用于控制步进电机的升降速度和直流无刷电机的开启，检测抛光速度、抛光压力、抛光液流量及加工时间；所述控制主板控制所述步进电机驱动上半固着磨粒抛光盘快降至距离下半固着磨粒抛光盘指定距离时开启抛光液，步进电机缓慢下降，检测抛光压力，所述抛光压力到达预设压力时，保持压力恒定，开启直流无刷电机进行工件加工，同时所述控制主板检测抛光速度、抛光压力、抛光液流量是否正常，当加工时间到达预设时间，停止直流无刷电机和关闭抛光液，上升步进电机，取出工件，加工结束。

2.根据权利要求1所述的基于半固着磨具双面抛光机控制系统，其特征在于：所述步进电机设有加压系统和弹簧保压系统。

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