CN118204897A - 双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统及优化方法，涉及双面研磨加工技术领域。包括面型测量系统、磨盘修整模型系统和修整工艺优化系统，所述面型测量系统用于测量磨盘的平面度数据，并根据平面度信息判断当前磨盘的面型，计算修整量；所述磨盘修整模型系统包含修整轨迹模型和材料去除率模，分别用于计算修整轮在磨盘表面形成的修整轨迹和计算修整过程中修整轮对磨盘表面材料的去除率，结合磨盘所需修整量以确定修整时间；所述修整工艺优化系统用于将磨盘实时的面型和磨盘修整模型相结合，以根据当前的磨盘状态进行优化以获得最佳修整工艺参数及修整时间。通过本方案可以提高修整效率。

Description

双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统及优化方法

技术领域

本发明涉及双面研磨加工技术领域，具体而言，涉及一种双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统及优化方法。

背景技术

双面研磨是将工件放置于游星轮中，在中心轮的带动下工件做行星运动，同时在一定压力下上、下磨盘转动实现对工件上、下表面的材料去除。双面研磨不仅效率高，并且可以有效保证工件的面型精度和表面质量。因此，双面研磨作为一种常用的高效精密加工方法，广泛用于半导体衬底、导热基板、手机面板等薄片零件加工。然而，在双面研磨过程中，工件表面材料在被去除的同时，磨盘表面也会逐渐被磨损。由于双面研磨过程中行星运动的规律性使得磨盘表面磨损不均匀，随着磨盘表面面型误差变大，将严重影响工件的精度和一致性，当磨盘表面面型误差达到一定值后，磨盘必须进行修整。因此，磨盘的快速测量和修整对提高双面研磨效率非常重要。

目前，行业主要采用千分尺测量方式人工定期测量磨盘表面的平整度和面型，不仅效率低，而且容易受到操作者经验和技能水平的影响，无法保证平面度测量数据的准确性，同时后续修整也是凭经验，缺乏理论依据，不仅修整效率低，还容易发生过度修整或修整不完全的问题。发明专利CN114659474B公开了一种研磨盘平面度的检测方法、装置、设备和存储介质，其提出了一种快速测量的新方法，有效提升了双面研磨盘面型的测量效率和精度，但其无法将测量结果与修整工艺结合用于提升磨盘的修整效率，且双面研磨盘修整效率低、过修或修整不完全。

发明内容

本发明公开了一种双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统，旨在改善现有的双面磨盘修整效率低、过修或修整不完全问题。

本发明采用了如下方案：

本申请提供了一种双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统，所述磨盘包括上磨盘和下磨盘，包括面型测量系统、磨盘修整模型系统和修整工艺优化系统，其中，

所述面型测量系统用于测量磨盘的平面度数据，并根据平面度信息判断当前磨盘的面型，以及计算达到预设的平面度标准规范的磨盘所需要的修整量；

所述磨盘修整模型系统包含修整轨迹模型和材料去除率模型，所述修整轨迹模型用于计算修整轮在磨盘表面形成的修整轨迹；所述材料去除率模型基于修整轨迹的长度与上磨盘施加的压力计算修整过程中修整轮对磨盘表面材料的去除率，结合磨盘所需修整量以确定修整时间；

所述修整工艺优化系统用于将磨盘实时的面型和磨盘修整模型相结合，以根据当前的磨盘状态进行优化以获得最佳修整工艺参数及修整时间。

进一步地，所述面型测量系统采用激光位移传感器测量上磨盘和下磨盘的平面度数据，以分别获取N条所述上磨盘和下磨盘沿半径方向的原始数据，采用小波变换去除原始数据中磨盘表面磨粒、凹坑因素的干扰，以获取滤波数据，并各取其均值作为上磨盘和下磨盘的平面度曲线，采用多项式拟合法判断该状态下双面磨盘61的面型，并计算每个磨盘所需的修整量。

进一步地，所述的修整轨迹模型，其基于上磨盘转速、中心轮转速和下磨盘转速三个修整参数，以建立修整轮上一点磨粒A在磨盘表面形成的修整轨迹模型：

式中，r_p为中心轮与修整轮的中心距，θ为中心轮与修整轮的初始相位，Z₁为中心轮齿数，Z₂为修整轮载盘齿数，Z₃为外齿圈齿数，ω_c为中心轮转速，ω_d为磨盘转速，r为磨粒A与修整轮的中心距，φ为磨粒A与修整轮的初始相位，t为修整时间。

进一步地，其能对所述磨盘进行轨道划分，对所述修整轮进行网格划分，计算修整轮的磨粒在磨盘轨道B_i下运动的轨迹长度从而根据如下公式获得各轨道区域的轨迹密度：式中，为该轨道下磨盘的面积，ρ_Bi为轨迹密度；并计算不同转速比条件下轨迹密度的标准差作为轨迹均匀性VCSD的评价指标。

进一步地，所述材料去除率模型能基于修整轨迹模型和修整工艺的压力参数，计算修整轮修整不同磨盘轨道的材料去除率模型：

式中，为磨盘轨道B_i的材料去除率，η为磨粒轨迹重复率，s_ABC为磨粒轨迹横截面积、T为修整周期。

进一步地，所述修整工艺优化系统配置为能根据所述的修整轨迹模型，采用K-Means均值法将不同转速比条件下的轨迹密度进行分簇处理，然后计算上磨盘和下磨盘的平面度数据与各聚类中心的欧式距离，判断当前磨盘的平面度数据属于第几簇，并结合材料去除率模型和磨盘所需修整量，计算在该簇转速比条件下的修整时间t、修整过程中磨盘的材料去除量v、修整完成后磨盘的平面度high以及平面度数据与最佳平面度的欧氏距离d。

进一步地，通过如下优化算法模型获取最佳磨盘修整质量的综合评价指标：

f＝a₁×t′+a₂×v′+a₃×d′

式中，f磨盘修整质量的综合评价指标，a₁为修整时间的权重系数，a₂为磨盘材料去除量的权重系数，a₃为修整完成后平面度与最佳平面度的欧氏距离的权重系数，式中t′、v′、d′为归一化处理后t、v、d所对应的数据；通过计算当前磨盘的平面度数据所属簇条件下的f，对于t、v、d三组数据，其值越小对应的磨盘的修整质量越高，筛选出所属簇条件下的f的最小值作为该评价条件下的最佳修整工艺参数和修整时间。

本发明还提供了一种双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化方法，根据上述任意一项所述的双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统，包括如下步骤：

S1、利用所述面型测量系统测量磨盘的平面度数据，并根据平面度信息判断当前磨盘的面型，计算达到预设的平面度标准规范的磨盘所需要进行修整的修整量；

S2、利用所述磨盘修整模型系统的所述修整轨迹模型计算修整轮在磨盘表面形成的修整轨迹；利用所述材料去除率模型基于修整轨迹的长度与上磨盘施加的压力计算修整过程中修整轮对磨盘表面材料的去除率，结合磨盘所需修整量以确定修整时间；

S3、利用所述修整工艺优化系统将磨盘实时的面型和磨盘修整模型相结合，以根据当前的磨盘状态进行优化以获得最佳修整工艺参数及修整时间。

有益效果：

本发明方案通过激光传感器测量双面磨盘上下磨盘高精度的平面度数据，检测磨盘面型的变化，建立磨盘修整模型和工艺优化算法，根据当前磨盘面型状态确定最佳的修整工艺参数和修整时间。通过本发明用户可以实现修整一次磨盘即可达到磨盘所需平面度标准，有效减少多次修整和平面度检测的操作频率，在提高修整效率的同时保证磨盘表面的修整质量。

附图说明

图1为本发明实施例双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化方法的逻辑框图；

图2为面型测量过程中数据采集方式示意图；

图3为激光位移传感器采集的原始曲线；

图4为磨盘沿半径方向的平面度曲线；

图5为双面研磨盘用于判断面型的流程图；

图6为磨盘和修整轮进行轨道划分和网格划分示意图；

图7为不同转速比条件下的变化曲线；

图8为不同转速比条件下的磨盘修整轨迹曲线；

图9为修整轨迹分簇处理算法的流程图；

图10为磨盘修整前后平面度数据对比图；

附图标记：21－磨盘旋转方向；22－激光传感器探头移动方向；61－磨盘61；62－修整轮；63－中心轮。

具体实施方式

实施例1

结合图1，本实施例提供了一种双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统，所述磨盘61包括上磨盘和下磨盘，包括面型测量系统、磨盘修整模型系统和修整工艺优化系统，其中，所述面型测量系统用于测量磨盘的平面度数据，并根据平面度信息判断当前磨盘61的面型，以及计算达到预设的平面度标准规范的磨盘61所需要进行修整的修整量；所述磨盘修整模型系统包含修整轨迹模型和材料去除率模型，所述修整轨迹模型用于计算修整轮62在磨盘61表面形成的修整轨迹；所述材料去除率模型基于修整轨迹的长度与上磨盘施加的压力计算修整过程中修整轮62对磨盘表面材料的去除率，结合磨盘61所需修整量以确定修整时间；所述修整工艺优化系统用于将磨盘实时的面型和磨盘修整模型相结合，以根据当前的磨盘状态进行优化以获得最佳修整工艺参数及修整时间。

本实施例中，研究对象为磨盘61，所述磨盘61包括上磨盘和下磨盘，所述修整轮62为固结磨料形式的修整轮62。

所述面型测量系统采用激光位移传感器测量上下磨盘的平面度数据，数据采集方式如图2所示，分别获取N条上磨盘和下磨盘沿半径方向的原始数据，其中，21表示磨盘旋转方向；22表示激光传感器探头移动方向。如图3所示，通过分析得到原始数据中的干扰因素主要为磨盘61表面的磨粒、凹坑以及数据采集过程中振动因素的影响，采用小波分析以及小波重构剔除原始数据中的干扰因素影响获取滤波曲线，分别取上磨盘和下磨盘各N条滤波曲线的均值作为该磨盘的平面度曲线hig□，如图4所示。

如图5所示，为判断磨盘61的面型，采用轴对称法还原磨盘61直径上的平面度曲线，并采用多项式拟合法判断该状态下上磨盘和下磨盘的面型，计算达到平面度标准所需要进行修整的修整量□。

需要进行说明的是，所述面型测量系统可以独立存在，根据系统判断的面型可人工选择相应的修盘参数，也可与磨盘修整模型系统集成在一起以智能选择修盘参数。

所述修整轨迹模型基于上磨盘转速、中心轮63转速和下磨盘转速三个修整参数，建立修整轮62上一点磨粒A在磨盘上形成的修整轨迹模型：

式中，r_p为中心轮63与修整轮62的中心距，θ为中心轮63与修整轮62的初始相位，Z₁为中心轮63齿数，Z₂为修整轮62载盘齿数，Z₃为外齿圈齿数，ω_c为中心轮63转速，ω_d为磨盘转速，r为磨粒A与修整轮62的中心距，φ为磨粒A与修整轮62的初始相位，t为修整时间。

如图6所示，为评价不同转速比条件下磨盘上的修整轨迹，分别对所述磨盘和修整轮62进行轨道划分和网格划分，计算修整轮62磨粒在不同磨盘轨道B_i下形成的轨迹长度各轨道区域的轨迹密度：以及不同转速比条件下的轨迹密度均匀性VCSD，例如设置转速比K＝上(下)磨盘转速/中心轮63转速，不同转速比条件下，其VCSD变化如图7所示，部分轨迹密度曲线如图8所示。

根据所述修整轨迹模型和修整工艺的压力参数，建立修整轮62修整不同磨盘轨道的材料去除率模型：

式中，η为磨粒轨迹重复率，s_ABC为磨粒轨迹横截面积、T为修整周期。

如图9所示，根据所述的修整轨迹模型，采用K-Means均值法将不同转速比条件下的轨迹密度分成k簇，不同尺寸的磨盘和修整轮62对应的修整轨迹密度不同，因此对于簇的分配数值——k值是不同的，为提高算法的适用性，选择轮廓系数法自动确定磨盘轨迹密度的组数k的数量后，应用于各种尺寸的磨盘修整中。具体地，将不同转速比条件下的轨迹密度分成k簇后，分别计算上磨盘和下磨盘的平面度数据hig□与各组聚类中心的欧式距离D，判断此时的平面度数据属于第几簇。结合材料去除率模型和该磨盘所需修整量□，计算在该簇转速比条件下修整时间t、修整过程中磨盘的材料去除量v、修整完成后磨盘的平面度hig□以及平面度数据与最佳平面度的欧氏距离d。

需要说明的是，平面度数据与轨迹密度数据长度不同，需要对平面度数据进行数据长度处理和归一化处理。根据上述参数建立工艺优化模型：

f＝a₁×t′+a₂×v′+a₃×d′

式中，a₁为修整时间t的权重系数，a₂为磨盘材料去除量的权重系数，a₃为修整完成后平面度与最佳平面度的欧氏距离的权重系数。t′、v′、d′为t、v、d归一化处理后所对应的数据。

计算当前磨盘61的平面度数据所属簇条件下的f，对于t、v、d三组数据，其值越小对应的磨盘61的修整质量越高，筛选出所属簇条件下的f的最小值作为该评价条件下的最佳修整工艺参数和修整时间t_best。

如图10所示，优化后的修整参数能够很好地修整当前状态的磨盘61，并且由上述模型计算得到当前磨盘所需的修整时间：t_best＝228s<t_index＝746s，t_ibdex为根据磨盘给定的修整参数计算所得的修整时间。因此，优化后的修整参数在保证磨盘修整质量的同时提高了磨盘的修整效率。

当上磨盘和下磨盘的面型不同时，其修整参数不应相同，需分别选择相应最佳修整转速比后，保持中心轮63转速不变，改变上磨盘和下磨盘的转速即可修整上磨盘和下磨盘对应的面型。

同时双面研磨磨盘的上下磨盘平面度不同时，其修整时间也不同。若修整时间t_up>t_down，t_up为上磨盘修整时间，t_down为下磨盘修整时间，则以修整时间较长的为主，即t＝t_up，当修整时间达到t_down时，保持上磨盘的转速不变，改变下磨盘转速以所属簇条件下VCSD最小时的转速比进行均匀修整，防止下磨盘出现过修或反向修整的现象；若修整时间t_up<t_down，则以t_down为主，t＝t_up时改变上磨盘转速，下磨盘转速保持不变。

实施例2

本实施例提供了一种双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化方法，根据所述的双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统，包括如下步骤：

S1、利用所述面型测量系统测量磨盘的平面度数据，并根据平面度信息判断当前磨盘的面型，计算达到预设的平面度标准规范的磨盘所需要进行修整的修整量；

S2、利用所述磨盘修整模型系统的所述修整轨迹模型计算修整轮62在磨盘表面形成的修整轨迹；利用所述材料去除率模型基于修整轨迹的长度与上磨盘施加的压力计算修整过程中修整轮62对磨盘表面材料的去除率，结合磨盘所需修整量以确定修整时间；

S3、利用所述修整工艺优化系统将磨盘实时的面型和磨盘修整模型相结合，以根据当前的磨盘状态进行优化以获得最佳修整工艺参数及修整时间。

应当理解的是：以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

上面对实施方式中所使用的附图介绍仅示出了本发明的某些实施例，不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

Claims (8)

1.一种双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统，所述磨盘包括上磨盘和下磨盘，其特征在于，包括面型测量系统、磨盘修整模型系统和修整工艺优化系统，其中，

所述面型测量系统用于测量磨盘的平面度数据，并根据平面度信息判断当前磨盘的面型，以及计算达到预设的平面度标准规范的磨盘所需要的修整量；

所述磨盘修整模型系统包含修整轨迹模型和材料去除率模型，所述修整轨迹模型用于计算修整轮在磨盘表面形成的修整轨迹；所述材料去除率模型基于修整轨迹的长度与上磨盘施加的压力计算修整过程中修整轮对磨盘表面材料的去除率，结合磨盘所需修整量以确定修整时间；

所述修整工艺优化系统用于将磨盘实时的面型和磨盘修整模型相结合，以根据当前的磨盘状态进行优化以获得最佳修整工艺参数及修整时间。

2.根据权利要求1所述的双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统，其特征在于，所述面型测量系统采用激光位移传感器测量上磨盘和下磨盘的平面度数据，以分别获取N条所述上磨盘和下磨盘沿半径方向的原始数据，采用小波变换去除原始数据中磨盘表面磨粒、凹坑因素的干扰，以获取滤波数据，并各取其均值作为上磨盘和下磨盘的平面度曲线，采用多项式拟合法判断该状态下双面研磨盘的面型，并计算每个磨盘所需的修整量。

3.根据权利要求1所述的双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统，其特征在于，所述的修整轨迹模型，其基于上磨盘转速、中心轮转速和下磨盘转速三个修整参数，以建立修整轮上一点磨粒A在磨盘表面形成的修整轨迹模型：

式中，r_p为中心轮与修整轮的中心距，θ为中心轮与修整轮的初始相位，Z₁为中心轮齿数，Z₂为修整轮载盘齿数，Z₃为外齿圈齿数，ω_c为中心轮转速，ω_d为磨盘转速，r为磨粒A与修整轮的中心距，φ为磨粒A与修整轮的初始相位，t为修整时间。

4.根据权利要求3所述的双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统，其特征在于，其能对所述磨盘进行轨道划分，对所述修整轮进行网格划分，计算修整轮的磨粒在磨盘轨道B_i下运动的轨迹长度从而根据如下公式获得各轨道区域的轨迹密度：式中，为该轨道下磨盘的面积，为轨迹密度，并计算不同转速比条件下轨迹密度的标准差作为轨迹均匀性VCSD的评价指标。

5.根据权利要求4所述的双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统，其特征在于，所述材料去除率模型能基于修整轨迹模型和修整工艺的压力参数，计算修整轮修整不同磨盘轨道的材料去除率模型：

式中，η为磨粒轨迹重复率，s_ABC为磨粒轨迹横截面积、T为修整周期，为磨盘轨道B_i的材料去除率。

6.根据权利要求5所述的双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统，其特征在于，所述修整工艺优化系统配置为能根据所述的修整轨迹模型，采用K-Means均值法将不同转速比条件下的轨迹密度进行分簇处理，然后计算上磨盘和下磨盘的平面度数据与各聚类中心的欧式距离，判断当前磨盘的平面度数据属于第几簇，并结合材料去除率模型和磨盘所需修整量，计算在该簇转速比条件下的修整时间t、修整过程中磨盘的材料去除量v、修整完成后磨盘的平面度high以及平面度数据与最佳平面度的欧氏距离d。

7.根据权利要求6所述的双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统，其特征在于，通过如下优化算法模型获取最佳磨盘修整质量的综合评价指标：

f＝a₁×t′+a₂×v′+a₃×d′

式中，f磨盘修整质量的综合评价指标，为a₁为修整时间的权重系数，a₂为磨盘材料去除量的权重系数，a₃为修整完成后平面度与最佳平面度的欧氏距离的权重系数，式中t′、v′、d′为归一化处理后t、v、d所对应的数据；通过计算当前磨盘的平面度数据所属簇条件下的f，对于t、v、d三组数据，其值越小对应的磨盘的修整质量越高，筛选出所属簇条件下的f的最小值作为该评价条件下的最佳修整工艺参数和修整时间。

8.一种双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化方法，根据权利要求1-7任意一项所述的双面研磨磨盘面型测量及修整工艺优化系统，包括如下步骤：

S1、利用所述面型测量系统测量磨盘的平面度数据，并根据平面度信息判断当前磨盘的面型，计算达到预设的平面度标准规范的磨盘所需要进行修整的修整量；

S2、利用所述磨盘修整模型系统的所述修整轨迹模型计算修整轮在磨盘表面形成的修整轨迹；利用所述材料去除率模型基于修整轨迹的长度与上磨盘施加的压力计算修整过程中修整轮对磨盘表面材料的去除率，结合磨盘所需修整量以确定修整时间；

S3、利用所述修整工艺优化系统将磨盘实时的面型和磨盘修整模型相结合，以根据当前的磨盘状态进行优化以获得最佳修整工艺参数及修整时间。