專利名稱：基于半固著磨具雙面拋光機控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于半固著磨具雙面拋光機控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
游離磨粒加工主要特點是以游離狀態(tài)的磨粒對工件進行非強制性加工，加工質(zhì)量 對磨粒粒度分布均勻性要求很高。外界侵入的大顆?；蛘哐心ヒ褐械哪チＲ滓鸬墓ぜ?面缺陷，不能保證表面精度，同時限制了生產(chǎn)效率。這種加工方法磨粒利用率低、材料去除 率低，但是可獲得納米級到亞納米級的表面質(zhì)量和幾十納米的加工變質(zhì)層。固著磨粒加工 特點是以固著狀態(tài)的磨粒對工件進行強制性加工，磨粒利用率、材料去除率都較高，也可獲 得納米級至亞納米級的表面質(zhì)量，加工變質(zhì)層在微米等級。但是其加工精度主要依賴于高 精度、高剛性的加工設(shè)備和超細磨粒砂輪，而超細磨粒砂輪的制備及其容屑空間的保持等 問題尚沒得到較好的解決。游離磨粒和固著磨粒加工各有其優(yōu)缺點，如何將這兩種加工的優(yōu)點相結(jié)合，國外 研究者提出很多設(shè)想，也取得了一些的成果。1993年川田健二提出了高磨粒率低結(jié)合強度 拋光砂輪，通過高磨粒率低進給量實現(xiàn)對工件的很淺切割，大大的降低工件表面損傷；這種 采用低結(jié)合強度來實現(xiàn)磨具的自銳效果，打破傳統(tǒng)磨具提高結(jié)合強度的定向思維。由于該 磨具沒有解決好自身抗破壞強度問題，容易出現(xiàn)磨具脫落現(xiàn)象，無法投入到實際生產(chǎn)當中。 1995年SHIMADA等提出了一種采用半固態(tài)的磁性拋光體MPT (Magnetic compound fluid polishing tool)進行了超精密加工的方法，將磁性復(fù)合流體MCF (Magnetic compound fluid)和植物纖維、磨粒均勻混合后在磁場條件下壓縮成拋光體，它在磁場作用下為半固 態(tài)，然后用拋光體對工件進行加工。該方法使用微米級鐵粉構(gòu)成的拋光體對SUS430不銹鋼 進行拋光，獲得了較好的表面。但是此方法對環(huán)境和設(shè)備要求較高，應(yīng)用存在有一定局限 性。浙江工業(yè)大學(xué)超精密實驗室針對精密加工中硬質(zhì)大顆粒造成工件表面損傷及精度與效 率不可兼這一課題，提出具有“陷阱”效應(yīng)的半固著磨粒磨具的概念。半固著磨粒磨具及其“陷阱”效應(yīng)
游離磨粒加工的理想狀況是工件與磨具之間的磨粒粒度相當，磨粒上的載荷相等。但 實際情況中磨粒粒度并不均勻，從工件上脫落的尺寸較大的磨屑(稱之為大顆粒)或較大尺 寸的磨粒進入加工區(qū)后，對剛性磨具(如陶瓷、鑄鐵等)來說，磨具表面沒有變形，大顆粒與 磨粒高度不等，大顆粒因載荷過大而破碎，在工件表面形成損傷，降低工件表面精度或者加 工載荷由少量大顆粒承擔，導(dǎo)致大顆粒對工件的切深增加從而形成劃痕、凹陷等損傷。因 此，通常采用軟加工盤(浙青、銅、錫等材質(zhì))來緩解大顆粒對工件表面的損傷作用，對彈性 磨具而言，磨具表層雖然以彈性變形方式使磨粒與硬質(zhì)大顆粒高度相當，卻不能使硬質(zhì)大 顆粒與磨粒上的載荷相同，同樣也對表面造成損傷，目前只能通過靠提高加工環(huán)境的凈化 程度和磨粒尺寸的一致性，但仍舊無法從根本上解決這個問題，而且加工的成本較高。為此浙江工業(yè)大學(xué)超精密加工實驗室提出了半固著磨粒磨具的概念半固著磨具 主要由磨粒、孔隙、結(jié)合劑組成，但是磨具中的結(jié)合劑強度不大，當硬質(zhì)大顆粒運動進入加
3工區(qū)時，硬質(zhì)大顆粒周圍磨粒則產(chǎn)生位置遷移，從而形成“陷阱”空間使硬質(zhì)大顆粒與磨粒 趨于相同高度。從磨具角度來看，磨具在大顆粒作用下的區(qū)域發(fā)生塑性變形而不是彈性變 形，而對于其他大部分區(qū)域則發(fā)生彈性變形。因此，不但能夠保證大顆粒對工件的載荷與磨 粒的載荷基本相同，達到減輕或者避免大顆粒對工件表面造成損傷的目的，而且能夠使磨 具具有一定的保形能力，具有一定的剛性，以抵抗加工時所受外力，防止磨具加工時出現(xiàn)裂 紋和脫落。半固著磨粒磨具的“陷阱”效應(yīng)區(qū)別于普通磨具的磨粒埋沒現(xiàn)象。普通磨具磨粒 的埋沒現(xiàn)象是由于磨削點冷卻不夠充分，磨削熱向著背后傳導(dǎo)，熱量使結(jié)合劑軟化將磨粒 埋沒。磨粒埋沒現(xiàn)象會使得磨具上磨粒突出量減少，甚至完全不能用于加工。而半固著磨 粒磨具的“陷阱”效應(yīng)是一種針對大顆粒的主動“陷阱”行為，當大顆粒陷入后，磨粒突出量 仍然與普通磨粒幾乎相同，因此不會影響去除率。)半固著磨粒磨具加工
實現(xiàn)高效高精加工是超精密加工的一個重要發(fā)展趨勢，超精密加工向著高精度方向發(fā) 展，由目前的亞微米級發(fā)展到納米級，最終實現(xiàn)原子級加工精度。高精是指形狀精度高、表 面質(zhì)量好、表面損傷??；而高效則并不是狹隘的指材料去除率很高，高效應(yīng)該體現(xiàn)的是達到 所預(yù)期的表面精度所用最短時間短。傳統(tǒng)上的去除效率與高精是相悖的，但是高效高精旨 在以更快的速度達到更好的加工效果。因此需要尋求一種新型的磨具，它不僅對硬質(zhì)大顆粒具有“陷阱”效應(yīng)，還應(yīng)具有 一定的材料去除率，在相同條件下最終加工效果比其它加工方式更好。所以通過高孔隙率、 高磨粒率和適當結(jié)合強度來保證高精高效加工的實現(xiàn)，磨粒率高固然會使得磨粒切深變 小，但相同時間內(nèi)參與加工的磨粒數(shù)增多，能夠彌補磨粒切深變小帶來的去除率減小的影 響。更為重要的是磨粒切深變小，工件表面損傷層也相應(yīng)減小，從而提高工件表面質(zhì)量，保 證了表面精度。高孔隙率使磨具具有較多的容屑空間，能夠有限的改善加工區(qū)域的冷卻效 果，同時有助于磨具“陷阱”效應(yīng)的產(chǎn)生。適當?shù)慕Y(jié)合強度，這樣就使得磨粒在沒有被磨鈍 之前脫落，因而參與加工的磨粒都是很鋒利的磨粒，從而保證磨具具有持續(xù)的加工能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于在半固著拋光盤的基礎(chǔ)上實現(xiàn)石英晶片的高精度與高效加工， 提供了一種自動化程度高的基于半固著磨具雙面拋光機控制系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案
基于半固著磨具雙面拋光機控制系統(tǒng)，其特征在于包括傳動系統(tǒng)部分、控制系統(tǒng)部 分，所述傳動系統(tǒng)部分包括驅(qū)動上半固著磨粒拋光盤升降的步進電機和驅(qū)動上下半固著磨 粒拋光盤及內(nèi)外齒圈旋轉(zhuǎn)的直流無刷電機，所述控制系統(tǒng)部分包括控制主板，所述控制主 板包括速度檢測單元和壓力位置檢測單元，所述速度檢測單元與步進電機及直流無刷電機 相連，所述壓力位置檢測單元與半固著磨粒拋光盤相連；所述控制主板，用于控制步進電 機的升降速度和直流無刷電機的開啟，檢測拋光速度、拋光壓力、拋光液流量及加工時間； 所述控制主板控制所述步進電機驅(qū)動上半固著磨粒拋光盤快降至距離下半固著磨粒拋光 盤指定距離時開啟拋光液，步進電機緩慢下降，檢測拋光壓力，所述拋光壓力到達預(yù)設(shè)壓力 時，保持壓力恒定，開啟直流無刷電機進行工件加工，同時所述控制主板檢測拋光速度、拋光壓力、拋光液流量是否正常，當加工時間到達預(yù)設(shè)時間，停止直流無刷電機和關(guān)閉拋光 液，上升步進電機，取出工件，加工結(jié)束。進一步，所述步進電機設(shè)有加壓系統(tǒng)和彈簧保壓系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思，為了保證半固著拋光盤轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性，減少由于速度對石英晶 片產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，避免石英晶片表面出現(xiàn)裂紋和損傷，本發(fā)明中采用直流無刷電機控制拋 光盤轉(zhuǎn)速。通過調(diào)節(jié)電樞端電壓實現(xiàn)調(diào)速，即從電機額定轉(zhuǎn)速向下變速或從額定電壓往下 降低電樞電壓，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。主要優(yōu)點是降壓特性曲線是與固有特性相平行的一 族直線，無論輕載、滿載還是空載，其調(diào)速效果都很明顯；降壓特性曲線的硬度不變，低速時 由所加負載變化引起的轉(zhuǎn)速波動很小，靜態(tài)穩(wěn)定性較好，速度調(diào)節(jié)范圍大；可以平滑地改變 施加于電動機的端電壓，從而實現(xiàn)平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和無極調(diào)速；電樞端電壓調(diào)速方法調(diào)節(jié) 過程中耗能量較小，這種調(diào)速方法廣泛應(yīng)用于對制、起動和調(diào)速性能要求較高的場合。本發(fā)明中為實現(xiàn)半固著磨具雙面拋光機自動加工，當拋光機接通電源后，設(shè)備及 各檢測系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。設(shè)備進入系統(tǒng)自檢狀態(tài)，檢查控制板卡、電機驅(qū)動、各傳感器、電 路系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)等是否正常，如果一切正常，則準備開始加工工件；如果出現(xiàn)異常情況，控 制主界面就會出現(xiàn)報警。先設(shè)置加工工件的相關(guān)工藝參數(shù)，一般情況下需要設(shè)置上下拋光 盤、內(nèi)外齒圈的轉(zhuǎn)速，不同加工階段的時間，各階段的拋光壓力等。調(diào)用設(shè)置好的工藝參數(shù)， 開始自動加工，先步進電機驅(qū)動上磨盤快速下降，至下拋光盤3cm距離后步進電機繼續(xù)緩 慢下降，壓力傳感器不斷將當前壓力通過A/D采樣傳送給嵌入式微處理器，壓力傳感器所 得壓力與預(yù)設(shè)壓力相同時，步進電機加壓系統(tǒng)停止加壓，并將壓力存儲在彈簧保壓系統(tǒng)中， 從而保證上研磨盤的壓力恒定。四直流無刷電機啟動進行工件加工，在工件加工過程中，系 統(tǒng)一直監(jiān)控拋光速度、拋光壓力以及加工時間，一旦拋光速度、拋光壓力、拋光液流量出現(xiàn) 異?；蛘呒庸r間到達預(yù)先設(shè)定的值，則四個電機停止，工件加工停止。最后關(guān)閉拋光液， 使步進電機驅(qū)動上拋光盤上升，到達能夠卸工件位置停止，加工結(jié)束。利用直流電機具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩，速度調(diào)節(jié)范圍大，可以平滑地改變 施加于電動機的端電壓，實現(xiàn)平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和無極調(diào)速，可以保證晶片不因拋光盤速度 改變時產(chǎn)生較大的沖擊而使晶片產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，出現(xiàn)裂紋和破損，從而影響晶片的表面質(zhì) 量。本發(fā)明中直流無刷電機控制流程，首先初始化控制板、直流電機驅(qū)動器、AD轉(zhuǎn)換 器，采樣AD值延時，設(shè)置相應(yīng)的脈沖寬度延時。本發(fā)明與一般的鑄鐵拋光盤雙面拋光機相比，區(qū)別在于本發(fā)明總體控制中采用新 型半固著拋光盤對石英晶片等光電材料進行拋光，保證晶片的表面質(zhì)量和批量加工的效率。本發(fā)明的有益效果(1)各主軸拋光轉(zhuǎn)速精度要求保持在士0. 1 r/s以內(nèi)，從而 使工件加工總誤差在Inm以內(nèi)，保證加工余量去除的一致性。(2)實現(xiàn)合理的拋光盤速度 控制加工模式，避免拋光盤速度變化過大對工件產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，保證獲得良好的表面質(zhì)量 和精度。(3)步進電機實現(xiàn)上拋光盤的精確控制，實現(xiàn)平穩(wěn)、高精度、高效率的拋光加工； (4)采用自動控制設(shè)備操作的模式，以排除人為因素對加工質(zhì)量的影響，保證高精度、穩(wěn)定 一致的加工質(zhì)量。


圖1是本發(fā)明的總控制框圖。圖2本發(fā)明的自動加工控制流程。圖3本發(fā)明的半固著磨具雙面拋光加工原理。圖4-圖7是本發(fā)明控制的半固著磨具與游離料加工的對比實驗結(jié)果圖。圖8是石英晶片在半固著磨具與游離料加工前后的顯微圖。
具體實施例方式參照圖1-3，基于半固著磨具雙面拋光機控制系統(tǒng)，包括傳動系統(tǒng)部分、控制系統(tǒng) 部分，所述傳動系統(tǒng)部分包括驅(qū)動上半固著磨粒拋光盤升降的步進電機和驅(qū)動上下半固著 磨粒拋光盤及內(nèi)齒圈1、外齒圈2旋轉(zhuǎn)的直流無刷電機，所述控制系統(tǒng)部分包括控制主板， 所述控制主板包括速度檢測單元和壓力位置檢測單元，所述速度檢測單元與步進電機及直 流無刷電機相連，所述壓力位置檢測單元與半固著磨粒拋光盤相連；所述控制主板，用于控 制步進電機的升降速度和直流無刷電機的開啟，檢測拋光速度、拋光壓力、拋光液流量及加 工時間；所述控制主板控制所述步進電機驅(qū)動上半固著磨粒拋光盤快降至距離下半固著磨 粒拋光盤3指定距離時開啟拋光液，步進電機緩慢下降，檢測拋光壓力，所述拋光壓力到達 預(yù)設(shè)壓力時，保持壓力恒定，開啟直流無刷電機進行工件4加工，同時所述控制主板檢測拋 光速度、拋光壓力、拋光液流量是否正常，當加工時間到達預(yù)設(shè)時間，停止直流無刷電機和 關(guān)閉拋光液，上升步進電機，取出工件4，加工結(jié)束。所述步進電機設(shè)有加壓系統(tǒng)和彈簧保壓系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思，為了保證半固著拋光盤轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性，減少由于速度對石英晶 片產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，避免石英晶片表面出現(xiàn)裂紋和損傷，本發(fā)明中采用直流無刷電機控制拋 光盤轉(zhuǎn)速。通過調(diào)節(jié)電樞端電壓實現(xiàn)調(diào)速，即從電機額定轉(zhuǎn)速向下變速或從額定電壓往下 降低電樞電壓，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。主要優(yōu)點是降壓特性曲線是與固有特性相平行的一 族直線，無論輕載、滿載還是空載，其調(diào)速效果都很明顯；降壓特性曲線的硬度不變，低速時 由所加負載變化引起的轉(zhuǎn)速波動很小，靜態(tài)穩(wěn)定性較好，速度調(diào)節(jié)范圍大；可以平滑地改變 施加于電動機的端電壓，從而實現(xiàn)平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和無極調(diào)速；電樞端電壓調(diào)速方法調(diào)節(jié) 過程中耗能量較小，這種調(diào)速方法廣泛應(yīng)用于對制、起動和調(diào)速性能要求較高的場合。使用本發(fā)明控制系統(tǒng)的半固著磨具和游離磨粒加工(鑄鐵盤)對石英晶片進行了 對比，半固著磨具采用1000#樹脂結(jié)合劑磨具，游離磨粒加工使用1000#綠色碳化硅，在相 同的加工參數(shù)，對比分析在不同速度、壓力和拋光液流量下對石英晶片的表面質(zhì)量和去除 率的影響，結(jié)果如圖4-7所示。在載荷為0. 75Kg，外齒圈轉(zhuǎn)速為12rpm，內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速為-18rpm，上磨盤轉(zhuǎn)速 為_14rpm，下磨盤轉(zhuǎn)速為35rpm，拋光液流量為25ml/min條件下，對比半固著拋光盤和鑄鐵 盤加工石英晶片。通過對比兩種加工方式，得出兩者都能在很快的速度下達到穩(wěn)定的加工 質(zhì)量，游離磨料加工時工件的去除率比半固著磨具加工時略高，但半固著磨具加工能達到 更高的表面質(zhì)量。取兩種加工方式下工件的最終加工面進行對比，使用半固著磨具進行拋 光所得到的工件的加工面比較光亮，光澤度明顯較游離磨料加工高，加工一致性較好。使用 游離磨料進行拋光所得到的工件表面粗糙度較高，表面較暗淡。
如圖8 (a)所示是石英晶片加工前的表面圖。用顯微鏡觀測加工后的石英晶片表 面發(fā)現(xiàn)，半固著磨具加工后石英晶片表面幾乎沒有劃痕，如圖8 (c)所示，而游離磨料加工 后劃痕較多且較深，如圖8(b)所示，需要大量的后續(xù)加工時間。使用粗糙度儀對加工后的 石英晶片進行了檢測，半固著磨具加工后工件的表面粗糙度遠遠好于游離磨料加工。由此 可知，半固著磨具加工達到的表面粗糙度遠遠好于游離磨料加工，并且其材料去除率基本 接近游離磨料加工，因而從整個加工工藝而言，半固著磨粒加工大大提高了加工效率。采用 半固著磨具和鑄鐵盤游離磨料對石英晶片加工進行對比，對比實驗結(jié)果表明半固著磨具的 加工去除率與游離磨粒加工相當，但卻可以獲得更低的表面粗糙度；半固著磨具加工后的 工件損傷層較小，因而對其進行終拋光所需的時間比游離磨料加工后的工件再拋光所需的 時間短很多，提高了加工效率，同時加工性能也有了很大的提高。本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護 范圍的不應(yīng)當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也及于本領(lǐng)域技 術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求
1.基于半固著磨具雙面拋光機控制系統(tǒng)，其特征在于包括傳動系統(tǒng)部分、控制系統(tǒng) 部分，所述傳動系統(tǒng)部分包括驅(qū)動上半固著磨粒拋光盤升降的步進電機和驅(qū)動上下半固著 磨粒拋光盤及內(nèi)外齒圈旋轉(zhuǎn)的直流無刷電機，所述控制系統(tǒng)部分包括控制主板，所述控制 主板包括速度檢測單元和壓力位置檢測單元，所述速度檢測單元與步進電機及直流無刷電 機相連，所述壓力位置檢測單元與半固著磨粒拋光盤相連；所述控制主板，用于控制步進電 機的升降速度和直流無刷電機的開啟，檢測拋光速度、拋光壓力、拋光液流量及加工時間； 所述控制主板控制所述步進電機驅(qū)動上半固著磨粒拋光盤快降至距離下半固著磨粒拋光 盤指定距離時開啟拋光液，步進電機緩慢下降，檢測拋光壓力，所述拋光壓力到達預(yù)設(shè)壓力 時，保持壓力恒定，開啟直流無刷電機進行工件加工，同時所述控制主板檢測拋光速度、拋 光壓力、拋光液流量是否正常，當加工時間到達預(yù)設(shè)時間，停止直流無刷電機和關(guān)閉拋光 液，上升步進電機，取出工件，加工結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于半固著磨具雙面拋光機控制系統(tǒng)，其特征在于所述步 進電機設(shè)有加壓系統(tǒng)和彈簧保壓系統(tǒng)。
全文摘要
基于半固著磨具雙面拋光機控制系統(tǒng)，包括傳動系統(tǒng)部分、控制系統(tǒng)部分，所述傳動系統(tǒng)部分包括驅(qū)動上半固著磨粒拋光盤升降的步進電機和驅(qū)動上下半固著磨粒拋光盤及內(nèi)外齒圈旋轉(zhuǎn)的直流無刷電機，所述控制系統(tǒng)部分包括控制主板，所述控制主板包括速度檢測單元和壓力位置檢測單元，所述速度檢測單元與步進電機及直流無刷電機相連，所述壓力位置檢測單元與半固著磨粒拋光盤相連。本發(fā)明的有益效果加工余量去除的一致性，保證獲得良好的表面質(zhì)量和精度，步進電機實現(xiàn)上拋光盤的精確控制，實現(xiàn)平穩(wěn)、高精度、高效率的拋光加工；采用自動控制設(shè)備操作的模式，以排除人為因素對加工質(zhì)量的影響，保證高精度、穩(wěn)定一致的加工質(zhì)量。
文檔編號B24B51/00GK102114611SQ20101059853
公開日2011年7月6日 申請日期2010年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月21日
發(fā)明者周海軍, 袁巨龍, 趙文宏, 趙蓉 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)