研抛加工机械加载力系统的设计与研究*

周江峰,蔡东海,文东辉,尹林志

(浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014)

0 引 言

研抛加工是超精密加工技术其中一种，主要包括了研磨和抛光两部分。其中，研磨是指将研磨液加到研磨盘上，通过研磨盘(一般为铸铁)与工件的相对运动来进行加工的方法，抛光原理与研磨类似，但抛光加工中所用的抛光磨粒粒径比研磨中所用的小得多，而且研磨盘多采用软质材料。

Preston方程[1]指出，被加工工件表面材料去除率与压力参数p成正比，即工件表面所受压力越大，则工件材料去除率越高。因此，对研抛压力的研究对研抛加工具有重要的意义。

在研抛加工过程中，由于研抛压力是由研抛加载盘与工件的接触变形产生的，对研抛加载力的最佳控制方法就是通过确定研抛加载盘与工件的相对位置，以此来达到对力的控制。同时，研抛加工过程中，保持研抛压力恒定[2]可以进一步提高研抛质量，因此，对研抛装置的实时监测控制也是十分必要的。

目前的压力加载系统有砝码配重、机械式、气动式、电液式和其他加载系统。为了替换砝码配重加载方法，必须选择一种其他加载系统进行研究，如气动式和电液式。为了获得更好的控制精度，多采用昂贵的伺服阀，因此这里选用机械式加载方式。

本文对该系统设计中考虑的机械结构和控制监测软、硬件系统进行阐述。

1 研抛加工加载系统构成

平面研磨抛光系统由一个旋转的工件盘、承载抛光垫的研磨抛光盘和抛光液供给装置三大部分组成。

在平面研磨抛光过程中，工件盘和研磨抛光盘以一定的速度旋转，它们的偏心距保持不变或者按照某一规律变化，同时工件承受变化的载荷。研抛加工主要针对纳米薄膜生长的硅片和氧化锆陶瓷等脆性材料进行抛光加工[3-4]，同时考虑还需要对光学玻璃、蓝宝石[5]等光学电子元器件进行加工。

因此，对新研制的研抛加工压力加载提出以下几个方面的功能和要求:

(1)抛光加载盘应该具有自转功能，工件需要承受变化的载荷，在研抛加工期间，对抛光负载施加80 N左右的载荷是最为合适的[6]；

(2)抛光过程中需要实时检测施加载荷力的大小，测力传感器能实现对加载压力的测量与数据采集，有一定的反馈补偿调节，实现抛光加工时的动态平衡。因此，需要选用合适的传感器，在控制上实现抛光加工的反馈补偿调节。

针对工件的研抛加工工艺要求，按上述功能和要求设计的研抛加工实验平台如图1所示。

图1 研抛加工压力加载平台

图1中的研抛加工系统平台由：伺服电机及其伺服放大器、机架、升降机、弹簧均压机构、测力传感器和控制计算机等组成。

压力加载曲线示意图如图2所示。

图2 压力加载曲线示意图

该实验平台是为了使得加载力按照压力加载曲线动作，其加载工作原理就是通过编写程序控制电机的运动来实现不同压力的加载，从而可以改变不同阶段的研抛力，进而选择最好的压力加载曲线进行研抛加工。

2 研抛加工加载系统机械设计

2.1 伺服电机与伺服驱动器

研抛加载盘与工件的相对位置来达到对力的控制需要加载系统对位置精度控制要求很高，可以选用使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统即伺服系统。伺服电机为研抛压力提供位置进给，且调速范围较大则进给距离的精度就更高。

基于三菱交流伺服系统有运行稳定、调速范围宽、响应快等优点。

该压力加载平台采用三菱伺服电机作为驱动电机，电机型号为HG-KN43BJ-S100。

具体参数指标如表1所示。

表1 三菱伺服电机主要参数

2.2 弹簧均压机构

弹簧均压机构主要提供加载所需的压力，由加载所需的压力决定弹簧的弹性系数，从而完成弹簧的选型。

弹簧均压机构如图3所示。

图3 弹簧均压机构1-导杆螺钉;2-轴承;3-中间板;4-弹簧;5-底板;6-导杆;7-轴承安装板;8-调节螺钉;9-档板

其中，具体的零部件有导杆螺钉、轴承、中间板、弹簧、底板、导杆、轴承安装板、调节螺钉、档板。

调节螺钉可以用来调节间隙，使得弹簧处于适当位置。

2.3 主驱动式抛光头机构

这里采用定偏心主动驱动单面研磨方式[7-8]，为了使得抛光头可旋转，故笔者选用了浮动接头用来连接抛光头。

3 研抛加工加载控制系统设计

3.1 硬件系统设计

该压力加载平台的硬件系统主要包括PCI1240U运动控制卡、接线端子ADAM-3952、三菱伺服电机HG-KN43BJ-S100、伺服驱动器MR-JE-40A、计算机、数据采集卡、人机界面、开关安钮以及测力传感器等。其中的接线端子与伺服放大器的接线如图4所示。

图4 硬件连线图

3.2 软件系统设计

软件系统设计主要是人机界面(HMI)的设计，又称用户界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口。

该研抛加工压力加载平台的的人机界面使用LabVIEW编写，主要包括压力采集数据模块和电机驱动模块，通过LabVIEW编写压力加载数据采集程序和电机驱动程序。

程序界面如图5所示。

图5 LabVIEW软件界面

3.3 压力检测系统

压力检测系统主要由测力传感器、外接变送器、数据采集卡和LabVIEW软件组成。测力传感器可以采集到具体压力，通过外接变送器放大信号，再经过数据采集卡存储到LabVIEW软件中，并且绘制出压力加载曲线[9]。

测力传感器的具体参数如表2所示。

表2 测力传感器主要参数

该测量系统主要包括测力传感器的采集、信号放大调理为电压信号0～10 V、采集与存储，测力传感器可以直接测量加载盘与抛光盘的压力，测力传感器信号被调理放大后，通过USB电压数据信号采集卡将数据传输到电脑中，从而实现对研抛加工过程中压力加载的实时测量。

4 实验验证

该实验搭建的用于研抛加工的加载系统平台，是在实验室现有Nano-Max单面研磨抛光机上搭建的压力动态加载的定偏心被动驱动单面研磨抛光装置。

实验平台如图6所示。

图6 实验平台

该实验准备了若干片硅片用石蜡粘贴于材质为陶瓷盘的基盘上，并在研磨盘上贴抛光垫，准备W7，W2.5，W0.5的氧化铝研磨料分别配置成浓度20%的研磨液(以去离子水配置)。

针对10 mm×10 mm×1 mm的硅片，笔者用上述LabVIEW软件制定相应的压力加载曲线，研磨盘转速设置为10 r/min。

在预抛阶段，加入W7的研磨液，设置预抛力为80 N，抛光时间为3 min；

在预抛阶段，加入W3.5的研磨液，设置粗抛力为120 N，抛光时间为8 min；

在预抛阶段，加入W0.5的研磨液，设置精抛力为80 N，抛光时间为10 min。

整个过程总时长大约30 min，最终得到滤波后的压力变化曲线采集图如图7所示。

图7 压力变化曲线采集图

本研究在采集压力过程中发现力并不是一个数值，而是围绕着一个数值上下波动，可以称为振动。这种振动是由于研抛工具的制造误差和研抛工具盘与工件表面接触产生的微小振动引起的。

因此，振动无法避免，后期可以采用更加优化的机械结构，还可以通过模糊控制方法减小外界干扰，使研抛压力趋近理想的压力值，保证特定压力范围内的恒压力研抛加工。

5 结束语

本研究开发的压力加载控制系统主要由三菱伺服电机及其伺服放大器、机架、升降机、弹簧加压工具、测力传感器和控制计算机等组成。该压力加载控制系统的机械结构设计合理，同时采用LabVIEW人机交互界面设计人性化、规范化，实现了需要完成的变化曲线功能。在该实验平台基础上对研抛加工实验进行了研究。

研究结果表明，该系统能实时监测加载系统的压力参数，能够实现不同的压力加载变化曲线功能，系统故障断路响应迅速、可靠性高。

该系统平台的建立为不同工件的研抛加工压力加载奠定了基础，实现了基于力控制的研抛加工，保证了研抛加工的工件质量，提高了工件的加工效率。