研拋加工機械加載力系統的設計與研究*

周江峰,蔡東海,文東輝,尹林志

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

0 引 言

研拋加工是超精密加工技術其中一種，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)與工件的相對運動來進行加工的方法，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，對研拋壓力的研究對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生的，對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位置，以此來達到對力的控制。同時，研拋加工過程中，保持研拋壓力恒定[2]可以進一步提高研拋質量，因此，對研拋裝置的實時監測控制也是十分必要的。

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

本文對該系統設計中考慮的機械結構和控制監測軟、硬件系統進行闡述。

1 研拋加工加載系統構成

平面研磨拋光系統由一個旋轉的工件盤、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，它們的偏心距保持不變或者按照某一規律變化，同時工件承受變化的載荷。研拋加工主要針對納米薄膜生長的硅片和氧化鋯陶瓷等脆性材料進行拋光加工[3-4]，同時考慮還需要對光學玻璃、藍寶石[5]等光學電子元器件進行加工。

因此，對新研制的研拋加工壓力加載提出以下幾個方面的功能和要求:

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

(2)拋光過程中需要實時檢測施加載荷力的大小，測力傳感器能實現對加載壓力的測量與數據采集，有一定的反饋補償調節，實現拋光加工時的動態平衡。因此，需要選用合適的傳感器，在控制上實現拋光加工的反饋補償調節。

針對工件的研拋加工工藝要求，按上述功能和要求設計的研拋加工實驗平臺如圖1所示。

圖1 研拋加工壓力加載平臺

圖1中的研拋加工系統平臺由：伺服電機及其伺服放大器、機架、升降機、彈簧均壓機構、測力傳感器和控制計算機等組成。

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

該實驗平臺是為了使得加載力按照壓力加載曲線動作，其加載工作原理就是通過編寫程序控制電機的運動來實現不同壓力的加載，從而可以改變不同階段的研拋力，進而選擇最好的壓力加載曲線進行研拋加工。

2 研拋加工加載系統機械設計

2.1 伺服電機與伺服驅動器

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

基于三菱交流伺服系統有運行穩定、調速范圍寬、響應快等優點。

該壓力加載平臺采用三菱伺服電機作為驅動電機，電機型號為HG-KN43BJ-S100。

具體參數指標如表1所示。

表1 三菱伺服電機主要參數

2.2 彈簧均壓機構

彈簧均壓機構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，從而完成彈簧的選型。

彈簧均壓機構如圖3所示。

圖3 彈簧均壓機構1-導桿螺釘;2-軸承;3-中間板;4-彈簧;5-底板;6-導桿;7-軸承安裝板;8-調節螺釘;9-檔板

其中，具體的零部件有導桿螺釘、軸承、中間板、彈簧、底板、導桿、軸承安裝板、調節螺釘、檔板。

調節螺釘可以用來調節間隙，使得彈簧處于適當位置。

2.3 主驅動式拋光頭機構

這里采用定偏心主動驅動單面研磨方式[7-8]，為了使得拋光頭可旋轉，故筆者選用了浮動接頭用來連接拋光頭。

3 研拋加工加載控制系統設計

3.1 硬件系統設計

該壓力加載平臺的硬件系統主要包括PCI1240U運動控制卡、接線端子ADAM-3952、三菱伺服電機HG-KN43BJ-S100、伺服驅動器MR-JE-40A、計算機、數據采集卡、人機界面、開關安鈕以及測力傳感器等。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 軟件系統設計

軟件系統設計主要是人機界面(HMI)的設計，又稱用戶界面，是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口。

該研拋加工壓力加載平臺的的人機界面使用LabVIEW編寫，主要包括壓力采集數據模塊和電機驅動模塊，通過LabVIEW編寫壓力加載數據采集程序和電機驅動程序。

程序界面如圖5所示。

圖5 LabVIEW軟件界面

3.3 壓力檢測系統

壓力檢測系統主要由測力傳感器、外接變送器、數據采集卡和LabVIEW軟件組成。測力傳感器可以采集到具體壓力，通過外接變送器放大信號，再經過數據采集卡存儲到LabVIEW軟件中，并且繪制出壓力加載曲線[9]。

測力傳感器的具體參數如表2所示。

表2 測力傳感器主要參數

該測量系統主要包括測力傳感器的采集、信號放大調理為電壓信號0～10 V、采集與存儲，測力傳感器可以直接測量加載盤與拋光盤的壓力，測力傳感器信號被調理放大后，通過USB電壓數據信號采集卡將數據傳輸到電腦中，從而實現對研拋加工過程中壓力加載的實時測量。

4 實驗驗證

該實驗搭建的用于研拋加工的加載系統平臺，是在實驗室現有Nano-Max單面研磨拋光機上搭建的壓力動態加載的定偏心被動驅動單面研磨拋光裝置。

實驗平臺如圖6所示。

圖6 實驗平臺

該實驗準備了若干片硅片用石蠟粘貼于材質為陶瓷盤的基盤上，并在研磨盤上貼拋光墊，準備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10 mm×10 mm×1 mm的硅片，筆者用上述LabVIEW軟件制定相應的壓力加載曲線，研磨盤轉速設置為10 r/min。

在預拋階段，加入W7的研磨液，設置預拋力為80 N，拋光時間為3 min；

在預拋階段，加入W3.5的研磨液，設置粗拋力為120 N，拋光時間為8 min；

在預拋階段，加入W0.5的研磨液，設置精拋力為80 N，拋光時間為10 min。

整個過程總時長大約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現力并不是一個數值，而是圍繞著一個數值上下波動，可以稱為振動。這種振動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生的微小振動引起的。

因此，振動無法避免，后期可以采用更加優化的機械結構，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的恒壓力研拋加工。

5 結束語

本研究開發的壓力加載控制系統主要由三菱伺服電機及其伺服放大器、機架、升降機、彈簧加壓工具、測力傳感器和控制計算機等組成。該壓力加載控制系統的機械結構設計合理，同時采用LabVIEW人機交互界面設計人性化、規范化，實現了需要完成的變化曲線功能。在該實驗平臺基礎上對研拋加工實驗進行了研究。

研究結果表明，該系統能實時監測加載系統的壓力參數，能夠實現不同的壓力加載變化曲線功能，系統故障斷路響應迅速、可靠性高。

該系統平臺的建立為不同工件的研拋加工壓力加載奠定了基礎，實現了基于力控制的研拋加工，保證了研拋加工的工件質量，提高了工件的加工效率。