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液動壓懸浮拋光加工中心的設計與研究

伯特利數控 加工中心 鉆攻中心

前言：

納米薄膜生長所需的原子級超光滑表面襯底，對表面粗糙度、位錯形態和殘余應力都有較高的要求^[1]。在傳統的機械式拋光方法中，主要依靠拋光盤與工件表面的直接接觸來獲取超光滑表面^S ,該方法不可避免地會給工件帶來劃傷，也會給亞表面造成損傷，難以滿足襯底所需的要求。液動壓懸浮拋光是一種非接觸式拋光方法^&],其拋光所需的加工中心需要較高的轉速和精度。這就需要該加工中心滿足高精度、高剛度以及高抗振性的要求^[4。本文對液動壓懸浮拋光機床設計中考慮的某些設計過程進行討論，并介紹該機床的控制與檢測系統。

1液動壓懸浮拋光加工中心的機械結構設計

1.1加工中心設計的功能和要求

液動壓懸浮拋光屬于非接觸式拋光方法，主要針對納米薄膜生長的銅襯底進行拋光加工，同時考慮還 ^{^[1]}需要對硅片等光學電子元器件進行加工。因此，對新研制的液動壓懸浮拋光加工中心提出以下幾個方面的功能和要求：

(1)在拋光液浸沒拋光工具和工件的浸液環境下，拋光工具的懸浮力源自液體動壓所形成的上浮力。因此，需要對上拋光盤進行一定的結構設計，使其可以實現上浮。

(2)上下拋光盤可獲得較高的轉速且穩定運行。因此，上拋光盤驅動部分采用伺服電動機驅動實現高精度、高轉速的控制，下拋光盤通過變頻器實現電動機的無級調速并通過調整變頻器的參數實現加工過程的軟啟動和軟停止^S ,達到拋光過程的穩定運行。

(3)拋光時除了能實現固定間隙下的加工，也可以實現自由浮動的加工。因此，上拋光盤需要實現沿軸向運動的功能外，且能通過液體粘度、拋光盤的轉速和上拋光盤楔形結構的參數來調節懸浮力的大小，從而調節上下拋光盤之間的加工間隙。

(4) 傳感器能實現對上浮力、上浮高度、加工間隙的測量與數據采集，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，在控制上采用PID的方法^[6]實現拋光加工的反饋補償調節。

1.2加工中心的整體床身設計

目前，普遍的拋光加工中心都采用鑄鐵結構的床身，結構單一，制造周期相對較長，如圖2所示。液動壓懸浮拋光加工中心床身采用框架式的機架模式進行搭建，材料利用率較高，而且對加工條件的要求較低，可以保證更短的加工制造周期。

1.2.1拋光機下部的機架設計

液動壓懸浮拋光加工中心采用模塊化組合結構，

上下兩部分組成。下部的機架主要采用型鋼焊接的框架式機架結構^&](如圖1所示），焊接具有連接強

1.3上拋光盤設計

遵循非接觸的拋光原則，依據液動壓懸浮的原理

(如圖4所示）以及液動壓懸浮液體壓力仿真的結果(如圖5所示），對加工中心的上拋光盤進行了優化設計(如圖6所示），該盤沿整個圓周方向由10個結構性的截面單元構成,在楔形結構的基礎上增加了約束邊界和蓄流槽的結構。其次考慮到要在上拋光盤上粘貼工件,會有額外的厚度產生，所以在拋光盤的液動壓力均勾分布區域預留出10個長10 mm,寬12 mm,高0. 8mm的槽。上拋光盤采用伺服電動機直接驅動的方式在拋光液中轉動，通過液楔產生液動壓@ ,使上拋光盤上粘貼的工件浮離于拋光液中。當流體流經該

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結束語：

通過對液動壓懸浮拋光新方法的研究，根據液動壓懸浮拋光加工中心的設計要求，對加工中心的床身、上拋光盤、液動壓懸浮機構、硬件系統、軟件系統、人機界面以及測量與檢測系統進行了設計，實現了加工中心自動化、高精度、高穩定性的性能。設計的液動壓懸浮拋光加工中心可以對傳感器采集的數據進行反饋補償控制調節，從而保證了上下拋光盤之間的間隙，實現了非接觸拋光，對制備出納米薄膜生長所需的原子級超光滑的高質量襯底提供了重要的設備保障。

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