專利名稱：一種基于快速拋光技術(shù)的材料去除率控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料去除率控制系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于快速拋光技術(shù)的材料去除率 控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著拋光技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，如何提高工件拋光加工效率，如 何控制其材料去除率，成為拋光技術(shù)應(yīng)用上的關(guān)鍵問題。目前，由于很多超精密加工技術(shù)沒有公開，拋光的三大要素拋光液、拋光墊和拋光機(jī) 的發(fā)展嚴(yán)重制約了超精密加工水平的提高。近年來，我國科研工作者已開始機(jī)械化學(xué)拋光技 術(shù)的研究(參見文獻(xiàn)1、王勝利，袁育杰，劉玉嶺,銅CMP中工藝參數(shù)對拋光速率的影響[J]. 潤滑與密封，2006， 7: 113-115; 2、王亮亮，路新春，潘國順，等，硅片化學(xué)機(jī)械拋光中表面 形貌問題的研究[J].潤滑與密封，2006， 2: 66-69; 3、 W. T. Tseng and Y. L. Wang, Re-examination of pressure and speed dependence of removal rate during chemical mechanical polishing processes [J]. J. Electrochem. Soc. 1997， 144: L15-L17)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的光學(xué)元件拋光加工效率低、難以控制材料去除率的缺點(diǎn)， 提供一種基于快速拋光技術(shù)的材料去除率控制系統(tǒng)。本發(fā)明設(shè)有工控機(jī)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)(CNC)、伺服系統(tǒng)、數(shù)控拋光機(jī)床和材料去除率檢測 系統(tǒng)。工控機(jī)系統(tǒng)輸出端與數(shù)控系統(tǒng)輸入端連接，通過USB接口將數(shù)控加工程序輸入數(shù)控系 統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)輸出端與伺服系統(tǒng)輸入端連接，伺服系統(tǒng)輸出端與數(shù)控拋光機(jī)床的電機(jī)連接， 電機(jī)驅(qū)動3個(gè)加工軸工件旋轉(zhuǎn)軸、工件橫移軸和拋光盤旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動，對工件進(jìn)行加工，數(shù) 控拋光機(jī)床加工后的工件輸出并送入材料去除率檢測系統(tǒng)進(jìn)行材料去除率檢測，檢測后的工 件如不符合要求，則進(jìn)行補(bǔ)償加工，使得實(shí)際材料去除率同預(yù)想的材料去除率相對誤差不超 過2%。所述材料去除率檢測系統(tǒng)設(shè)有空調(diào)恒溫系統(tǒng)、激光干涉儀和千分尺。工件加工完畢之后， 送入空調(diào)恒溫系統(tǒng)放置，以消除工件表面應(yīng)力，而后利用Techo激光干涉儀和千分尺測量實(shí)3際加工后工件材料去除率。所述工控機(jī)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有加工軟件處理模塊，包括原始加工模塊和補(bǔ)償加工模塊等，其中， 原始加工模塊設(shè)有壓強(qiáng)計(jì)算模塊、相對速度計(jì)算模塊、數(shù)控程序生成模塊和材料去除率補(bǔ)償 模塊等。輸入預(yù)想加工所需要的材料去除率，采用壓強(qiáng)計(jì)算模塊計(jì)算出對工件施加的壓強(qiáng)， 從而給出所需設(shè)定的加工參數(shù)A，即Z1軸下降高度；采用相對速度計(jì)算模塊計(jì)算出工件相對 拋光盤的速度，從而給出所需設(shè)定的加工參數(shù)B，即工件轉(zhuǎn)速col和拋光轉(zhuǎn)速to2。數(shù)控程序 生成模塊根據(jù)加工參數(shù)A和加工參數(shù)B，生成數(shù)控加工程序。工控機(jī)系統(tǒng)輸出端與數(shù)控系統(tǒng) 輸入端相連接，通過USB接口將數(shù)控加工程序輸入數(shù)控系統(tǒng)。所述對工件進(jìn)行加工，數(shù)控拋光機(jī)床加工后的工件輸出并送入材料去除率檢測系統(tǒng)進(jìn)行 材料去除率檢測，檢測后的工件如不符合要求，則進(jìn)行補(bǔ)償加工，是將加工后所得的工件材 料去除率輸入工控機(jī)系統(tǒng)的補(bǔ)償加工模塊，補(bǔ)償加工模塊包括材料去除率補(bǔ)償模塊和數(shù)控程 序生成模塊，采用材料去除率補(bǔ)償模塊比較實(shí)際加工后所得的工件材料去除率和預(yù)想加工所 需要的材料去除率，給出補(bǔ)償加工所需的補(bǔ)償加工參數(shù)和補(bǔ)償加工參數(shù)，生成補(bǔ)償后的加工 數(shù)控程序，工件進(jìn)行補(bǔ)償加工，使補(bǔ)償加工后的材料去除率和預(yù)想的材料去除率相對誤差不 超過2%。由于本發(fā)明的工控機(jī)系統(tǒng)輸出端通過USB接口將數(shù)控加工程序輸入數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng) 輸出端與伺服系統(tǒng)輸入端連接，伺服系統(tǒng)輸出端與數(shù)控拋光機(jī)床的電機(jī)連接，電機(jī)驅(qū)動3個(gè) 加工軸工件旋轉(zhuǎn)軸、工件橫移軸和拋光盤旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動，對工件進(jìn)行加工，將加工后所得的 工件材料去除率輸入工控機(jī)系統(tǒng)的補(bǔ)償加工模塊，補(bǔ)償加工模塊包括材料去除率補(bǔ)償模塊和 數(shù)控程序生成模塊，采用材料去除率補(bǔ)償模塊比較實(shí)際加工后所得的工件材料去除率和預(yù)想 加工所需要的材料去除率，給出補(bǔ)償加工所需的補(bǔ)償加工參數(shù)和補(bǔ)償加工參數(shù)，生成補(bǔ)償后 的加工數(shù)控程序，工件進(jìn)行補(bǔ)償加工，使補(bǔ)償加工后的材料去除率和預(yù)想的材料去除率相對 誤差不超過2%。本發(fā)明克服了現(xiàn)有的光學(xué)元件拋光加工效率低、難以控制材料去除率等缺點(diǎn)，能有效地 提高加工效率，精確地控制材料去除率，材料去除率可達(dá)5 10um/h，是傳統(tǒng)初拋的8 10 倍。而且經(jīng)過補(bǔ)償加工后，補(bǔ)償加工后的材料去除率同預(yù)想的材料去除率相對誤差不超過2%。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成框圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)控拋光機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖2的俯視圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例采用的材料去除率檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例采用的工控機(jī)系統(tǒng)補(bǔ)償加工模塊結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。參見圖1 4，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有工控機(jī)系統(tǒng)l、數(shù)控系統(tǒng)(CNC) 2、伺服系統(tǒng)3、數(shù)控 拋光機(jī)床4和材料去除率檢測系統(tǒng)5。在工控機(jī)系統(tǒng)1中輸入預(yù)想加工所需的材料去除率， 由加工軟件處理模塊得到加工所需的參數(shù)和數(shù)控程序。工控機(jī)系統(tǒng)1輸出端與數(shù)控系統(tǒng)2輸 入端相連，數(shù)控系統(tǒng)2輸出端與伺服系統(tǒng)3輸入端連接，伺服系統(tǒng)3輸出端與數(shù)控拋光機(jī)床 4的電機(jī)連接，驅(qū)動3個(gè)加工軸(工件旋轉(zhuǎn)軸、工件橫移軸和拋光盤旋轉(zhuǎn)軸)聯(lián)動對工件21 進(jìn)行加工。實(shí)際加工后的工件21送入材料去除率檢測系統(tǒng)5進(jìn)行材料去除率檢測。檢測完成 后進(jìn)行補(bǔ)償加工，使得補(bǔ)償加工后的材料去除率與預(yù)想的材料去除率相對誤差不超過2%。工件21由真空薄膜22吸附，工件旋轉(zhuǎn)軸Z1可升降，以對工件21施加不同的壓力，工 件21在工件旋轉(zhuǎn)軸Z1帶動下獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，并且工作橫移軸Z3可帶動工件21橫向移動。聚氨 酯拋光墊23由強(qiáng)力膠水粘貼在大理石拋光盤24上，拋光盤24在拋光盤旋轉(zhuǎn)軸Z4帶動下獨(dú) 立旋轉(zhuǎn)。為了保持拋光墊23具有一定表面粗糙度和平整性，金剛石修整輪25在修整輪軸Z2 帶動下根據(jù)需要可對拋光墊23表面進(jìn)行修整。由拋光液P (拋光液由氧化鈰和去離子水混合 組成，按質(zhì)量比，氧化鈰和去離子水的配比最好為10:1)供給系統(tǒng)在加工過程中噴灑在拋 光墊23表面。軸Z1、軸Z3和軸Z4三軸聯(lián)動，可對工件21進(jìn)行材料去除。在圖2中，修整 輪25的半徑為R，工件21的半徑為Rl 。本發(fā)明實(shí)施例所用的數(shù)控拋光機(jī)床采用超精密快速拋光機(jī)床，為北京NorthTiger機(jī)床股 份有限公司PPS100快速拋光機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)(CNC)采用SINUMERIK 840D,激光干涉儀采 用成都太科Techo激光干涉儀。工控機(jī)系統(tǒng)1設(shè)有加工軟件處理模塊，包括原始加工模塊和補(bǔ)償加工模塊。其中，原始 加工模塊包括壓強(qiáng)計(jì)算模塊、相對速度計(jì)算模塊、數(shù)控程序生成模塊。輸入預(yù)想加工所需的 材料去除率，采用壓強(qiáng)計(jì)算模塊計(jì)算出對工件施加的壓強(qiáng)，從而給出所需設(shè)定的加工參數(shù)A， 即工件旋轉(zhuǎn)軸Z1下降高度；采用相對速度計(jì)算模塊計(jì)算出工件相對拋光盤的速度，從而給出 所需設(shè)定的加工參數(shù)B，即工件轉(zhuǎn)速wl和拋光轉(zhuǎn)速0)2，計(jì)算出工件相對拋光盤的速度Vx。 數(shù)控程序生成模塊根據(jù)加工參數(shù)A和加工參數(shù)B，生成數(shù)控加工程序。工控機(jī)系統(tǒng)輸出端與 數(shù)控系統(tǒng)輸入端相連接，通過USB接口將數(shù)控加工程序輸入數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)2輸出端與伺服系統(tǒng)3輸入端連接，伺服系統(tǒng)3輸出端與超精密數(shù)控快速拋光技術(shù)機(jī)床4的電機(jī)連接，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而帶動工件旋轉(zhuǎn)軸Z1、工件橫移軸Z3和拋光盤 旋轉(zhuǎn)軸Z4聯(lián)動，對工件21進(jìn)行材料去除。
材料去除率檢測系統(tǒng)5包括空調(diào)恒溫系統(tǒng)、千分尺和激光干涉儀。工件加工完畢之后， 送入空調(diào)恒溫系統(tǒng)放置24h，以消除工件表面應(yīng)力。接著利用Techo激光干涉儀和千分尺測 量實(shí)際加工后工件材料去除率。
參見圖5，將加工后所得的工件材料去除率輸入工控機(jī)系統(tǒng)的補(bǔ)償加工模塊。補(bǔ)償加工 模塊包括材料去除率補(bǔ)償模塊、數(shù)控程序生成模塊。采用材料去除率補(bǔ)償模塊比較實(shí)際加工 后所得的工件材料去除率和預(yù)想加工所需要的材料去除率，給出加工所需的補(bǔ)償加工參數(shù)C 和補(bǔ)償加工參數(shù)D，生成補(bǔ)償后的加工數(shù)控程序，工件進(jìn)行補(bǔ)償加工，使得補(bǔ)償加工后的材 料去除率和預(yù)想的材料去除率相對誤差不超過2%。
本發(fā)明采用的基于快速拋光技術(shù)的材料去除率控制系統(tǒng)，加工尺寸直徑為320mm、厚度 為lOrnm的BK7圓形玻璃，可將使補(bǔ)償加工后的材料去除率和預(yù)想的材料去除率相對誤差控 制在2%之內(nèi)。表1和2給出本實(shí)施例采用的基于快速拋光技術(shù)的材料去除率控制系統(tǒng)加工實(shí) 際工件預(yù)期的材料去除率和補(bǔ)償加工材料去除率比較表。
表l
壓強(qiáng)(kPa)預(yù)期去除率(pm/h)補(bǔ)償去除率(pm/h)相對誤差(％)
0.54.14.1400.97
17.27.2531.29
1.59.99.9750.75
21312.9450.42
表2轉(zhuǎn)速(rad/min)預(yù)期去除率(—)補(bǔ)償去除率(Mm/h)相對誤差(％)
481313.1250.96
369.79.6880.12
248.98.9760.85
1233.0551.8
另外，本發(fā)明不僅限于上述的實(shí)施形式，自然可在不脫離本發(fā)明的主旨范圍內(nèi)對給中材 料和尺寸的光學(xué)元件進(jìn)行加工，控制材料去除率。
權(quán)利要求
1.一種基于快速拋光技術(shù)的材料去除率控制系統(tǒng)，其特征在于設(shè)有工控機(jī)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、數(shù)控拋光機(jī)床和材料去除率檢測系統(tǒng)；工控機(jī)系統(tǒng)輸出端與數(shù)控系統(tǒng)輸入端連接，通過USB接口將數(shù)控加工程序輸入數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)輸出端與伺服系統(tǒng)輸入端連接，伺服系統(tǒng)輸出端與數(shù)控拋光機(jī)床的電機(jī)連接，電機(jī)驅(qū)動3個(gè)加工軸工件旋轉(zhuǎn)軸、工件橫移軸和拋光盤旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動，對工件進(jìn)行加工，數(shù)控拋光機(jī)床加工后的工件輸出并送入材料去除率檢測系統(tǒng)進(jìn)行材料去除率檢測。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于快速拋光技術(shù)的材料去除率控制系統(tǒng)，其特征在于所述材料去除率檢測系統(tǒng)設(shè)有空調(diào)恒溫系統(tǒng)、激光干涉儀和千分尺。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于快速拋光技術(shù)的材料去除率控制系統(tǒng)，其特征在于所述工控機(jī)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有加工軟件處理模塊，所述加工軟件處理模塊包括原始加工模塊和補(bǔ)償加工模塊。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種基于快速拋光技術(shù)的材料去除率控制系統(tǒng)，其特征在于所述原始加工模塊設(shè)有壓強(qiáng)計(jì)算模塊、相對速度計(jì)算模塊、數(shù)控程序生成模塊和材料去除率補(bǔ)償模塊。
全文摘要
一種基于快速拋光技術(shù)的材料去除率控制系統(tǒng)，涉及一種材料去除率控制系統(tǒng)。提供一種基于快速拋光技術(shù)的材料去除率控制系統(tǒng)。設(shè)有工控機(jī)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、數(shù)控拋光機(jī)床和材料去除率檢測系統(tǒng)。工控機(jī)系統(tǒng)輸出端與數(shù)控系統(tǒng)輸入端連接，數(shù)控系統(tǒng)輸出端與伺服系統(tǒng)輸入端連接，伺服系統(tǒng)輸出端與數(shù)控拋光機(jī)床的電機(jī)連接，電機(jī)驅(qū)動3個(gè)加工軸工件旋轉(zhuǎn)軸、工件橫移軸和拋光盤旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動，對工件進(jìn)行加工，數(shù)控拋光機(jī)床加工后的工件輸出并送入材料去除率檢測系統(tǒng)進(jìn)行材料去除率檢測。材料去除率檢測系統(tǒng)設(shè)有空調(diào)恒溫系統(tǒng)、激光干涉儀和千分尺。工件加工后送入空調(diào)恒溫系統(tǒng)，利用激光干涉儀和千分尺測量實(shí)際加工后工件材料去除率。
文檔編號B24B49/03GK101670552SQ200910112549
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者何良雨, 煒 楊, 靜 林, 郭隱彪 申請人:廈門大學(xué)