液动压悬浮拋光加工中心的设计与研究_CNC加工中心

前言：

纳米薄膜生长所需的原子级超光滑表面衬底，对表面粗糙度、位错形态和残余应力都有较高的要求^[1]。在传统的机械式抛光方法中，主要依靠抛光盘与工件表面的直接接触来获取超光滑表面^S ,该方法不可避免地会给工件带来划伤，也会给亚表面造成损伤，难以满足衬底所需的要求。液动压悬浮拋光是一种非接触式抛光方法^&],其抛光所需的加工中心需要较高的转速和精度。这就需要该加工中心满足高精度、高刚度以及高抗振性的要求^[4。本文对液动压悬浮抛光机床设计中考虑的某些设计过程进行讨论，并介绍该机床的控制与检测系统。

1液动压悬浮拋光加工中心的机械结构设计

1.1加工中心设计的功能和要求

液动压悬浮抛光属于非接触式拋光方法，主要针对纳米薄膜生长的铜衬底进行抛光加工，同时考虑还 ^{^[1]}需要对硅片等光学电子元器件进行加工。因此，对新研制的液动压悬浮抛光加工中心提出以下几个方面的功能和要求：

(1)在抛光液浸没抛光工具和工件的浸液环境下，抛光工具的悬浮力源自液体动压所形成的上浮力。因此，需要对上拋光盘进行一定的结构设计，使其可以实现上浮。

(2)上下抛光盘可获得较高的转速且稳定运行。因此，上抛光盘驱动部分采用伺服电动机驱动实现高精度、高转速的控制，下抛光盘通过变频器实现电动机的无级调速并通过调整变频器的参数实现加工过程的软启动和软停止^S ,达到抛光过程的稳定运行。

(3)抛光时除了能实现固定间隙下的加工，也可以实现自由浮动的加工。因此，上拋光盘需要实现沿轴向运动的功能外，且能通过液体粘度、抛光盘的转速和上抛光盘楔形结构的参数来调节悬浮力的大小，从而调节上下抛光盘之间的加工间隙。

(4) 传感器能实现对上浮力、上浮高度、加工间隙的测量与数据采集，有一定的反馈补偿调节，实现拋光加工时的动态平衡。因此，需要选用合适的传感器，在控制上采用PID的方法^[6]实现拋光加工的反馈补偿调节。

1.2加工中心的整体床身设计

目前，普遍的拋光加工中心都采用铸铁结构的床身，结构单一，制造周期相对较长，如图2所示。液动压悬浮抛光加工中心床身采用框架式的机架模式进行搭建，材料利用率较高，而且对加工条件的要求较低，可以保证更短的加工制造周期。

1.2.1抛光机下部的机架设计

液动压悬浮拋光加工中心采用模块化组合结构，

上下两部分组成。下部的机架主要采用型钢焊接的框架式机架结构^&](如图1所示），焊接具有连接强

1.3上抛光盘设计

遵循非接触的拋光原则，依据液动压悬浮的原理

(如图4所示）以及液动压悬浮液体压力仿真的结果(如图5所示），对加工中心的上抛光盘进行了优化设计(如图6所示），该盘沿整个圆周方向由10个结构性的截面单元构成,在楔形结构的基础上增加了约束边界和蓄流槽的结构。其次考虑到要在上拋光盘上粘贴工件,会有额外的厚度产生，所以在拋光盘的液动压力均勾分布区域预留出10个长10 mm,宽12 mm,高0. 8mm的槽。上抛光盘采用伺服电动机直接驱动的方式在拋光液中转动，通过液楔产生液动压@ ,使上抛光盘上粘贴的工件浮离于抛光液中。当流体流经该

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结束语：

通过对液动压悬浮抛光新方法的研究，根据液动压悬浮抛光加工中心的设计要求，对加工中心的床身、上抛光盘、液动压悬浮机构、硬件系统、软件系统、人机界面以及测量与检测系统进行了设计，实现了加工中心自动化、高精度、高稳定性的性能。设计的液动压悬浮抛光加工中心可以对传感器采集的数据进行反馈补偿控制调节，从而保证了上下抛光盘之间的间隙，实现了非接触抛光，对制备出纳米薄膜生长所需的原子级超光滑的高质量衬底提供了重要的设备保障。

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液动压悬浮拋光加工中心的设计与研究

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