（机械工程专业论文）硅片倒角机磨削系统关键技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 硅片倒角是指把切割后硅片的锐利边缘通过磨削修整成圆弧形，其目的是消除边缘 切割应力，防止边缘破裂及颗粒脱落。本文对硅片倒角机磨削系统的关键技术进行研究。 本文通过对主轴系统的轴承组配方式、预紧方式、离心力和陀螺力矩等主轴轴承应 用理论的研究，确定了主轴轴承及支撑结构。分析滚珠丝杠、滚动直线导轨的特点和工 作台机械传动机构系统特性，得出了提高系统定位精度和提高系统跟随指令的方法，确 定了工作台滚动直线导轨和滚珠丝杠的支撑形式。研究精密磨削的特点，分析了影响倒 角质量的主要因素，对磨削力和磨削热造成的局部表面温度进行了理论计算，确定了硅 片倒角的磨削深度、磨削速度和冷却液流量等系统工艺参数。 本文针对单晶硅片的边缘磨削特点和要求，通过主轴轴承应用理论和工作台应用 技术研究及磨削力和磨削温度的分析设计了磨削系统机械结构。对主轴刚性和滚珠丝杠 轴向刚性误差进行了理论计算；对磨削主轴模态及共振频率使用a n s y s 软件进行分析； 对系统设计进行试验验证和数据分析。通过研究解决了硅片边缘精密磨削问题。 硅片倒角机磨削系统关键技术的研究对半导体硅片精密磨削技术的发展及半导体 精密加工设备的制造具有一定的应用价值。 关键词：硅片倒角 磨削系统结构设计 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t aw a f e r sc h a m f c r i n gi sak i n do fp r o c e s si nw h i c hs h a 啦e d g e sa r er o u n d e db yg r i n d i n g i no r d e rt oa v o i d c h i p p i n g a n de l i m i n a t e c u t t i n gs t f e s s t h eg r i n d i n gs y s t e m sk e y t e c l i l o l o g i e so f m e 啪f e re d g e 鲥n d i n gm a c h i n ea r es t i l d i e di nt h i sp a p e l t h i sp 印e rr e v i e w st h es p i n d l eb e 枷n g 印p l i c a t i o nt h e o r i e s ，i n c l u d i n gp r e l o a d ，a s s e m b l e m 锄e r c e n 埘p e t a lf o l ea f l dg y r om o 力1 e n tt 1 1 e nd e t e i m i n e s 是私j b l es p i n d l eb e 耵i n g sa t l di t s s u p p o r t i n gs t m c n l r e t h eb a l ls c r e w s 柚db a l ll i n e a rg i l i d e sc h a r a c t e r i s t i c s ，s e r v ot 曲l e s m e c h a n i c a ld r i v i n g 胁e w o r kd y n a m i c sm o d e la i l ds y s t e mc h a r a c t 撕s t i c sa r ea n a l y z e d t b e m e a n st oi m p r o v es y s t e m sp o s i t i o n i n ga c c l l r a c ya n di n s t r u c t i o n s f o l l o w i n gi n d e xa r e p r e s e n t e d t h es u p p o r t i n gs t n j c n l r e so ft l l e t a b l e sb a l ll i n e a rg u i d e sa l l d b a l ls c r e w sa r e d e t e h n i n e d t h ec h a m c t 耐s t i c so ft h eb r i t t l em a t e r i a l s p r e c i s i o n 鲈i n d i n ga r cs t u d 越n l e k e yf k t o r s ，g r i n d i i l gf o r c e sa n dg r i n d i n gt e f n p e r a t i l r c ，w h i c ha 蔬c tt l l ec h 锄f e r i n gq u a l i t y a r e 锄a j y z e d t h ei o c a ls u r f i a c et c m p e r a t u r ；ec a u s e db yg r i n d i n gf o r c e si sc o m p u t e di nt h e o r y t h e g r i n d i n gd e p t h ，g r i n d i n gf c e dr a t ea n dc o o l i n g n u i dn u xa r ed e t e r i l l i n e d n i sp 印e rd e s i 弘sa 鲥n d i l l gs y s t e ma c c o r d i n gt og r i n d i n gd e m a n d sb ys t u d y i n gg r i n d i n g s y s t e m sk e yt e c h n 0 1 0 9 i e s 1 1 l es p i n d l e sr i 舀d i t ) ra i l db a l ls c r e w s a x i a lr i g i de r r o ra r e c o m p u t e di nt h e o 阱t h eg r i n d i z l gs p i l l d l e sm o d ea i l dr e s o i 瑚c e 舶q u e n c ya r ea i l a l y z e db y t 1 1 es o f h v a r ea n s y s t h eb a l ls c r e w s s u p p o n h gf 0 珊，r i 百de r r o ra n dc r i t i c a lr o t a t i n gs p e e d a r ec o m p u t e d t h et e g t sa i l d 锄a l y s i st o 扣古文指导教师签名： 日期：2 。6 年呼月j g 日日期：五彩年妒月彩口 华呻精乏未矗蝎蓼一舅刘蜘鬟 e i | | 菔魏穆薹董麓疆鲤酗 到豆蝈琢堪备娶| h ；矧浠催蜓钥蕞攀蓍至篇镯蔓登要蓄z e 莲商引餐于壤谭 一= 叁褒翳鲤丽鎏：型嚣谱斜型噎。餐篆薯面羹奠醮毂嚣罩孺獭瑚，鳝鹳靼萄 节孙轨m 研库；察移上- 跚蹦翻茸片嫣顾淀j 囊峭嬲靳辨犯；懑嘲自玛踏朝鬻m 必? i | _ | _ 狮赆醢蠕坚溜g ；蛳融鞴甓晷誊烈鞘： 而堰倚滋简憎! 量i 蒴熹i 奏 蚕羊翻素巯和工作耸兼筑封圆明鼬髓， 倒夏掣薹亭塞t 罄掣毒葛器誓钫瑶蕊编搞簟藤降瑟i 犁要鳓型剽芎| l 基型巴引吲 蓼象翻刘弱可邑剐；雌摇枣塑缓蘩画杜。姓酬堑醋黧 x 华中科技大学硕士学位论文 格，表面粗糙度值小( r a o 2i im ) ：加工表面不允许有微裂纹和磨削烧伤，材料和工艺 不同于普通的金属材料。因此，磨削系统具有一定的特殊性。 图卜3 倒角机加工工位简图 图卜4磨削系统 磨削系统的关键技术是对系统机械结构和精密磨削原理进行研究。磨削系统的机械 结构主要问题是：高速磨削主轴轴承和支撑结构选用及系统的结构设计、工作台支撑结 构及机械结构设计和提高系统的动态特性。对于磨削系统，要实现精密磨削。在使用时 磨削条件会对系统和磨削质量有一定影响，因此，磨削原理研究的主要问题是脆性材料 3 华中科技大学硕士学位论文 精密磨削的磨削力和磨削温度的分析。本文选题源于该设备的研制，本文将系统地研究 磨削系统的关键技术，进行机械系统设计及误差分析和力学特性分析，并对系统的工艺 参数进行研究。 硅片倒角的边缘轮廓截面几何参数( 尺寸公差、形状公差和粗糙度) 在工艺中要求严 格。因此，要求磨削主轴轴向定位精度高，线速度高，磨削进给定位要准确；由于磨削 轮惯性大，构成的主轴系统需要较高的系统刚性。对磨削主轴系统进行机械结构研究， 以达到单晶硅片倒角的边缘轮廓截面几何参数的要求。 硅片倒角要对各种形式的硅片边缘轮廓进行磨削加工，边缘平面轮廓有直线和圆 弧，相交点要采用小圆弧光滑连接；单晶硅片主参考面和副参考面是单晶硅片识别和定 位的基准，要求直线度和晶向。因此，工作台机械系统要具有较好的定位精度和动态特 性。对磨削工作台进行机械结构研究和刚性分析，以完成边缘平面轮廓的加工。 硅片属于脆性材料，在高速磨削加工过程中容易出现烧伤和微裂纹，主要的因素是 磨削力和磨削温度的影响，对其进行研究，以确定合理的磨削深度、磨削速度和冷却液 流量。 通过对磨削主轴轴承及支撑结构、磨削工作台直线导轨及滚珠丝杠支撑形式和刚性 误差、磨削力和磨削温度等关键技术进行研究，目的是解决脆性硅片边缘精密磨削问题。 近年来，在我国硅片生产线的建设和投产过程中，对硅片精密加工技术和设备有很 大需求市场。发展我国的半导体工业，满足国内日益增长的硅片加工需求，研究加工技 术和开发设备是该产业的基础，具有重要意义。因此，本项目依靠自己力量研究开发设 备，取得拥有自主知识产权的研究成果必将在国内具有重要的推广价值和广阔应用前 景。本项目研究成果的转化和应用将产生一定的经济效益和重要的社会效益。 1 2 硅片倒角机国内外研究状况 国外硅片倒角机的加工精度高、效率高、可靠性高，主要原因是其核心部件采用先 进的磨削主轴和精密伺服工作台，( 如日本京东精密生产的w g 3 2 0 0 、w g 4 2 0 0 和w g5 2 0 0 型硅片倒角机，磨削线速度能达到6 0 m 8 0 m s ，粗糙度约为0 1 4um ) 。国内硅片倒角机 自动化程度低、精度低、效率低，磨削系统的核心技术已经落后。磨削线速度仅能达到 4 华中科技大学硕士学位论文 2 0 m s ，磨削深度无法严格控制，硅片边缘轮廓几何形状存在缺陷，因此无法满足目前生 产线工艺的要求；能够实现硅片边缘精密磨削的磨削系统在国内还不成熟。 倒角机的磨削原理随着生产工艺和材料的改进有了新的发展，尤其是硬脆材料，这 些新材料大多数集中在压痕断裂力学模型近似和切削模型近似的研究上。在压痕断裂力 学模型近似中磨粒与工件相互作用的模型是建立在理想化的裂纹系统和由压头所产生 的变形的基础上的。典型的切削模型近似则包括单刃和多刃切削力的测量，以及表面形 貌和磨屑的显微观察”“。这些研究为磨削机理提供了重要依据。 主轴的研究主要集中在主轴的结构研究和精密轴承的研究上，这方面的研究国外处 于领先的位置。早期的主轴单元结构简单，主轴由两套轴向预紧的面对面配置的圆锥滚 子轴承支承，如图l 一5 “1 所示。圆锥滚子轴承具有承受较大轴向和径向联合载荷的能 力。径向和轴向刚度高，主轴单元具有良好的动力学特性。由于轴承的挡边和滚子端面 存在滑动，同时，摩擦热造成的主轴热位移使接触载荷迅速增加，主轴单元的速度性能 受到限制，高速场合已很少采用，d n 值一般小于o 6x1 0 5 。 图卜5 圆锥滚子轴承主轴单元 图卜6 是s k f 公司1 9 5 5 年提出的著名主轴单元”1 。径向载荷靠双列圆柱滚子轴 承支承，采用过盈配合或锥形内豳消除径向游隙施加径向预紧载荷，轴向预紧的双向推 力角接触球轴承承受轴向载荷和轴向定位。主轴的热位移靠传动端双列圆柱滚子轴承的 轴向移动消除。这种主轴单兀刚性好，由十双向推力角接触球轴承的摩擦力矩和接触角 较大，速度性能受到限制，d n 值小于1 0 x1 0 6 。 图卜6s k f 提出主轴单元 华中科技大学硕士学位论文 进八八十年代，为了克服图卜6 主轴单元中双向推力角接触球轴承速度性能不良的 缺点，出现了图卜7 所示的主轴单元，它的工作端用三套主轴轴承( 角接触球轴承) 代替 双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承“”1 ，速度性能明显优于图1 咱的主轴单元， d n 值可以达到1 8x1 0 6 ，但径向刚度和轴向刚度低子图卜6 的主轴币元。 图卜7厝削主轴单元 近年米，为适应机床提高生产效率和加工精度的需要，进一步改进主轴单元的结构， 如在传动端用双联配对的主轴轴承代替双列圆柱滚予轴承进步提高速度性能，工作端 可以采用双联、三联甚至四联配对的主轴轴承以适应= 1 = 同的刚度性能要求，采用定位和 定压预紧，以适应主轴单元不同的速度和刚度性能要求，d n 值可以达到2 5 ，1 0 5 。 主辅研究除结构和支撑形式以外丰蛐轴承的研究是主轴研究的重要内容之一。目 前，国内外主轴轴承的土要结构型式为两种，一是内外圈都是单挡边结构，二是内圈中 挡边，外圈双挡边结构，如图1 8 所示。外圈单挡边结构有利于多余润滑油的排出和带 走摩擦热，同时减小润滑油的搅动和由此产生的摩擦热“”。”。由于高速轴承采用外圈引 导保持架，双挡边能使保持架受力均衡有利于提高速度性能。一些特殊场合，采用特 殊结构内圈，如环下微量润滑技术，如图卜9 所示，轴承在高速旋转时，润滑油通过润 滑油道进入轴承滚道，形成润滑泊膜，对滚动体造成较好的润捐效果“7 。”1 。设计上，普 遍采用小直径球减小离心力和陀螺力矩，使接触载荷减小，延长疲劳寿命和降低陀螺枢 轴滑动，提高精度寿命。同时，小直径球可以增加球的数量，提高刚度“。还有，采用 特殊内外圈沟道曲率半径设计，以实现“外圈沟道控制”“”1 和采用小接触角以降低 自旋和陀螺枢轴滑动，如s k f 公司接触角1 2 。的c c 堤计。在材料方面，采用氮化硅陶 瓷球2 “，以进一步减小离心力和陀螺力矩，提高速度、刚度和精度性能，这时内圈采 用马氏体不锈钢o ”。 华中科技大学硕士学位论文 润滑油道 ( a ) 内外圈单挡边( b ) 外圈双挡边 图卜8 主轴轴承结构图卜9 环下润滑结构 工作台研究的主要内容是伺服系统，主要的问题是高速高精度的实现。精密化和高 速化是现代加工技术发展的重要趋势。目前，国内外在面向高性能工作台的轴运动伺服 控制器方面开展理论和实验研究主要集中在四个方面： 1 ) 增加前馈控制和采用复杂的轴控制器； 2 ) 对扰动和未建模动态进行观测和补偿： 3 ) 设计鲁棒控制器； 4 ) 采用自适应控制和智能控制方法“。 早期的数控进给伺服系统大多是直流电机伺服系统，虽然直流电机比交流电机控制 方便，但维护困难，成本高。在这种情况下，发展了全数字交流伺服系统，这种系统也 能达到甚至超过直流电机的伺服精度，而且生产成本低廉，维护方便，控制也相当有效。 目前，高档的数控工作台系统大多采用全数字交流伺服系统作进给伺服系统。虽然研究 人员采用了新的控制算法和性能优异的全数字交流伺服系统等措施，但对高速高精度数 控进给伺服系统的研究依然存在相当大的困难。单纯的从控制理论上是无法解决数控进 给伺服系统的高速高精度问题，需要从系统结构等方丽考虑。“。 对于低速运动的实际工程对象，其零部件的弹性变形并不影响其大范围的运动特 性。在这种情况下，系统中的物体可作刚体假定。这样的多体系统称为多刚体系统。由 于大型、轻质机械系统的出现，高速运行的工作情况将使系统动力学特性愈来愈复杂， 这些现象是由于零部件的大范围运动与构件的弹性变形耦合引起的。在分析这类系统动 力学时，物体必须作柔性体假定。这类力学模型称为柔性多体系统。如果上述系统中部 7 华中科技大学硕士学位论文 分物体仍可作刚体假定，那么构成的力学模型为刚一柔混合多体系统，它是多体系统中 最一般的模型。“。 工作台研究的另一个主要内容是工作台的机械零部件，如滚珠丝杠和滚动直线导 轨，他们的刚性影响工作台的动态特性，进而影响工作台的性能和控制方式，影响工作 台的精度。 1 3 主要研究内容 本文对磨削系统的关键技术进行研究，针对硅片倒角的特殊性进行实用化系统设 计，实现单晶硅片边缘的精密磨削。本文主要研究工作如下： 1 ) 研究硅片倒角机磨削系统主轴关键技术，对主轴轴承组配方式、预紧、离心力和 陀螺力矩等应用理论进行分析。 2 ) 研究硅片倒角机磨削系统x y o 工作台的关键技术，对滚珠丝杠、滚动直线导 轨的特点和工作台机械传动机构系统特性等应用技术进行分析。 3 ) 研究硅片精密磨削的特点，对磨削力和磨削温度进行分析和计算。 4 ) 针对硅片倒角边缘加工特点设计磨削系统机械结构并进行理论计算和试验验证 设计结果。 8 华中科技大学硕士学位论文 硅片倒角机主轴系统关键技术 主轴系统要求主轴具有较高的转速和精度。在精密磨削加工中为了获得加工件较小 的表面粗糙度，必须达到较高的磨削线速度( 线速度值为3 0 m s 6 0 m s ) 。在动态情况 下，主轴系统为了达到精度要求，系统要具有足够的刚度：对于主轴系统，轴承是支撑 系统，因此，需要确定主轴轴承及轴承组合支撑结构，研究主轴轴承预紧及组配方式、 动态特性及寿命的影响因素等主轴轴承应用理论。 2 1 主轴轴承的确定 可用于主轴支撑的滚动轴承有不同的类型，不同类型的轴承有各自特点。各种轴承 对不同方向载荷的承载能力和限制轴向位移的能力不同，其旋转精度、刚性和抗振动的 能力也不同。 深沟球轴承结构简单，安装和拆卸方便，可以通过选择合适的轴承游隙以达到主轴 轴向位移精度要求，但承受轴向载荷的能力差。圆柱滚子轴承适用于刚性较大的主轴， 刚性好，但仅能承受径向载荷，并要求支撑座孔很好的对中，常用于固定的短轴支撑。 圆锥滚子轴承可以承受双向载荷，刚性好，由于轴承的挡边和滚子端面存在滑动，同时， 摩擦热造成的主轴热位移使接触载荷迅速增加，因此极限转速低。 角接触球轴承具有运动精度高、极限转速高、承载能力强，能同时承受径向和轴向 载荷等特点而被广泛地应用于高速主轴的支承中，“主轴轴承”的含义变成特指高速精 密角接触球轴承。因此确定选用角接触球轴承作为磨削主轴的支撑轴承。 本文涉及到的高速轴承特指角接触球轴承。它的速度性能通常以d n 值来评定，其 中d 为轴承的内径，n 为轴承的内圈转速。角接触球轴承结构简单，但轴承内部各元 件的运动及所受载荷则比较复杂，特别是高速球轴承中，离心力和陀螺力矩作用的结 果使轴承的运转状态发生变化，影响到轴承的变形与载荷关系特性，从而影响到球轴 承支撑的转子系统的动力学性能。对于高速情况下工作的轴承，如果参数设计不当或 由于安装调整不好而使工作条件恶化，主轴轴承在几十小时甚至数小时之内就会报废。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 2 主轴轴承的研究 2 2 1 赫兹( h e r t z ) 接触理论及其简化解 在载荷的作用下，滚动轴承的滚珠与内外圈之间会发生变形。一般情况下，滚动轴 承的接触在弹性极限内，其接触面的投影形状为椭圆形，其接触理论也在弹性范围内展 开。1 8 9 5 年赫兹针对接触问题作了如下假设： 1 ) 材料是均质的； 2 ) 接触区的尺寸远远小于物体的尺寸； 3 ) 作用力与接触面垂直( 即接触区内不存在摩擦) ； 4 ) 变形在弹性极限内。 对于滚动轴承内部的接触问题来说，这些假设基本上都是成立的。利用赫兹的弹性 接触理论可对轴承内部的接触问题进行计算。 在工程中求赫兹经典解，必需要求解椭圆率参数k 、第一类和第二类椭圆积分r 和 及接触物体几何尺寸之间关系的超越方程或通过图表计算。布鲁和哈姆罗克借助最小 二乘法用线性回归得到了简化计算k 、r 、的方程，其计算误差在工程中可以忽略。 七= 1 0 3 3 9 时6 3 6 ( 2 - 1 ) r = 1 0 0 0 3 + o 5 9 6 8 斋 ( 2 2 ) = 1 5 2 7 7 + o 6 0 2 3 l n 睡) ( 2 3 ) 式中，对于钢球与内外圈沟道的接触 墨= 堕笋 ( 一号对应内圈，+ 号对应外圈) ( 2 4 ) b = 舞 ( 2 5 ) 用这些公式计算得到的k 、r 、与用数值法得到的进行比较，最大误差小于3 ”“。 2 2 2 轴承的预紧及组配方式的选用“7 “ 许多因素都会响主轴轴承的接触载荷和接触角，比如速度、钢球的离心力和陀螺力 矩等。接触载荷和接触角的变化又会影响轴承位移与载荷之间的关系，影响主轴单元的 1 0 华中科技大学硕士学位论文 动力学特性，因此在主轴单元动态分析中对以上因素都十分重视；轴承预紧是影响主轴 单元的动力学特性重要因素之一。 预紧是使轴承滚动体和内外圈间产生一定的预变形，以保持轴承内、外圈均处于压 紧状态。通常情况下角接触球轴承都是在预紧状态下工作的，这是因为预紧可以提高轴 的旋转精度、增加轴承的刚度、减少轴承的振动和噪声、控制滚动体的自旋滑动和减少 滚动体的公转打滑等。在实际应用中一般采用轴向预紧方式，它分为定位预紧和定压预 紧两种情况。 轴承在预载荷作用下将会使内外圈产生轴向位移而出现接触变形，这时接触角n 不 再是初始接触角a ，安装在主轴上的轴承，在预紧力的作用下产生的变形会导致接触角 增大，接触角变化如图2 1 所示。 荫一，煎”龠9胃一r 煎”- 筒9 ( a ) 原始接触角( 无载荷状态) ( b ) 载荷状态f 的接触角( c ) 载荷和高速状态下的接触角 图2 1 载荷和速度引起的轴承接触角的变化 依据转速和外载荷不同，角接触球轴承在主轴的轴承组中有单套使用、串连使用和 并联( 背对背、面对面) 使用等方式。单套和串连使用的轴承通过弹簧施加预载荷，并联 使用的轴承通过调整配对轴承凸出量，使两轴承在压紧状态下以负游隙( 带负荷) 运转。 主轴的合理支承为两组支承组，考虑装配工艺性，前轴承组为固定端，对单套和串 连使用轴承组来说，弹簧组施加预载荷。对并联轴承，如果不是万能配对( 采用等高垫) ， 则预载荷要通过内外垫的高度差来调整。在高速应用场合，为了提高主轴的承受载荷能 力，常采用配对安装的方法。高速精密角接触球轴承一般采用背对背( d b ) 、面对面( d f ) 和并联( d t ) 三种结构形式。在选用主轴轴承支承时，串连式( d t ) 用于单一方向轴向力较 大的场合，背对背( d b ) 并联式由于可承受双向载荷，用于轴向定位准确的场合，面对面 ( d f ) 并联式可用于多支点支承或轴承前后座孔同心不易保证的场合啪1 。为了进一步提高 刚度，已经出现三联和四联配置。常见的主轴轴承组配方式如图2 2 所示。随着轴承精 华中科技大学硕士学位论文 度的不断提高，万能配对也已广泛采用，从而极大的简化了轴承的安装。 雷国一国一 d bd fd t 图2 2 主轴轴承组配方式 2 2 3 轴承动态性能及寿命分析 主轴轴承的运动非常复杂，钢球不仅绕轴承轴线公转，而且绕自身轴线自转。此外， 球在做滚动运动时还伴随着在接触面上的一定程度的滑动。如果球和沟道之间的接触角 不为零，则滚动运动还伴随着一定程度的自旋滑动。在油润滑或脂润滑的轴承中，还会 出现陀螺枢轴滑动。高速球轴承中，钢球的陀螺力矩和离心力取决于接触角，它们可能 会达到相当大的值，因而导致内圈沟道的接触角增大，外圈的接触角减小。这将严重影 响到轴承的变形与载荷关系特性。在高速转动情况下也影响到润滑性能和摩擦，从而影 响到轴承内部速度，结果会改变滚动元件的惯性载荷，即离心力和陀螺力矩“。 h a r r i s 指出，通常只要钢球与沟道接触角不为零，就不可能出现纯滚动，即钢球 与沟道的接触区必定存在着自旋运动。在一定的载荷和相对低速的状态下，球与内外圈 沟道接触区同时存在滚动和自旋运动，但随着速度的增加，逐渐向近似的“外圈沟道控 制”状态过渡。“外圈沟道控制”是指纯滚动只发生在外圈沟道的接触处。因此在高速 运转情况下，由于外圈沟道的自旋运动小于内圈沟道，轴承的运转非常接近于“外圈沟 道控制”状态，这时即可以认为自旋运动只发生在内圈沟道接触处。 临界转速分析就是确定主轴轴承系统的固有频率和识别与各个固有频率所对应的 振型。必须确保主轴轴承运转速度在一个安全的频率范围内。对于给定的轴承，影响振 动的主要因素是速度、转动惯量和钢球间距。如果主轴以轴承系统的固有频率或以接近 1 2 华中科技大学硕士学位论文 固有频率的转速运转，则主轴可能处于不稳定的和具有破坏性的振动状态，而主轴的固 有频率取决于轴的质量和轴承的剐性。 轴承在高速运转时，离心力和陀螺力矩的存在，使得内外圈接触角度发生变化，影 响了轴承的载荷一变形特性和刚度特性，因而影响到轴承一主轴系统的工作特性。 离心力的计算表达式为： f c = 吉m b d 。国。2 ( 2 6 ) 其中：m b 为滚动体质量，滚动体为钢球时m 。= o 7 8 5 1 0 5 刀d 3 6 0 ，d 。为节园直径， 。滚动体公转角速度。 陀螺力矩的计算表达式为： m k = j 。s i n ( 2 7 ) 其中：，为滚动体的转动惯量，滚动体为钢球时j = o 7 8 5 l o 。5 棚5 6 0 ，珊。滚动体 自转角速度，滚动体公转角速度声= 一杖8 i “+ 。) ) 其中为外圈接触角 ，= 。，d 为滚动体直径，8 m 为节园直径。 轴承疲劳寿命随着转速的提高而降低，这种下降特性主要与作用在滚动体上的离心 力有关，离心力随转速的增加而呈现出平方关系增加。“。 主轴中相对而言最弱的环节是轴承，主轴系统的振动主要随着轴承精度的丧失而加 剧，所以主轴部件的使用寿命实质上指的是轴承的精度寿命，但轴承的精度寿命不同于 疲劳寿命，因素很多，目前对此还没有一个确切的算法，一般是以轴承的疲劳寿命乘一 个修正系数作为精度寿命的近似计算。 接触应力和变形的计算是滚动轴承分析的基础，在考虑滚动轴承内的载荷分布、刚 度、润滑、摩擦、振动以及轴承的寿命时，都必须首先计算接触应力和变形。接触应力 对轴承的接触疲劳和磨损有重要影响，在很大程度上决定着轴承的寿命。由于接触面积 很小，即使载荷不太大，接触应力也可能相当高。 滚动轴承的寿命计算公式是瑞典s k f 轴承公司的p a l m g r e n 和l u n d b u r g 根据概率统 华中科技大学硕士学位论文 计理论、赫兹理论以及滚动轴承接触疲劳机理，通过大量的试验求得的，计算公式的整 个推导过程很复杂，但最终的表达形式很简单： l = 瞧， ( 2 8 ) 式中，指数占与轴承的结构有关，球轴承时s = 3 ，滚子轴承时s = 1 。寿命上的 单位为百万转，是可靠性为9 0 时的轴承疲劳寿命。c 是轴承的额定动负荷，e ，是当量 径向载荷“。 在一个多支点轴系中，准确确定每个轴承所承受的载荷对正确预测轴承的疲劳寿命 及支承刚度来说是非常关键的。传统的方法是把作用在轴系上的外载荷按材料力学中求 解静不定问题的方法分配到各个轴承上，然后对每个轴承分别进行分析和计算，这种方 法的不足之处是未考虑轴承和主轴的刚度变化。事实上多支承轴系中各个轴承所承担的 外载荷与轴承的支承刚度和主轴的弹性变形都是相互影响的。 2 3 主轴轴承组合及支撑结构 通过滚动轴承特性对比和主轴轴承应用理论的研究，为了实现主轴高速旋转和较高 的轴向定位精度，确定磨自0 主轴选择角接触球轴承作为主轴的支撑轴承。对于角接触球 轴承组合和支撑结构，有两种典型结构如图2 3 和图2 4 所示。支撑结构一的主轴前端 选用配对角接触球轴承，采用背对背( d b ) 并联式，轴承内外圈轴向固定。后端选用配对 角接触球轴承，采用背对背( d b ) 并联式，轴承内圈轴向固定，外圈放松。支撑结构二的 主轴前端轴承形式与支撑结构一相同，后端选用单列角接触球轴承，轴承内圈轴向固定， 外圈采用弹簧组施加预紧载荷，提高旋转精度：为了提高系统刚性，增大轴承宽度以提 高承载能力。支撑结构一的主轴系统后端轴承组无法消除间隙和消除主轴热膨胀造成的 影响，旋转精度较低；支撑结构二则避免了主轴热膨胀造成的不利影响，通过弹簧组预 紧，提高了支撑刚性和旋转精度，允许主轴系统高速运转。对于前端轴承组通过调整配 对轴承凸出量，使两轴承在压紧状态下以负游隙( 带负荷) 运转，以提高系统刚度和实现 轴向准确定位。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 7 7 0 0 图2 3 支撑结构一 图2 4 支撑结构二 本文研究的磨削主轴轴承系统在静态情况下仅承受主轴重力引起的轴向力，由此引 起轴承的弹性变形很小，可以忽略轴承内外圈接触角的变化；转速造成的离心力和陀螺 力矩是影响主轴系统动态特性的主要因素( 本文在主轴系统设计的轴承分析中进行离心 力和陀螺力矩计算) 。 在精密磨削中为了获得加工件较小的表面粗糙度，必须达到较高的线速度。主轴系 统为了提高磨削线速度有两种途径，一是增加主轴转速，二是增大磨削轮直径。背对背 ( d b ) 并联式角接触球轴承在脂润滑情况下的极限转速仅为1 0 0 0 0 r p m 左右，而转速提高 会造成很大的离心力和陀螺力矩( 与速度成平方关系增加) 。增大磨削轮直径可以提高 转速，如果将磨削轮直径增加一倍，轴承转速会降低一倍，但在结构上主轴形成悬臂支 撑，会造成主轴系统刚性不足。因此，为了实现精密磨削( 系统线速度目标值为3 0 m s 6 0 m s ) ，主轴系统结构和刚性是关键环节。考虑以上因素，选择主轴转速为6 0 0 0 r p m ， 为了达到线速度6 0 m s ，磨削轮直径为2 0 0 唧。对于质量较大的磨削轮一主轴系统在动 态情况下为了获得较好的精度和稳定性，主轴要有足够的刚性，因此磨削轮是影响主轴 刚性和临界转速的主要因素( 本文在主轴系统设计的主轴分析中对影响情况进行计算) 。 华中科技大学硕士学位论文 3 。硅片倒角机工作台系统关键技术 该设备工作台系统不但要求具有较高的定位精度，能够实现加工要求，而且要求运 动速度快，具有良好的动态性能，以提高加工效率。 设备的几何加工精度影响因素有两类，是准静态误差和动态误差。前者是由设备本 身的制造精度决定的，之所以称为准静态误差，是指其指标在给定的条件下，能够在一 定时期内基本保持不变或变化缓慢；准静态误差对加工产品的尺寸精度影响占有很大的 比重。动态误差的特性比较复杂，减小这种误差大多需要对设备本身进行改造，或安装 实时监控系统：动态误差主要影响加工工件的局部误差特性，如表面粗糙度。工作台的 主要组成部件包括滚动直线导轨和滚珠丝杠，它们的误差是系统准静态误差的主要误差 源，在定义它们的误差时，假定它们作刚体运动。对于工作台机械结构的关键应用技术 是滚珠丝杠和滚动直线导轨的结构与支撑形式的选择及系统动态性能的提高。 3 1 滚珠丝杠副分析 为了减少丝杠传动副的摩擦和提高传动效率，在上世纪四十年代，国外己采用了以 滚动摩擦代替滑动摩擦的原理，制造了滚珠丝杠副传动机构。 对于滚珠丝杠副，其结构上明显的特征是：构件问的可动连接通常不是借助于运动 副本身，而是在丝杠和螺母两构件之间利用中间元件( 滚珠) 来实现的。滚珠丝杠副是丝 杠与螺母之间放入适当的滚珠，使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦。滚珠丝杠 在机械传动中的作用是可以将旋转运动转变为直线运动，也可以将直线运动变为旋转运 动。 滚珠丝杠与滑动丝杠相比较，具有以下特点： 1 ) 摩擦损失小，传动效率高 由于滚动丝杠的摩擦损失小，其传动效率可达9 0 一9 6 ，约为滑动螺旋机构的2 3 倍。 2 ) 磨损小、寿命长 1 6 华中科技大学硕士学位论文 通常滚珠丝杠的主要零件，如丝杠、螺母及滚珠都是经过淬火处理达到高硬度，并 有很低的表面粗糙度，而且滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，即其精度保 持性能好，工作寿命长。 3 ) 轴向刚度高 滚珠丝杠副机构能够完全地消除轴向间隙，而不至于影响丝杠运动的灵活性，因而 可以获得较高的轴向刚度。通常，可以通过轴向预紧来提高轴向刚度。 4 ) 摩擦阻力小、运动平稳 由于滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦阻力几乎与运动速度无关，而且 静摩擦力电极小，启动力矩与运动力矩近于相等，因而灵敏度高，运动较平稳，启动时 无颤动，低速转动时无爬行现象。 5 ) 不能自锁、具有传动的可逆性 滚珠丝杠副没有自锁性，具有传动的可逆性。当它用于垂直升降传动系统时，必须 增设自锁装置，防止由于重力引起的下滑运动。 滚珠丝杠具有优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数 控机床。尤其是近几年，滚珠丝杠作为直线驱动执行单元得到广泛运用，这些都取决于 它的优良特性：传动效率高、定位精度高、传动可逆、使用寿命长、同步性能好”“。 滚珠丝杠螺母机构种类繁多，滚珠的循环方式有导管式、循环器式和端盖式。预紧 方式有定位预紧( 双螺母方式错位预紧) 和定压力预紧，可根据用途选择适当的类型。 单纯的增加丝杠的转速来提高进给速度有一定局限性，适度增大滚珠丝杠的导程和 螺纹头数是实现高速化的最佳选择。增加滚珠丝杠的直径和施加预载荷以提高滚珠丝杠 轴系的系统刚度和丝杠副的轴向刚度，减小起动和停止瞬间弹性变形，改善滚珠丝杠副 的加( 减) 速度特性，提高对运动指令的快速跟踪能力。当丝杠行程很长时，可将“丝杠 转动一螺母移动”的丝杠驱动方式改为“丝杠固定，螺母一边转动一边移动”的螺母驱 动方式。其好处在于消除了临晃转速的限制，避免了长丝杠在高速转动时产生的一系列 问题。 对于工作台中滚珠丝杠的支撑形式，要根据载荷大小和受力方向及定位精度要求和 转速要求进行选择，对于伺服工作台，通常有两种形式，一种是两端都用并联的角接触 华中科技大学硕士学位论文 球轴承，内外圈轴向固定，形成固定支撑，一种是一端用并联角接触球轴承，内外圈轴 向固定，形成固定支撑，另一端采用深沟球轴承，形成浮动支撑。对于两端固定支撑， 可以获得较高的转速和精度，但同时要考虑丝杠的热伸缩造成的不利影响。“。 3 2 滚动直线导轨分析 导轨是进给伺服系统的重要零部件之一，它对工作台系统的刚度、精度和精度保持 性有重要影响。滚动直线导轨是在导轨工作面之间采用滚动体，使两道轨面之间形成滚 动摩擦，其摩擦系数很小( 0 0 0 2 5 0 0 0 5 ) ，而且动、静摩擦系数相差很小，因此运动 轻便灵活，所需功率小，精度好，无爬行3 ”。 摩擦性能是滚动直线导轨副的一个重要使用性能。摩擦影响导轨副的使用寿命、承 载能力、运动精度以及刚度等方面。合适的润滑措施能有效地减小摩擦，改善使用性能。 因而确定滚动直线导轨副所处的润滑状态具有重要意义。可以根据弹流理论对其进行分 析计算求出最小膜厚，由膜厚参数即膜厚比判定所处的润滑状态o “。 滚动直线导轨已是一种独立的标准部件，滚动直线导轨主要有以下形式( 图3 一1 ) ： 熏丽 4 列圆弧接触构造2 列哥德式拱型构造 图3 一l 滚动直线导轨构造 滚动直线导轨4 列圆弧接触构造形式在负载和预压力的情况下是两点接触，因而差 动滑动小，有良好的滚动性能。这种结构对安装基础要求低，还能吸收安装面的偏差， 简单的安装可以获得较高的精度，并且刚性高，可以承受上下左右的载荷和颠覆力矩与 侧向力。2 列哥德式拱型构造在负载和预压力的情况下，容易出现差动滑动，摩擦力大， 使用寿命短，安装基础精度要求高，相同安装尺寸下承载能力小。 通常情况下，滚动直线导轨有预加载荷，那么滚动体( 钢球) 在负载区和非负载区循 环出入过程中，由于钢球的弹性变形的不连续性，刚度的变化使得滑块体产生间歇性的 华中科技大学硕士学位论文 变频振动，造成运动精度降低。预加载荷的作用是通过钢球的过盈来实现的，适当的预 紧力可以提高导轨的运动精度，但超过一定的值后，运动精度反而降低，预紧力过大， 会使摩擦力增大。滚动直线导轨适宜于低速运行，即它作为导向部件，在低速情况下具 有较好的导向精度；当速度比较均匀时，其运动精度曲线较平滑，幅值较小，因此在使 用中应尽可能保持速度的均匀性。”。 滚动直线导轨系统在运动过程中，使其产生波动的主要原因是装配表面的精度和导 轨的制造精度，而它们综合作用的结果为装配后导轨的精度：滚动直线导轨系统的运动 精度比装配表面精度要提高几倍，导轨具有误差均化作用。在实际应用中给导轨旎加 适当的预加载荷来减小波动量，但太大预加载荷反而会使波动量增大；采用多滑块组合 会显著提高导轨的刚度和运动精度。 3 3 工作台机械传动机构系统特性分析 磨削工作台可以分解为单轴工作台( x y 工作台) ，如图3 2 所示，其传动结构可 以简化成图3 3 所示的等效动力学系统。是等效轴的扭转刚度，执行部件与各传动 件的等效转动惯量为以，所有摩擦力与切削力等效为负载转矩吮，系统等效粘性阻尼 为眈，机构输出角位移为吼。m 。、以分别为机械传动机构的输入转矩与输入角位移。”。 图3 2 工作台传动结构 图3 3 等效的动力学系统 对于机械传动机构动等效的动力学系统，把机械参量进行折算，推导得到系统吼与 阮之间的传递函数( 帆为扰动输入，在帆= o 的情况下) 为”1 1 9 华中科技大学硕士学位论文 g 。o ) = 揣= 志 ( 3 - 1 ) 令弦= ，玩2 扣面= 彘，整理上式可以得到传递函数的标准形式为： g 。g ) = ：埘 s 叫) ( 3 埘 可见图3 2 工作台机械传动系统是一个固有频率为q ，阻尼比为彘的二阶系统， 其简化的控制系统传递函数框图如图3 4 所示。 ij 图3 4 简化的控制系统传递函数框图 图中，g o o ) 为半闭环系统中电机及控制部分的传递函数，q o ) 为系统开环部分的传 递函数，即工作台的传递函数。为了分析方便，可以进一步把q 0 ) 简化为一比例常数k ， 从而，u o ) = g ，o ) o ) = 足u o o ) ，所以，系统的传递函数为： gg ) = 豁= 器瞄 ( 3 3 ) 系统的误差为： e g ) = 等群r g ) ( 3 4 ) 将该误差通过前馈引到输入端，即相当于输入信号雌) 经传递函数) 加到输入端， 形成新的具有前馈补偿功能的系统框图如图3 5 所示： 图3 5 具有前馈补偿功能的控制系统传递函数方框图 新的系统的传递函数为： g g ) = 锱= 0 十错j 黜= 错g g ) ( 3 5 ) 2 0 华中科技大学硕士学位论文 新的系统的误差为： e ”尺9 ) 一错g o ) r o ( 3 6 ) = 等韶俨e g ) 对于研究的未加前馈时的系统，误差信号远远小于输入信号，即陋蚓 陋叫，因此 可知p 蚓 陋俐，这说明了将系统误差前馈到输入端后，系统精度较原系统精度有非常 明显的提高o 。 半闭环系统中的定位误差，有机械传动机构因刚度而产生弹性变形所引起的误差。 因此，半闭环系统要尽可能增大机械传动部分尤其是丝杠的刚度：为了减小定位误差， 要减小导轨的固体摩擦力，并且增大放大器的增益，或者选用力矩较大的伺服电机。减 小定位误差主要就是提高系统刚度。 对于x y 伺服工作台，在两轴联动加工直线或圆弧曲线时，速度误差和加速度误 差特性会引起加工误差。 速度误差不影响直线加工的准确性，只是在时间上实际位置较指令位置有滞后，当 两轴增益不等时会造成倾角。对于圆弧曲线，两轴增益相等时造成的加工误差最小。因 此，增大系统增益，对于减小加工误差至关重要，但是过大的增益会使系统的稳定性产 生问题。如果伺服系统采用了前馈补偿措施，则可以显著减小加工误差，从理论上可以 消除位置误差、速度和加速度误差，即实现“误差调节”，因此可以大大改善加工拐角 时的欠程和超程现象。”。 对于工作台，在低速情况下会产生爬行现象，原因主要有两个：一是丝杠轴和伺服 电机的轴间联轴器为弹性连接，缺乏足够的刚度；二是传动机构的支承轴承和滚珠丝杠 副之间在转动时，摩擦力与传动机构的运动速度呈负斜率。因此在设计系统时要提高中 间传动件和支撑轴承的刚性，减小摩擦力，以避免爬行现象1 。 高精度定位系统，主要通过以下两种方法用来实现： 第一种方法是依靠工作台自身的精度来保证。改善系统外部环境，同时提高系统各 组成部分的精度，这种方法控制比较简单，但会导致系统成本的提高。如把系统置于恒 温、恒压、隔振的工作环境中以改善系统外部环境，同时采用高精度的机械传动环节， 2 i 华中科技大学硕士学位论文 如精密轴系、精密齿轮系等，设计选用高性能伺服电机、复杂的控制算法等，才能实现 高精度定位要求。 第二种方法是采用误差补偿控制系统。其基本原理是先测出误差源所引起的误差， 然后由控制系统补偿，从而减小加工误差，提高加工精度。误差补偿技术对我国机械加 工工业的发展意义尤为重要，因为我国工业基础差、资金少，不可能对现有设备进行大 量的更新，而误差补偿技术的应用可在不需要大量投入资金的情况下提高加工精度，创 造更多的效益。 3 4 工作台系统支撑结构 通过工作台系统应用技术的分析，为了实现磨削工作台系统较高的定位精度和系统 获得较好的动态性能，确定工作台系统支撑结构如下。 选用4 列圆弧接触构造形式的滚动直线导轨导向。4 列圆弧接触构造形式滚动直线 导轨在负载和预压力的情况下是两点接触，因而差动滑动小，有良好的滚动性能。这种 结构还能吸收安装面的偏差，对安装基础要求低，可以获得较高的精度，并且刚性高。 为了提高系统刚性，采用四滑块形式，选择中等预压，避免产生过大的摩擦力，避免由 此产生振动而失去精度。 选用滚珠丝杠传动以获得较高的定位精度和传动效率。滚珠丝杠副具有优良的摩擦 特性，能够完全地消除轴向间隙，可以获得高的轴向刚度，通过轴向预紧力可以提高轴 向刚度和减小系统误差，提高系统快速响应能力和避免爬行现象。由于工作台丝杠的转 速不高，载荷较小，因此采用固定一浮动结构支撑形式，这种结构可以避免丝杠的热伸 缩造成的不利影响( 本文在工作台系统设计的机械分析中进行支撑形式校核和刚性误差 计算) 。 磨削工作台机械传动系统是一个固有频率为绒，阻尼比为彘的二阶系统，误差信 号远远小于输入信号，因此将系统误差前馈到输入端，提高系统精度。为了实现硅片平 面轮廓曲线相交处圆滑过渡，可以增大系统增益提高系统的跟随精度及响应速度，为了