（电气工程专业论文）大直径数控立式滚磨机电气设计与实现.pdf

摘要 论文题目：大直径数控立式滚磨机电气设计与实现 学科专业：电气工程 研究生：黄庆生签 指导教师：高勇教授签 李润源高级工程师签 摘要 本文设计研制的大直径数控立式滚磨机依据半导体材料的发展趋势，针对目前国内尚 无加工大直径、高精度滚磨机，而研究开发的低成本、全自动、大直径化的晶体外圆滚磨 设备。首先结合设备的机械主体结构特点和工作原理阐述电气原理，制定主要技术指标， 依据设备主要技术指标进行电气设计和电气系统控制电路的模块划分；其次通过电机和伺 服驱动系统各项参数计算和比较分析，对伺服系统进行了选型设计。为实现设备特殊功能， 对数控系统参数进行分析计算和选择设置；依据半导体材料加工工艺的控制要求，重点进 行i p c 角位置系统的软硬件设计，解决了设备铲轴具备第二主轴和角伺服控制系统的双 重控制功能，并能按加工编程指令自由切换。通过增加4 恤轴的设计，使立式滚磨机数控 系统具备x 、y 、z 、4 恤四轴联动功能，该轴控制系统的设计为后续开发更大直径的滚磨 机设备提供了稳定、可靠的控制系统。最后，通过设备各项技术指标的检测和晶体滚磨加 工试验，设备符合技术指标和加工要求。该设备的研制成功填补了国内空白，现已投入工 业生产使用一年多，并已出口韩国n e o s e m i t e c hc o r p o r a t i o n 用于太阳能硅单晶材料的外 圆滚磨加工。 关键词：大直径，高精度，立式滚磨，4 山轴双重控制，c n c 数控系统，i p c 角位置伺服 控制 a b s t r a c t 1 1 f i e ：e l e c t r i cd e s i g na n dp r o d u c eo ft h em a j o rd i a m e t e r n cv e r t l c a lc y l i n d r l c a lg r i n d e r m a j o r ：e l e c t r i ce n g i n e e r i n g n a m e sq i n g s h e n gh u a n g s u p e r v i s o r ：p r o f y o n gg a o s e n i o re n g i n e e rr u n y u a nu t h em a i o rd i a m c t e rn cv e r t i c a lc y l n d r i c a lg r i n d e ri nt h i sd i s s e r t a t i o ni sd e s i g n e da n d r e s e a r c h e da sal o wc o s t , f i l ua u t o m a t i ce q u i p m e n tw h i c hi sa c c o r d i n gt od e v e l o p m e n tt r e n do f s e m i c o n d u c t o r , a n da i m sa tt h a tt h e r ei sn o 留r i n d e re x c l u s i v eu s eo fg r i n d i n gt h em a j o rd i a m e t e r o fs e m i c o n d u c t i n gc r y s t a lm a t e r i a ls u c h 勰g a l l i u ma r s e n i d eo rm o n o c r y s t a ll i n es i l i c o n , w i t h h i 曲- p r e c i s i o ni nc h i n a a tf i r s t ，e x p l a i n i n gt h ee l e c t r i cp r i n c i p l ea c c o r dw i t ht h ee q u i p m e n t s c h a r a c t e r i s t i co fm e c h a n i s ma g e n ts t r u c t u r ea n do p e r a t i o np r i n c i p l e ，m a k i n gm a i nt e c h n i c a l i n d i c a t o r s t h e np r o c e e d i n ge l e c t r i cd e s i g na n dm o d u l eo fe l e c t r i cs y s t e mc o n t r o lc i r c u i t t h l o u g hc a l c u l a t i n ga n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i se v e r yp a r a m e t e r so fm e t o ta n ds e r v e - o p e r a t e d s y s t e m ，s e l e c t i n gt h et y p eo fs c l n os y s t e m a c c o r dw i t hs e t t i n gu ps p e c i a ls y s t e mp a r a m e t e r s , m a k e st h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mf u l l ys a r i s f yt h et e c h n i c a li n d i c a t o rd e m a n d d e s i g n i n g s o f t w a r ea n dh a r d w a r e6 f 口ca n g u l a rp o s i t i o no fs y s t e m 勰c o n t r o ld e m a n do fs e m i c o n d u c t o r p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h e4 ii sm a d eh a v i n gd o u b l ef u n c t i o no ft h es e c o n ds p i n d l ea n d a n g u l a rs e r v oc o n t r o ls y s t e m , a n dc a na u t o m a t i cs w i t c h o v e ra c c o r d i n gt op r o g r a m m e d i n s t r u c t i o n t h r o u g ha d d i n gt h e4 - a x i s t h i se q u i p m e n t sn cs y s t e mh a v ef o u rs p i n d l el i n k f u n c t i o no f ) ( ，y xa n d4 4a i x s ，d e s i g n i n go ft h i ss p i n d l ec o n t r o ls y s t e mp r o v i d e ss t e a d y , r e l i a b l e s y s t e mf o rf o l l o w - u pd e v e l o p i n gl a r g e rd i a m e t e r 鲥n d e r a tl a s t , t h r o u i g hg r i n d i n gt e s to f s a m p l ea n dd e t e c t i n gc e r t i f i c a t eo fe v e r yt e c h n i c a li n d i c a t o r , t h ed e v i c ec o n f o r m st ot e s t i n gi t e m a n dc o n t e n tt h a td e s i g n a t e di nt e c h n i c a li n d i c a t o r , s e c o e e di nd e v e l o p i n go ft h i sd e v i c ef i l i st h e d o m e s t i cg a p s t h ee q u i p m e n th a sb e e nm a n u f a c t u r e df o rm o r eo n ey e a r , a n de x p o r t e dt o n c o s e m i t e c hc o r p o r a t i o ni nk o r e at og r i n dm o n o c r y s t a ll i n es i l i c o n k e y w o r d ：m a j o rd i a m e t e r ；h i g h p r e c i s i o n ；v e r t i c a lg r i n d i n g ；4 t hd o u b l ec o n t r o l ；c n cs y s t e m , i p ca n g u l a rp o s i t i o ns e r v ec o n t r 0 1 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：挝 学位论文使用授权声明 济1 0 月菇日 本人盘瞧筮在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博土硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作糙名：盔醚翮虢奶叼年，明 前言 1前言 1 1 立项目的和意义 自从2 0 世纪中叶晶体管( t r ) 、集成电路( 1 c ) 、半导体激光器的闯世，导致了电子 技术、光电技术的革命，产生了半导体微电子学和光电子学，使得计算机、通讯技术等学 科发生了根本改变，从而有力地推动了当代信息( r r ) 产业的发展。应该强调的是这些重 大革命是以半导体材料的技术发展为前提和基础的。 随着半导体微电子器件、光电器件、光探测器、传感器、激光器和集成电路等器 件制造技术的迅速发展。特别是进入大规模、超大规模集成电路时代以来，随着i c 芯 片特征尺寸( 光刻线宽) 不断缩小集成度增加，微电子芯片技术将从目前器件级发展 到将一个系统功能集成在单个芯片上实现片上系统( s o c ) 。与此同时，随着制造技术 和工艺进步使加工芯片的几何尺寸在向大直径发展。推动全球半导体产业不断向前发 展有着两大轮子；一是不断缩小芯片特征尺寸，从1 , u m - o s u m - 0 5 9 i n - 0 3 5 , u r n - 0 2 5 u r n m 1 8 , u r n - 0 1 3 a n - 9 0 r i m ，目前正在向6 5 n n 9 4 5 n m 过渡，以满足芯片微型化、高密度化、 高速化、高可靠性和系统集成化的要求；二是不断扩大晶圆尺寸，从 1 0 0 m m 1 2 5 r a m - 1 5 0 r a m 2 0 0 m m - 3 0 0 m m ，并向4 0 0 r a m 进军，以提高芯片产量和降低芯片 成本，最终获得更大利润。随着芯片特征尺寸的不断缩小，对半导体设备精度的要求也 越来越商。i i i 半导体材料晶体的加工方法一直延用以下工艺过程：晶棒成长，晶棒裁切与检测， 外圆滚磨，切片，圆边( 倒角) ，表层研磨，蚀刻，去疵，抛光，清洗，检验，包装嘲。 半导体材料晶体加工系列设备主要包括：切断机、外圆磨磨机、切片机、磨片机和 抛光机等。近年来随着国内外范围内拉晶互厂数量逐年增加，硅单晶棒产量比重越来越大， 必然对硅晶棒后续加工设备的需求也越来越多。随着生长6 ”、f 8 ”、f 1 2 ”、f 1 6 ”单晶 直径尺寸的加大，加工大直径半导体材料单晶设备将进行研究开发来满足国内半导体生 产的需求。目前在世界范围内半导体市场对于半导体加工设备的需求量很大，市场上一 直处于供小于求的状态。对于国内来说大多以进口产品为主，特别是高精度、大直径的设 备全部依赖进口。进口设备价格高企业无力购买，同时订货难、维护维修不方便等问题使 国内半导体生产发展受到了限制。 滚磨机是完成半导体材料单晶棒滚磨外圆和磨削晶向定位边此道工序的专用设备。目 前国内大量使用的是卧式滚磨机，所能加工的半导体晶体材料直径在f 2 f 5 ”。卧式滚 磨机主要缺点是采用卧式固定所加工的晶体材料，大直径晶体在加工长度不变的情况下， 因重量增加不易被夹具夹紧，盲目加大夹紧力容易引起晶体破碎；而且电气控制比较落后， 因晶体在外圆滚磨过程中单序进刀量的限制，需要多次滚磨才能达到规定尺寸。而电气控 制水平的落后必须采取人工控制其加工过程及精度，造成巨大的工作量，不利于半导体材 料的大批量滚磨加工，以上缺点已经不能适应当今半导体材料大直径化及大规模化的趋 西安理工大学x - 秘 t f - 士- 学位论文 势，而且卧式滚磨机磨削晶向定位边精度差，加工效率低 本文所立项研制开发的数控立式滚磨机正是针对目前国内尚无加工大直径、高精度滚 磨机设备，而研究开发的低成本、全自动、大直径化的外圆滚磨设备。数控立式滚磨机采 用的立式结构特点不但可以满足目前f 6 ”罐1 2 ”半导体材料的加工需求，在主机机械结构 改进后甚至可以满足加工更大赢径半导体材料( f1 2 ”坪1 6 ，) 发展趋势的需求。其电气控 制采用数字控制方式，利用计算规程序进行半导体材料的自动化加工，克服了卧式滚磨机 的缺点，是适应市场的发展趋势、满足国内半导体大规模化生产的需求，填补国内空白， 具有重要的社会效益和经济效益。 1 2 国内外市场现状及发展预测 据2 0 0 3 年3 月在上海举行的s e m i c o nc h i n a 展会相关报道，随着全球半导体产 业的周期性规律发展趋势，2 0 0 3 年，全球半导体行业将全面复苏。而中国市场将成为其 中的最亮点已经成为不争的事实。另据中国电子专业设备协会相关资料统计，四十余年来， 国内共提供各种电子专用设备几十万台。2 0 0 0 年生产了6 6 万台电子专用设备，7 4 6 4 万件电子专用工具，7 0 5 副( 套) 电子模具，行业内专用电子设备及电子模具年销售额1 5 亿元左右，每年可为国家节省外汇2 3 亿美元。但与庞大的市场需求相比，我国的电子专 用设备制造业还显得十分弱小，国产设备的国内市场总占有率还不到2 0 。 依据v l s i 研究公司的统计资料，2 0 0 1 年全球半导体制造设备销售额比历年来最好的 2 0 0 0 年直线滑落了2 5 3 ，但却是历年来第二最好的年份，其中十大半导体设备公司占全 球设备销售额的7 2 5 。美国生产的设备约占全球市场的4 5 ，日本生产的设备约占全球 市场的3 5 。由于设备投资约占半导体行业总投资的8 0 - 0 0 ，显而易见，随着信息技术 的不停发展知道了半导体行业的投资，就能测算出设备投资的额度。 s e m i 协会统计和预测显示：中国大陆半导体制造设备市场2 0 0 1 年达4 0 亿美元，2 0 0 3 年达7 0 亿美元，到2 0 1 0 年将成为全球最大半导体制造市场之一。 目前全球2 0 0 m m 晶圆生产线仅有3 0 0 余条，已建、在建和计划建设的3 0 0 m m 线仅有 4 0 条，目前其中美国和中国台湾各有1 0 多条，目前仅有2 0 条左右的3 0 0 m m 晶圆生产线 已投产，我国中芯国际计划建3 条3 0 0 m m 线，上海1 条，北京2 条。建3 0 0 m 线是大势所 趋。嘲 北京市和上海市政府决心用5 - 1 0 年时间分别建成北方和南方微电子产业基地。北京 市在2 0 0 5 年以前建设5 - 8 条2 0 0 m m 、0 7 s p m 以下的i c 生产线，2 0 0 5 2 0 1 0 年再建1 0 条更高水平的i c 生产线。上海市在“十五”期间建成并投产l o _ 1 5 条2 0 0 m m 到3 0 0 m m 的i c 生产线，2 0 1 0 - 2 0 1 5 年2 0 0 r a m 以上的i c 生产线累计总数将超过3 0 条。我国北方、 南方两大微电子基地的建设，无疑将会给我国半导体制造设备的腾飞带来机遇。 我国信息产业部电子信息管理司提出的2 0 1 0 年发展目标：到2 0 1 0 年，将使我国的集 成电路产业成为高速发展的产业，销售额将从目前占世界市场份额的0 8 增长到3 4 ， 十年间产业总投资将达3 0 0 0 - 4 0 0 0 亿元。其中设备投入以7 0 计算，至少有2 0 0 0 亿元是 2 前言 设备投入，平均每年有2 0 0 亿元的设备投资资金。若国产设备能够占到2 5 的市场份额， 则平均每年国产设备的国内市场将达5 0 亿元。1 4 j 综上所述，作为半导体后续加工设备的滚磨机产品，平均每年国内市场将达4 亿元左 右。按该设备的批量生产能占据市场总额的2 0 ( 有部分是进口设备) 计算，市场份额 将达到8 0 0 0 万元，利润接近2 0 0 0 万元。按照国内晶体材料生产往大直径方向发展( 8 - 1 2 英寸) ，立式滚磨机的加工范围将进一步扩大，其利润率将进一步提高，所以市场前景非 常广阔。 1 3 本文的主要工作 ( 1 )结合大直径数控立式滚磨机机械结构特点及工作原理，依据半导体材料加工工 艺的控制要求，论述数控立式滚磨机电气控制系统的电气原理，制定主要技术指 标。 ( 2 )根据设备技术指标进行电气设计和电气系统控制电路的模块划分，对伺服电机 和伺服驱动系统进行参数计算，依据计算结果对伺服系统进行选型设计。对该设 备特殊使用的数控系统参数进行分析计算和选择设置，满足设备控制功能。 ( 3 )针对所选的k n d l 0 0 数控系统虽具备控制x 、y 、z 三轴伺服驱动系统，但立 式滚磨机滚磨半导体材料外圆时，工艺要求有第4 轴( 以下简称4 血轴) 带动晶体 旋转滚磨外圆和精确的角度控制磨削晶向定位边磨削，即4 m 轴必须具备双重控 制功能的使用要求。本文重点通过核心控制部件i p c 角位置伺服控制系统的软 件、硬件设计，在k n d l 0 0 三轴数控系统基础上把i p c 作为4 h 轴控制系统，并 对该系统电气控制原理进行简要阐述。结合滚磨特点，通过数控系统参数调整设 计实现双重控制功能按加工程序指令自由切换，以满足大直径、高精度、高效率 滚磨半导体材料的工艺需求。 “)对设备的各项精度和所加工试验样件精度进行检测，通过设计指标和实际检测 数值对比，验证设备是否达到设计要求。 3 西安理工大学工程硕士学位论文 2 电气原理及主要技术指标 本章结合数控立式滚磨机机械结构特点及工作原理，依据半导体材料加工工艺的控制 要求，阐述立式滚磨机电气控制系统的电气原理，制定主要技术指标 2 1 立式数控滚磨机结构及工作原理 传统滚磨机，如卧式滚磨机电气控制采用继电控制方式，其主轴和进给运动速度变化 采用变换皮带轮传动比方式来控制，自动化程度低，不能满足高效、一体化工艺加工要求， 而且半导体材料在加工过程中其污染大，对操作者伤害比较大，特别是砷化镓材料。所以 必须采用全封闭j 过程全自动的控制方式，即每道加工工序必须在密闭防护装置中一次加 工完成。 立式滚磨机主机采用立式结构，电气控制采用数字控制方式，正是满足大直径、高精 度、全自动的工艺加工需求和市场发展趋势的需要。依据半导体材料滚磨加工工艺特点， 立式滚磨机主机机械结构方案采用双立柱结构，使设备具有较好的刚度及长期工作的稳定 性，克服了卧式滚磨机的机构缺点，同时也考虑到半导体行业的发展趋势，通过加大 底座尺寸及双立柱之间的距离“l ”值，可加工更大直径的半导体材料( 0 1 2 0 1 6 ”或更大) 。 设备结构包含的部件如图2 - 1 所示。 4 图2 - 1 立式滚磨机机械结构及功能部件图 d i a g r a m2 - 1t h ee q u i p m e n t 5c h a r a c t e r i s t i co fm e c h a n i s ma g e n ts t r u c t u r e 底座部件、床身部件( 升降磨轮和底座连接的部件，也是实现磨轮y 轴前后、z 向上 下运动的关键部件) 工件旋转立柱部件( 是固定半导体材料加工件部分铲轴) 夺升降磨轮主轴座部件( 实现切削的重要部件，磨轮主轴座能够实现垂向上、下运 动及横向进给运动x 、z 轴，同时安装在主轴上的磨轮旋转) 电气原理及主要技术指标 夺润滑部件、冷却部件、电气操作部分、防护部件 夺x 射线晶体定向仪( 实现半导体材料加工件在线晶向定向功能) 数控系统( 实现加工过程的数字化控制，本文设计的重点) 。 立式滚磨机作为半导体材料滚磨加工专用设备，在主机机械结构设计上充分考虑 加工工艺要求，保证该设备能滚磨m 6 ，垂8 ， 的晶体外圆达到加工工艺要求( 样机型号 为g m i 2 1 0 型) ，电气控制系统所实现的控制对象如图2 - 2 所示：x 轴为主轴( 磨轮) 进 给轴，左右直线运动( m r a i n ) 控制晶体滚磨的直径大小，并决定每次切削的迸给量 ( o 1 0 5 r a m ) ：y 轴前后直线运动( m r a m ) 控制磨轮切削点位置：z 轴上下直线运动( m m 蛐 控制晶体磨削长度：4 血轴旋转动( r m 抽) 在磨削外圆时作为旋转轴，设定其适当的转速 配合z 轴相应进给速度，可保证磨削晶体表面的光洁度要求。外圆磨削结束后，4 恤轴通 过编程参数转换成角位置控制伺服轴，采用x 射线晶体定向仪测出晶体晶向，并记录显 示角度值，在机械机构设计时x 射线晶体定向仪与x 轴的夹角为1 2 0 ，逆时针旋转角度 ( 显示值+ 1 2 0 ) 转到磨轮位置，磨削晶向定位边( 或v 型定位槽) 。 图2 - 2 四轴进给运动示意图 d i a g r a m2 - 2f o u ra x i sm o v i n ga n do p e r a t i o np r i n c i p l e 2 。2 电气原理 立式滚磨机电气控制主要由数控系统( 简称q 叱) 、变须主轴驱动、伺服进给驱动、 位置控制及p l c 输入输出( i o ) 接口等五部分组成。 立式滚磨机数控系统，采用新型全数字化交流伺服控制系统，它和伺服驱动装置组成 一个整体，驱动系统主要有两种：迸给伺服驱动系统和主轴驱动系统，前者控制机床各坐 标轴( x ，y ，z ，矿四轴) 的切肖进给运动，后者控制机床主轴( 磨轮轴) 的高速旋转。 驱动系统是由驱动部件( 如交直流电机及速度检测元件) 和速度控制单元组成，它的职能 是提供切削过程中所需要的转矩和功率。 数字控制( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l 以下简称c n c ) 是近代发展起来的一种 自动控制技术，是由数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。1 5 l 普通机床在零件加工过程中，操作者总是根据图样的要求，不断地测量工件的尺寸， 西安理工大学- r 秘j i 士学位论文 不断地改变刀具与工件之间的运动参数，使刀具对工件进行切削加工，最终得到合格零件： 数控机床加工是把刀具与工件运动坐标分割成一些最小的单位量，由c n c 按照零件程 序要求来实现刀具与工件的相对运动，以完成零件加工。在数控加工时，使机床运动是由 c n c 发出的脉冲，每一个脉冲对应机床的单位位移量。在进行曲线加工时是运用一定的数 学函数来完成的，如线性函数、圆函数等。在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间进行数据 的密化。根据数据点的密化确定一些中间点的办法称之为插补，通常采用直线插补和圆弧 插补。 为了使数控机床运转，除了c n c 之外，还需要一个有足够的功率、能快速响应的驱动 装置。驱动装置采用伺服电动杌，它具有一种服从控制信号的要求而动作的职能与c n c 相配合，伺服系统的质量直接关系到机床的加工精度 立式滚磨机全数字控制系统及伺服驱动原理框图如图2 - 3 所示： 图2 - 3 全数字控制系统及伺服驱动原理框图 d i a g r a l2 - 3p r i n d p l co fc n ca n ds e r v os y s t e m 由图2 - 3 可以看出，数控装置( c n c ) 为控制单元的核心，其数字信号指令通过伺 服放大器处理后控制机床侧的各类电机，实现机床的各项( x ，y ，z ，铲四轴) 运动。 而机床侧的各类速度反馈元件( 电流环、速度环、位置环) 实测到的速度信号，反馈到数 控装置。伺服驱动器中的速度控制器和电流控制器是数字控制装置的一个组成部分，数控 系统直接对这些信号进行取样、处理和控制；直接监测和控制电机的运行状态，使电机的 响应速度更快，位置精度更高。可连续高速完成不同程序段的联接。因此全数字数控系统 对复杂轮廓的跟踪能力优于模拟式控制系统。可高速度、高精度、高效率地完成高硬度材 料( 如半导体材料、陶瓷等) 的加工。 伺服系统分为直流和交流二种。直流伺服系统从7 0 年代到8 0 年代中期在数控机床 上占主导地位。它的优点是具有良好的宽调速性能，输出转矩大。但它本身固有的缺点如 6 电气原理及主要技术指标 电刷和换响器易磨损，需要经常维护，同时其结构复杂，制造困难。到了8 0 年代以后， 由于交流电机的材料控制理论及方法均有突破性的发展，克服了直流伺服电机的缺点。其 转子惯量小，动态响应好，逐渐取代了直流伺服系统。到目前为止，交流伺服系统已经发 展到了数字化。如图2 - 2 所示，系统中的电流环，速度环，位置环的反馈为数字信号。1 6 1 位置控制系统又分为开环和闭环两种。【7 】位置环是由c n c 装置中的位置控制模块与 速度控制单元、位置检测及反馈控制等各部分组成。开环控制不需要位置检测及反馈，闭 环控制需要位置检测 s l 。闭环控制系统原理图如图2 4 所示。位置控制反馈能够精确地控 制机床运动部件的坐标位置，快速而准确的跟踪指令运动。即把被控变量与输入的指令值 随机的进行比较，以形成误差值，并用此误差来控制伺服机构向着消除误差的方向运动， 最终达到使输出等于输入。它是基于反馈控制原理工作的。唧 图2 - 4 闭环控制系统框图 d i a g r a m2 - 4c l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m 图2 5 半闭环控制系统框图 一diagram 2 - 4h a l fo f t h ec l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m 半闭环控制系统原理框图如图2 - 5 所示。立式滚磨机采取的反馈检测元件是与伺服电 机同轴连结的编码器，可称为半闭环控制系统，因编码器不能直接反映机床轴向的实际位 移，而是反映的是电机的旋转速度和圈数。即机床的传动丝杠和工作台等机械误差没有因 反馈而获得改善，在c n c 参数表中通过反向间隙补偿和螺距误差补偿来控制，采用半闭 环控制可以满足该设备技术参数的精度要求。 综上所述，为保证数控立式滚磨机的高速度、高精度，在满足性能要求的基础上， 同时考虑立式滚磨机的批量生产配套及售后服务等综合因素，所以在电气控制方面采用的 全数字化交流伺服控制系统，半闭环控制方式进行数字控制。 7 西安理工大学工程硕士学位论文 2 3 主要技术指标 电气所控制x 、y 、z 、4 t “四轴的功能划分，其目标是为了满足半导体材料加 工工艺要求，并符合机械主体结构设计的控制要求，设备主要技术指标参见表2 - 1 ， 技术指标1 1 1 项为设备传动精度指标；1 2 - 1 6 为电气控制所能达到的各项运行功能指标； 1 7 - 2 0 项为加工精度指标。 表2 - 1 ( g m l 2 1 0 型) 数控立式控滚磨机主要技术指标 序号检验项目设计指标单位 1 矿轴旋转台面的端面跳动 o 0 2 2主轴座垂向相对床身移动的直线度：横向，纵向o o 3 主轴座垂向相对4 m 轴轴线移动的直线度：横向，纵向0 0 2 3 0 0m m 4 主轴精度：径向挑动o 0 1m m 5 主轴精度：轴向窜动 o 0 1m m 6主轴精度：端面跳动0 0 1 5 7 水平主轴座横向( x 向) 移动对铲轴轴线垂直度0 0 2 ，3 0 0m m 8 床身移动( y 向) 对铲轴轴线垂直度0 o 驯主意3 0 0 m m 水平主轴轴线对工作台纵向移动的平行度0 0 1 5 任：意3 0 0 及 m m 9 0 0 2 ，全长 1 0 水平主轴旋转轴线对床身y 向移动的垂直度0 0 2 3 0 0 m m 矿轴尾座轴线与回转台座线的同轴度 0 0 1 5 白e 意3 0 0 及 m m 1 1 0 0 2 全长 1 2铲轴转速范围5 - 3 0 r m i n 1 3 变频主轴转速范围3 0 0 8 0 r m i n 1 4 ) 【，y z 轴最大进给速度 6m s 1 5 x 、y 、z 轴定位精度 o 0 1m m 1 6x 、y 、z 轴重复定位精度0 0 2m m 1 7晶体直径尺寸误差0 0 2 加0 1 8 晶向主平口位置，即定位槽晶向角度误差 一一定位次数 i i 电机转速计算 由工作台进给速度可以计算出丝杠转速。，进而计算电机转速一 已知表3 1 中： - - 6 州m m ，只= o 6 m 丝杠转速：j 卫= 6 0 0 0 6 = 1 0 0 0 ( r m i n ) b 其中巧进给速度( m ，m j n ) ，己一为滚珠丝杠螺距( m ) 电机转速：。- 奶xr = 1 0 0 0 x 2 = 2 0 0 0 ( r m i n ) 其中；电机与丝杠之问采用圆弧齿同步带驱动，减速比1 r = l 2 ，所以且= 2 m 负载转矩计算 依据公式3 1 ，已知表3 1 中：肛卸2 ，w = - 2 5 0 k g , 最- - 0 0 0 6 m ，叮= 0 9 ，计算电 机在t 阶段的负载转矩 瓦- 幼r 町 2 z 2 x 0 9 8 2 。3 负载惯量分析计算 与负载转矩不同的是，只通过计算即可得到负载惯量的准确数值。不管是直线运动还 是旋转运动，对所有由电机驱动的运动部件的惯量分别计算，并按照规则相加即可得到负 载惯量。由以下基本公式就能满足立式滚磨机设计所需要的负载惯量。 ( 1 ) 圆柱体的惯量如图3 - 1 0 所示： 数控立式滚磨机电气设计 rl 。 、。j 一 f “ 1 飞 l ( c - ) 圈3 1 0 圆柱体的惯量示意图 d i a g r a m 3 - 1 0s k e t c hm a po fc o u n l n si n e r t i a 由下式计算有中心轴的圆柱体的惯量。如滚珠丝杠，齿轮等。 j 土3 2 9 8 0 + l d 船谢s 2 ) 或j j 一鲁心d 4 ( k g - m 2 ) ( 3 4 ) 式中：竹密度体g c 面 铁：y 一7 8 7 x 1 0 a k g c m 3 = 7 8 7 x l o s k g m 3 铝：y - 2 7 0 x l o s k g c m 3 = 2 7 0 x l o 噍g m 3 硅材料。y - 2 3 3 x l f f 3 k g c m 3 = 3 1 8 x 1 0 3 l 【g m 3 j b 惯l ( k g c m s 2 ) 或( k g - m 2 ) d ：圆柱体直径( 锄) 或( m ) 上：圆柱体长度( a 吣或( m ) ( 2 ) 直线运动体的惯量 用下式计算诸如工作台、工件等部件的惯量 小去( 訇2 他鼬s 2 ) 一叹勃2 他t m 2 ) 式中：矽：直线运动体的重量 匕；以直线方向电机每转移动量( 咖) 或( m ) ( 3 ) 具有变速机构时折算到电机轴上的惯量如图3 1l 所示： 图3 1 1 有变速机构时的惯量示意图 d i a g r a m3 - 1 1s k e t c hm a po fs h i ng e a r s si n e r t i a ( 3 5 ) 1 9 西安理工大学工程硕士学位论文 ，b ，2 、， 其中：乙z 2 为齿轮齿数 ( 4 ) 具有图3 1 2 所示空心圆柱体的惯量 图3 1 2 空心圆柱体惯量示意图 d i a g r a m3 - 1 2s k e t c hm a po fh o u o wc o l u m n si n e r t i a ( 3 6 ) ，- 翥工一d 1 ) 俺c m s b ( 3 7 ) 式中：弘密度a 【舳 二：柱体长度( 咖) d o ：柱体外径( 锄) d j ：柱体内径( 锄) ( 5 ) 带有配重体的垂直轴直线运动体惯量 对于垂直轴直线运动，当有配重时，务必考虑配重体的惯量，此时， l - 缈+ ) ( 刍2 ( k g - m 2 ) ( 3 名 式中；矸包配重体重量( k g ) 1 r ：减速比 名：滚珠丝杠螺距( m ) 通过以上分析，依据已知条件，结合机械结构特点负载惯量计算如下： i 立式滚磨机主轴座运动为直线运动体运动，按公式3 5 ，己知表3 - 1 中：m = 2 5 0 k g , p s ，o 0 0 6 m ，其惯量( - ，b ) ： ，n 。岛) 2 ：2 5 0 x ( 0 0 0 6 2 3 1 4 x 2 ) 2 - - o 2 2 8 x 1 0 - 3 ( k g m 2 ) 饼 i i 滚珠丝杠惯量( 如) 按公式3 5 计算，已知表3 - 1 中：= o 8 m ，= 0 0 4 m ， 小妻甲d ：= 量7 8 7 1 0 3 x o 0 4 4 x 0 8 = 1 5 8 1 0 3 ( k g m 2 ) 其中j ，一比重7 8 7 x 1 0 击( k g f m m 3 ) 厶 x 2 11，互乙，fi、 = 屯 数控立式滚磨机电气设计 i 多楔带轮为空心圆柱体，其惯量( j c ) ，按公式3 7 计算，已知表3 - 1 中m g - - 1 8 k g ， d x = 0 0 4 6 6 m ： j c 曩饼一所) = f 3 1 4 x 7 8 7 x 1 0 3 x o 0 5 x ( 0 4 7 9 9 4 0 1 9 4 ) 1 ( 3 2 x 9 8 0 ) # 0 0 0 2 7 x 1 0 3 ( k g m 2 ) i v 考虑所加工最大工件( 硅材料) 的惯量，其惯量( 矗) ，按公式3 4 计算 如- 土d 4 = ( 3 。1 4 x 2 。3 3 x 1 0 3 x 0 5 x 0 2 1 4 ) ( 3 2 x 9 8 0 ) 3 2 9 8 0 、 = 0 2 2 7 x 1 0 3 ( 1 【吕m ， v 电机轴上的负载惯量( j 工) ： j l = j l i + 3 1 4 - j c 4 - 3 炉2 0 3 8 x l f f 3 ( k d m 2 ) 3 2 4 运转功率及加速功率计算 得。 a 负载运行功率( p 口) 在电机选用中，除惯量、转矩之外，另一个注意事项即是电机功率计算。可按下式求 晶一等竽 ：2 a t x 2 0 0 0 x 0 5 2 ：1 0 9 ( w ) 式中：昂：运转功率( v 0 m 。：电机转速( r r a i n ) 五：负载转矩 m ) 其中 r 卅电机转速，以上计算得出：n 。= 2 0 0 0 r m i n 死负载转矩，以上计算得出：死= o 5 2 n m b 负载加速功率( 己) 只一当蚓2 誓 2 ( 吾z o o 。) x 警鄙“ 式中：；加速功率( w ) m ，：电机转速( r r a i n ) 以：负载惯性( 1 【g m 2 ) f 4 ：加速时间常数( s ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 西安理工大学工程硕士学位论文 其串电机转速由以上计算得出：- v - - o _ e e o r m i n 五电机轴上的负载惯量由以上计算得出：九= 2 0 3 8 1 0 3 k 辱m 2 3 2 5 伺服系统选用通用条件 伺服系统选用通用条件： 死 电机额定转矩； p 4 + 用= ( 1 2 ) 电机额定输出功率； 膈= 电机额定速度； 五= 伺服系统的允许负载惯量 暂选用m d m a 系列m d m a l 5 2 a 1 h 伺服电机( 2 0 0 0 r p m1 5 k w ) + m d d a l 5 3 a i a 伺服 驱动系统来校核所计算的参数，验证是否符合选型要求。其额定数据如表3 2 所示： 表3 - 2 伺服电机+ 伺服驱动系统额定参数表 s h e e t3 2r a t e dp a r a m e t e ro fs e r v om o t o ra n ds e r v os y s t e m 额定输出功率：1 5 0 0 w额定转速：2 0 0 0 r m i n额定转矩：7 1 5 n m 峰值转矩：2 1 5 n m 电机惯量：1 2 3 x 1 0 ( k g m 2 、 p g 脉冲数：2 5 0 0 p r 伺服系统的允许负载惯量：3 6 9 x 1 0 一( k g m 2 1 3 2 6 加速阶段电机负载转矩分析计算 a 加速阶段转矩分析 以指定的时间常数进行加速。一般来说，负载转矩有助于减速，如果加速不成问题， 以同一时间常数进行减速亦无问题。用加速速率乘以总惯量( 电机惯量+ 负载惯量) 计 算出加速转矩。加速时间f l 阶段内转矩有以下三种情况 ( 1 ) 对于线性加速情况 ( a )( b ) 图3 1 3 线性加速下速度变化图及加速转矩图 d i a g r a m 3 - 1 3 c h a n g eo fs p e e da n dt o r q u ew h e nl i n c a d t ys p e e d u p 数控立式滚磨机电气设计 线性加速情况速度变化及转矩与速度的关系如图3 一1 3 所示，加速转矩l 按下式 计算： 毛= 告觚l ，。( j = + j i x l 一p 叫 m m = 虬 1 一i 1 k 。( 1 一e ) ) 。1 2 ) 式中：t ：加速转矩( k g e m ) 以：快速进给时的电机转速( f 觚n ) t 。：加速时间( s ) j ：电机惯量o 【g 锄。s 2 ) 以：负载惯量( k g r c l n s ) m ：加速转矩减小时的始点( 不同于概) ( m m i ：n ) k ：伺服位置环增益( s 1 ) ( 2 ) 对于指数加减速情况 指数加速情况，其速度变化及转矩与速度的关系如图3 - 1 4 所示，加速转矩按 式计算： 藿 l 廿 ( s ) i 8 t o 图3 - 1 4 指数加速下速度变化图及不周速度所需的加速转矩图 d i a g r a m3 - 1 4c h a n g eo fs p c e da n dt o r q u ew h e ne x p o n a n t i a ls p d u p 写一等知昙( 厶 蜘啦k i 1 ，a 一等 乏一告幼4 - h l k ( 小以) 。j 3 西安理工大学工程硕士学位论文 。，一、， 一亡1 “一i 。j 当k - k 时， 五一生6 0 砌x k 。e ( j u + j 1 ) ，式中，p 一2 7 1 8 r - 虬( t 书一0 6 3 2 _ 【3 ) 指令速度突加情况 ( 二u 薛) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( a )( b ) 图3 - 1 5 指令速度突加下速度指令图及速度突加转矩图 d i a g r a m3 - 1 5c h a n g eo f s p e e da n dt o r q u ew h e ns a l t a t i o ns p e e d u p 指令速度突加情况下，其速度交化如图3 1 5 所示，转矩与速度的关系如图3 一1 3 所示，加速转矩死按下式计算： l - 告x 幼壬帆 式中，t 土 o k 。 ( 3 1 7 ) b 附加在电机轴上加速转矩计算 根据加速阶段分析，附加在电机轴上的负载转矩计算如下； ( 1 ) 所需加速转矩( 乙) ： t p = 掣+ 瓦 o 1 8 ：2石x2000(123+2126)104+052：755nm