双面精密研磨机运动控制的研究

1XX 大学航空制造工程学院创新能力综合训练研 究 报 告题 目：所属课题：学 院：专业名称：班级学号：学生姓名：合 作 者：指导教师：二 O 一二年 十二月 2小型零件空中水平运送方式的研究摘要：本研磨机是一台是能够对 4 英寸的晶片进行双面精密研磨的机器，所加工的晶片是光电子领域使用的人工晶体基片(如蓝宝石、水晶、硅、碳化硅等)。设计的主要任务是进行晶片双面精密研磨机的总体设计、传动系统设计和加载系统设计。加载方式采用气缸加载，加载压力的变化过程呈斜线式上升。在开始和结束时压力都要尽量减小，从而降低了上研磨盘的振动对工件造成的不良影响。为了使研磨过程中晶片运动轨迹复杂化，晶片放在保持架内，保持架成为由中心齿轮和齿圈所构成的差动轮系中的行星齿轮。使晶片的运动是行星运动和自转运动的合成运动。通过改变中心轴和空心轴的运动参数，即可获得不同的行星轮的运动轨迹。为使晶片研磨有较高的研磨效率，研磨盘表面加工有深 3 的十字形槽。此外，根据研磨机的工作原理，设计了它的控制系统。m将气动控制系统与电气控制系统联合控制，实现了研磨压力的精确控制，且工作效率高，安全可靠。通过研究双面研磨的加工机理，分析了双面研磨的运动过程，并运用计算机模拟了研磨运动轨迹，使研磨运动轨迹能达到研磨痕迹均匀并且不重叠。因此，加工后的晶体有很高的平面度，且两端面有较高的平行度。关键词: 双面研磨；研磨机设计；晶片；计算机仿真3主要创新点1、上下研磨盘做相反方向运动，工件在载体内作既公转又自转的游星运动。摩擦阻力小，不损伤工件，而且两面均匀磨削，生产效率高；2、游星轮损耗小，损耗量较一般研磨机减少三分之二；3、游星轮自转方向可改变，从而实现自动修正上、下研磨盘片面度误差；4、采用无级变速电机，功率足，起、停平稳；5、研磨压力分重、中、轻三种方式控制；6、研磨合理，运转过程中无渗漏研磨液现象；7、操作方便，运转灵活，加工精度及生产效率高。4目 录1、引言 52、研究方法 63、研究结果及分析 83.1、双面精密研磨机的总体设计 83.2、双面精密研磨机的传动系统设计 104、结论 135、参考文献 1451 引言机械制造技术的迅速发展主要体现在提高加工精度与生产率两个方面。随着材料科学技术的发展，新材料在各种元器件中得到了越来越广泛的应用，人们对加工精度的要求也越来越高。它与当代一些主要科学技术的发展有密切的关系，是当代科学发展的一个重要环节，而且，超精密加工技术的发展促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展 15。美国、英国和日本的超精密加工技术在国际上处于领先地位，这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高 15。我国的超精密加工技术在20世纪70年代末期有了长足进步，20世纪80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等。经过数十年的发展，现在超精密研磨技术已不仅仅是一种孤立的加工方法和单纯的工艺问题，而成为一项包含内容极其广泛的系统工程。它不仅需要超精密的设备和工具、超稳定的环境条件，还需要有经验的工人和熟练的加工技术。只有将各个领域的技术成就集结起来，才有可能达到材料加工的高要求。回顾过去的20世纪，人类取得的每一项重大科技成果,无不与制造技术，尤其与超精密加工技术密切相关。在某种意义上，超精密加工担负着支持最新科学发现和发明的重要使命。超精密研磨技术是特别指选用粒径只有几纳米的研磨微粉作为研磨磨料，用注入磨料的研具来去除微量的工件材料以达到高的几何精度(优于 ) 0.1m和优良表面粗糙度( ) 的方法，它可以实现镜面加工和高精度加工。Ra0.1m其技术目标主要有两类，一类是为降低表面粗糙度或提高尺寸精度；另一类是为实现功能材料元件的功能，要求解决与高精度相匹配的表面粗糙度和极小的变质层问题。超精密加工技术发展趋势是向更高精度、更高效率方向发展，不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。超精密加工技术向微小型器件加工方向发展,超精密加工机床向纳米级加工发展；向新型材料的超精密加工方向发展；超精密测量向纳米级精度发展。21世纪前10年将是超精密加工技术达到和完成纳米加工技术的关键10年。本次毕业设计的课题来源于江苏高校自然科学基础研究项目半导体照明衬底基片超精密抛光技术研究 ，国家高新技术新材料产业化重大专项年产70 万片 23 英寸蓝宝石衬底基片及其光学元件制备的产业化 。所设计的晶片双面精密研磨机能够对 4 英寸人工晶片进行高质量平行平面的研磨，被加工零6件的材料是光电子领域使用的人工晶体晶片，如蓝宝石、水晶、硅、碳化硅等。并使加工后人工晶体晶片的平面度为 10 微米，平行度也为 10 微米。且能对多种人工晶体进行大批大量生产。随着通讯、信息产业的迅速发展，各种光电子元件得到惊人的发展并趋于高性能化。为此，对光电子元件的关键零件的材料和加工精度提出了新的要求。要求基片晶体材料具有优良的压电、光电和热电性能；对元件基片加工精度的要求甚至达到纳米级；要求基片晶格具有无畸变的超光滑无损伤表面。基片表面存在任何微小缺陷都会破坏晶体材料表面性能，甚至导致结晶构造的变化，影响元件的工作精度和可靠性。此外，还要求高的加工成品率。因此，要满足现代光电子元件苛刻的精度和表面质量要求，超精密加工技术及其设备的发展迫在眉睫 12。我的主要设计任务是进行晶片双面精密研磨机的总体设计、传动系统设计和加载系统设计。所设计的研磨机能满足加工要求，保证加工精度，运转平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修和调整。定位方式为用地脚螺栓与地面固定，为了降低制造成本，使用的零部件大多采用通用部件。各动力部件能够用电气控制。由电动机通过带轮驱动蜗轮蜗杆减速器，经过蜗轮蜗杆减速器减速之后由齿轮输出。再通过齿轮传动和链传动分别驱动中心轴、托盘和齿圈，得到3个不同的运动形式。以保证与齿圈和中心齿轮啮合的工件保持架成行星轮形式，使工件在研磨时的运动是行星运动和自转运动的合成运动。加载部分采用气缸加载，通过上研磨盘施加到晶片上，进行研磨运动。2 研究方法2.1 文献研究法文献研究法是根据一定的研究目的或课题，通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地了解掌握所要研究问题的一种方法。文献研究法被子广泛用于各种学科研究中。其作用有：能了解有关问题的历史和现状，帮助确定研究课题。能形成关于研究对象的一般印象，有助于观察和访问。能得到现实资料的比较资料。有助于了解事物的全貌。 2.2 案例分析法个案研究法是认定研究对象中的某一特定对象，加以调查分析，弄清其特点及其形成过程的一种研究方法。个案研究有三种基本类型：(1)个人调查，即对所有研磨机中的某某一种进行调查研究；(2)团体调查，即对某种类的研磨机进行调查研究；(3)问题调查，即对某个现象或问题进行调查研究。 2.3 研究方法所起的作用从某种意义上说，有什么样的研究方法，就有什么样的科学研究。如果说7归纳法产生经典科学，假说演绎法产生相对论，那么系统方法则产生复杂科学，恰如手工铁铲代表农业社会、蒸汽机代表资本主义社会、计算机代表信息社会一样。研究方法对于社会进步、学科建设和学术规范均有重要的作用。 (1)有利于推进社会进步与社会发展。梁启超认为，牛顿万有引力定律、瓦特发明蒸汽机都与培根的归纳法有关。他指出，近代社会与古代社会、中世纪社会的差异很多，但一个显著差异就是科学研究方法的革新，科学研究方法的革新成为道德、政治、技术、器物等领域的进步的基础。科学研究方法不仅是一种纯粹的学理性思维，而且有利于科学进步，有利于国计民生。因而吸收西学研究方法，推动科学研究方法的变革，对当时的中国而言是势在必行。从近现代自然科学发展的历史来看，也可以看出研究方法的重要作用。伽利略、培根等科学家所倡导的科学实验方法，不仅为近代自然科学奠定了坚实的基础，而且还在自然科学与宗教神学、经验哲学的激烈斗争中取得了胜利。从16世纪哥白尼的天文学革命到17世纪末牛顿经典力学的完善，建立在科学实验基础上的自然科学成为人们定量表述自然规津的一种知识体系。最为重要的是，它改变了人们的科学观、自然观，导致了科学与工业的结合，使人类历史出现了第一次工业革命。 (2)有利于各门学科的可持续发展。研究方法的多寡优劣及其应用水平，直接影响着科学研究的效果、效率、效能。不少科学家都非常重视对于研究方法的科学探讨，甚至认为，一切理论探讨都可以归结为对其研究方法的科学探讨。特定学科的研究方法的完善，某种程度上表征着该学科的完善程度。如经济理论发展是与经济学研究方法的不断创新密不可分的。借助于数学方法，使经济学对经济规范的描述更加清晰、精确，逻辑性更为严密；通过使用抽样调查、谈话法等，使行为经济学成为经济学的一个很有生命力的分支学科。自古典经济学开始，天文学、力学、物理学等学科的发展都对经济学的发展产生过深刻的影响。情报学的发展也借助了数学、计算机科学、认识知识科学、经济学、心理学等领域的研究方法和成果，使其研究内容更加广泛，研究问题的角度更新、更有深度。现在科学的发展正呈现出一个杂交化、整体化的发展趋势，学科间的交叉与整合日益加强，其中一个重要的方面就是研究方法的相互借用、相互促进。研究方法的创新，将为各学科的理论发展提供有力的保障，同时也依赖于理论的指导。 (3)有利于学术规范的形成。学术规范是研究者在从事科学研究过程中所要遵循的一些基本程序、基本方法和要求，它是人们在长期从事科学活动过程中所形成的，而且在动态的过程中不断完善。研究方法是人们解决科学问题时所采取的一些基本手段、途径和规则，它对于学术规范的形成和完善有很重要的意义。自然科学研究方法中的实验方法、归纳方法、实证方法都要求有严密的论证过程和对结论的检验，是对自然规律的正确解释，这其中要求研究人员有一种“求真”与“平等”精神。唯物辩证法坚持实事求是，一切从实际出发的原则，要求科学研究人员有整体的、变动的眼光和“批判”的精神。人文主义的研究方法则要求关注人的生命与权利，肯定人的价值，它有助于培育科学研究者的主体性、原创性和独立性，培养其“独立”精神。8研究方法对于学术争鸣中的“平等”规范和学术评论中的“量性统一”同样具有一定的促进作用。这些都是学术规范的重要组成内容。我们应该努力把研究方法应用于科学研究中，并且注意把研究方法中所蕴含的积极精神转换成科学研究的规范。任何一项研究都离不开方法的支撑。没有研究方法的科学研究是不存在的，没有研究方法，其研究就成了无源之水、无本之木，就不是真正的研究。培根用实验法最早发现了热的运动本质；笛卡儿用他提出的直觉 演绎创立了解析几何学；伽利略用实验 数学方法发现了自由落体定律，运用理想实验出现了惯性定律，开创了动力学研究的先河；牛顿用公理化的方法、归纳与演罕的方法完成了经典力学体系；汤姆生、卢瑟福、玻尔等用模型化的方法揭开了物质微观粒子的结构，建立了各种原子结构模型；爱因斯坦运用理想实验方法、演绎方法和各种非理性的直觉、顿悟方法创立了相对论；康德和拉普拉斯运用思辨的方法与假说方法提出了天体演化学说；拉瓦锡用定量方法、理论思维方法创立了氧化学说；凯库勒以基本灵感与想象发现了苯的环状结构式；门捷列夫用分类、比较法发现了元素周期表；海特勒与伦敦等把量子力学的理论引入了化学研究，创立了量子化学。达尔文用观察法、实验法、分类法、比较法等提出了进化论。从中不难发现，这些物理学、化学、天文学等自然科学领域的研究成果都是通过各种各样的方法来实现的。吴文俊的数学、袁隆平的杂交水稻等最新研究成果也都是采用新的方法取得的，因此，要想做好研究工作，取得一定研究成果，必须使用一定的研究方法。 1 应在研究计划、研究报告、学位论文中明确提及使用何种研究方法 在研究计划、研究报告、学位论文等研究成果中，明确把自己的研究方法提出来，这样做至少有两个作用。其一，可以增加成果的可信度和可行性，以利于读者审核、检验；其二，可以为以后做相关课题或项目的研究人员提供参考，进而有利于研究工作的可持续发展。无论论文还是研究报告，或者是硕士学位论文、博士学位论文，在论文的摘要中都要用一定的篇幅来对自己的研究方法进行描述，清楚地表达对研究数据的处理过程、对论证材料的组织和加工、对理论运用和实践活动的思考。可以说，没有研究方法的论文是不符合要求的，没有明确提到使用何种研究方法的论文是不完整的。 3 研究结果及分析3.1 双面精密研磨机的总体设计1） 制定晶片双面精密研磨机的工艺分析研磨加工，是在刚性研具表面注入磨料，在一定压力下，通过研具与工件的相对滑动，借助磨粒的微切削作用去除被加工表面微量材料的精密加工方法 4。精密加工的发展趋势是向着高精度、高效率、微型化以及数控自动一体化9方向发展。高精度平面的精密加工是机械加工的一大难题，随着科学技术的不断发展，特别是精密机械工业的发展，可靠、高效和高精度的平面加工显得尤为重要，况且研磨机磨削工件时，研磨盘同时在随磨削损耗而变化。因此，如何确保研磨盘的精度在所需精度范围内，是高精度平面加工的关键。超薄晶体零件的高精度、高质量和低成本等加工要求，对超精密加工技术的发展提出了新的需求。精密平面研磨可以采用单面研磨或双面研磨方式加工。2）双面研磨方式进行高质量平行平面研磨时使用双面研磨方式。双面研磨法能避免由夹具的粘结误差及薄片工件两面的应力差引起的变形问题。双面研磨的结构简图如图2-2所示。研磨的工件放在工件行星轮内，上下均有研磨盘。研磨垫固定在上研磨盘和下研磨盘的表面，被加工晶片放在由中心齿轮和内齿圈组成的差动轮系内。研磨压力则由气缸加压上研磨盘实现。为减少研磨时晶片所受的作用力，一般使上研磨盘和下研磨盘分别以大小相等、方向相反的角速度旋转。晶片的运动由行星轮带动，同时在上、下研磨盘研磨压力的作用下产生自转，因此晶片的运动是行星运动和自转运动的合成运动。图2-2 双面研磨机结构简图3）双面精密研磨机的工艺分析由于所加工的工件是4英寸的人工晶体，工件厚度为 ，并能对其进行0.5m双面精密研磨，加工后人工晶体晶片的平面度为10微米，平行度也为10微米。为满足加工要求和保证加工精度，并考虑到所设计的研磨机应运转平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修和调整，应采用双面研磨加工方式。104）确定双面精密研磨机的总体结构方案研磨机外形尺寸为96010002100 ，重量为2000 。研磨机通过mkg地脚螺栓与地面固定。为了方便控制，晶片双面精密研磨机各动力部件用电气控制。为得到均匀不重复的研磨轨迹，工件保持架制成行星轮形式，外面和齿圈啮合，里面和中心齿轮啮合。这样，通过中心齿轮和齿圈的运动，使工件在研磨时的运动是行星运动和自转运动的合成运动。所以研磨机必须要有3个运动，即下研磨盘的转动、中心齿轮的运动和外齿圈的运动。3.2 双面精密研磨机的传动系统设计1） 传动系统的选择研磨机由电动机通过带轮带动蜗轮蜗杆减速器，经过蜗轮蜗杆减速器减速之后由齿轮4输出，再通过齿轮传动驱动各运动部件各自转动。研磨机的传动示意图如图3-1所示。图 3-1 研磨机传动示意图2）传动系统零件设计带传动能缓冲和吸振，传动平稳，噪声小，适合中心距较大的传动，结构简单，制造安装和维护较为方便，用于速度较高的场合。应此在高速级选用带传动 17。齿轮传动的传动比恒定，工作平稳，传动正确可靠，适用的功率和速度范围广，传动效率高， =0.940.96，工作可靠，使用寿命长，因此，各轴间大都选用齿轮传动，相互啮合的齿轮有一定的传动比 16。齿轮 2电动机齿轮 1齿轮 3链轮 1链轮 2齿轮 4双联齿轮蜗轮蜗杆减速器11链传动没有弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比，作用在轴上的载荷较小，承载能力大，效率高， =0.900.93，而且能吸振，并能缓和冲击，安装精度要求低，考虑研磨机的传动速度不高，并有一定的冲击，因此在低速级，中心轴与轴 2 之间的传动选择链传动 17。根据研磨机结构要求，需要有两根实心轴和一根空心轴。各轴间有齿轮传动和链传动。考虑到轴上各零件的布置，轴应做成阶梯轴。1、电动机的选择考虑研磨机所需功率和传动装置的总效率，查文献1表 10-8，选择电动机的型号为 Y100L2-4，电动机的额定功率为 ，转速为 。根3mPkW1430/minr据电动机所需功率 =1 1.3 ，因此取 5。mP002.52、 带传动的设计计算根据研磨机传动需求和电动机的额定功率为 ，转速 ，k1/ir每天工作 8 小时，设计合理的 V 带传动 5。A.选择 V 带型号根据 =3kW，转速 ，查文献17图 4.11，选 A 型 V 带。caP1430/innrB确定带轮直径 、d2a）选取小带轮直径查文献17图 4.11 及表 4.4，选取小带轮直径 。190dmb）验算带速 160943 ./dnvmsc）确定从动带轮直径 2d查文献16表 11-9 推荐的传动比的合理范围，取 V 带传动的传动比。1.5i带 21= .5903dim带d）确定从动轮实际转速 2n1=/40.593/inir带C确定中心距 和带