研磨機(jī)搖臂軸實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 軍 王英英 董 會(huì)

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng)621900）

0 引言

研磨機(jī)主要用于KDP晶體化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）的實(shí)驗(yàn)研究，CMP技術(shù)由于化學(xué)作用和機(jī)械作用同時(shí)參與，且拋光過(guò)程化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)可控，涉及的參數(shù)較為復(fù)雜，因此，研磨機(jī)的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)控制對(duì)于有效實(shí)現(xiàn)KDP晶體化學(xué)機(jī)械拋光具有關(guān)鍵性作用。

為此，根據(jù)研磨機(jī)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的要求和現(xiàn)場(chǎng)情況，結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研，通過(guò)設(shè)計(jì)加裝用于主動(dòng)控制工件轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)搖臂軸以實(shí)現(xiàn)工件轉(zhuǎn)速可調(diào)，從而減少由于儀器本身所產(chǎn)生的不可控因素。通過(guò)改造加裝了搖臂軸控制系統(tǒng)，在保證主轉(zhuǎn)盤公轉(zhuǎn)的前提下，又實(shí)現(xiàn)了研磨樣品的自轉(zhuǎn)，且方向、速度均可調(diào)，拋光環(huán)的速度在20～70 r/min區(qū)間段均勻可調(diào)，樣品速度在20～70 r/min相應(yīng)可調(diào)，速度波動(dòng)率為±3 r/min。以下將從研磨機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)調(diào)試等幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 研磨機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)前期調(diào)研和試驗(yàn)，自行設(shè)計(jì)的研磨機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，拋光研磨機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)主要包括主轉(zhuǎn)盤公轉(zhuǎn)和研磨環(huán)即研磨樣品的自轉(zhuǎn)兩部分，主轉(zhuǎn)盤的公轉(zhuǎn)方向分為順時(shí)針公轉(zhuǎn)和逆時(shí)針公轉(zhuǎn)；研磨環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)小齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，小齒輪作為主動(dòng)輪與研磨環(huán)上半部分齒輪嚙合，帶動(dòng)研磨環(huán)即研磨樣品自轉(zhuǎn)，同時(shí)導(dǎo)向軸承與研磨環(huán)下半部分相切，起到了導(dǎo)向研磨的作用。研磨拋光機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖如圖1（b）所示。自主設(shè)計(jì)的拋光研磨機(jī)搖臂軸結(jié)構(gòu)大大改善了研磨拋光機(jī)的功能，在保證主轉(zhuǎn)盤公轉(zhuǎn)的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)了研磨樣品的自轉(zhuǎn)，且方向、速度均可調(diào)，通過(guò)設(shè)置不同的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)研磨樣品拋光軌跡均勻。

圖1 研磨機(jī)構(gòu)

根據(jù)研磨機(jī)使用要求和現(xiàn)場(chǎng)情況，研磨環(huán)外徑95 mm，內(nèi)徑81 mm，厚29.5 mm；限位軸承外徑30 mm，內(nèi)徑10 mm，厚9 mm。兩個(gè)限位軸承之間的軸心距離為100 mm。由此可利用公式（1），計(jì)算出研磨環(huán)和限位軸承之間的軸心距離為62.5 mm。

式中：a為中心距；m為模數(shù)；z1為大齒輪齒數(shù)；z2為小齒輪齒數(shù)。

該機(jī)構(gòu)對(duì)力矩?zé)o特殊要求，只需尺寸滿足。通過(guò)繪圖選型，齒輪模數(shù)m=1，大齒輪公稱直徑110 mm，小齒輪公稱直徑15 mm。因齒輪使用力矩很小，大齒輪安裝方式為臺(tái)階定位，過(guò)盈配合。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)研磨機(jī)驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，初步設(shè)想了兩種方案：直流調(diào)速器+直流電機(jī)和上位控制器+步進(jìn)驅(qū)動(dòng)+步進(jìn)電機(jī)。但是考慮直流調(diào)速對(duì)模擬量要求很高，使用過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生較大干擾，后一種方案受影響較小，故最終確定電氣控制方案為上位控制器+步進(jìn)驅(qū)動(dòng)+步進(jìn)電機(jī)。詳細(xì)電氣圖如圖2所示。

圖2 電氣原理圖

3 總結(jié)與結(jié)論

將該研磨拋光機(jī)搖臂軸實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)用于旋轉(zhuǎn)重力式研磨拋光機(jī)。通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)拋光樣品的拋光速度進(jìn)行調(diào)控，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

旋轉(zhuǎn)重力式研磨機(jī)搖臂軸智能控制系統(tǒng)操作方便，實(shí)現(xiàn)了工件自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定且可控的控制。通過(guò)設(shè)計(jì)加裝用于主動(dòng)控制工件轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)搖臂軸，旋轉(zhuǎn)重力式研磨機(jī)設(shè)備能力得到了大幅度提升。

該系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了工件轉(zhuǎn)速可調(diào)，又減少了儀器本身所產(chǎn)生的不可控因素的影響，提升了設(shè)備的能力，改善了KDP晶體化學(xué)機(jī)械拋光的效果，且提高了工作效率。

表1 改進(jìn)前后轉(zhuǎn)速比較表