CN103264352A

CN103264352A - 大型环抛机的抛光液循环过滤注液装置

Info

Publication number: CN103264352A
Application number: CN2013101504398A
Authority: CN
Inventors: 陈国凯; 顿爱欢; 杨明红; 徐学科; 易葵
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2013-08-28

Abstract

一种大型环抛机的抛光液循环过滤注液装置，主要包括容置大理石抛光盘和抛光胶盘的大型容器、抛光液回收罐、储液罐和电子计算机，储液罐设有液位开关、换热器、热循环泵、温度传感器、搅拌机、浓度计和pH计。本发明可实现大型环抛机抛光液循环、过滤、注液的机械化和自动化，抛光液的循环回收再利用，节约了成本，避免了环境污染。

Description

大型环抛机的抛光液循环过滤注液装置

技术领域

本发明专利涉及光学元件表面或者微电子中晶片抛光的加工设备，尤其是对大尺寸光学玻璃元器件的表面进行精密抛光的大型环形抛光机，特别针对环抛工艺中的抛光液循环过滤注液的专用设备。

背景技术

环形抛光技术是目前世界上几乎唯一的大口径、全局化平面光学元件加工技术，它是将待抛光工件在一定的压力及抛光液的存在下相对于抛光胶盘做旋转运动，借助磨粒的机械磨削作用以及化学氧化剂的腐蚀作用来完成对工件表面的材料去除并获得光洁表面。与其它技术相比，这种技术可以同时实现大口径工件的局部和全局平面化，能够消除工件表面的高点和波浪形，消除高频缺陷，表面加工质量能够达到超光滑的程度；平面化速度快，加工精度高，应用范围广，生产成本低，适合工业大规模推广。环抛机是这种技术的主要载体。随着现代科学技术的飞速发展，光学元件的通光口径和加工精度要求越来越高，因此环抛机也向大型化、自动化的方向发展，台面直径由原来的1m、1.2m逐渐发展到目前的2.4m，2.8m甚至4m以上等，而且机械化、自动化程度越来越高。一般来说，环抛机主要包括一个由电机驱动旋转的大理石抛光盘（PG），该抛光盘的上表面浇注一层厚度、性能均匀的抛光胶盘，参见图1所示。当环抛机开始工作时，将待加工工件平放在抛光胶盘上，同时开动电机驱动抛光盘（PG）以一定的速度绕中心旋转，同时在抛光胶盘上喷洒一定量的抛光液，抛光液中含有特殊粒径、尺寸、形状的抛光粉颗粒。当抛光盘以一定的速度转动时，工件在抛光胶盘上同时做无规则的移动或转动，并与抛光胶盘上的抛光粉颗粒产生摩擦作用，从而对工件与抛光胶盘的接触面进行材料去除以获得光滑表面。由上述可知，抛光液的颗粒性能和稳定性对工件的抛光效果影响极大。

随着现代科学技术的飞速发展，很多领域对光学元件的表面加工性能提出了更高的要求；同时对大型环抛机加工光学元件领域的环境问题和能源问题也越来越重视。在大型环抛机加工光学元件过程中，抛光液的添加和排出是连续进行的，这一方面为抛光过程提供充足的抛光粉颗粒达到最大磨削率的效果，另一方面便于水分的循环流动，使抛光过程中产生的热量及时散发，保证抛光胶盘的面形稳定。目前利用大型环抛机加工光学元件采用的抛光粉主要为CeO₂，是一种重金属元素氧化物，对于环境和人体的危害很大；另外，在光学元件加工过程中，抛光液的添加为人工一次性添加方式，即工人自发的将抛光液直接喷洒到抛光胶盘上，随着抛光过程的进行，使用后的抛光液不经过后处理直接排放到环境中。这样既造成了很大的浪费，提高了生产成本，又对周围环境造成较大的污染。据统计，一台环抛机一天的抛光液消耗量约为两千元，这不利于该领域长期的、可持续发展的要求。此外，当前的人工添加抛光液的操作方式对工人的经验依赖较大，缺乏长时间的稳定性和可控性，不利于抛光液的实时监控和检测，标准化程度低。最后，现代大型环抛机直径往往达4m以上，单纯依靠人工方式缺乏对抛光胶盘的整体性把握，容易造成抛光液添加不稳定，工件磨削不均匀，而且人工添加方式劳动强度大，工作效率低，不能实现抛光的确定性加工。

发明内容

本发明专利的目的在于提出一种大型环抛机的抛光液循环过滤注液装置，以实现大型环抛机抛光液循环过滤注液的机械化和自动化控制，克服原有的依靠经验的人工作业方式，有利于抛光液性能指标的实时监控和检测的定量化，提高大型环抛机的自动化程度。

本发明的技术解决方案如下：

一种大型环抛机的抛光液循环过滤注液装置，该装置包括一个容置大理石抛光盘和抛光胶盘的大型容器，该大型容器的底部设有一个出液口，该出液口通过导液管与抛光液回收罐相连，该抛光液回收罐中设有抛光粉超声波细化装置，该抛光液回收罐的出口经第一送液泵、第一液过滤器通过管道与储液罐相连通，该储液罐设有液位开关、换热器、热泵、温度传感器、搅拌机、浓度计和pH计，该储液罐还与抛光原液添加管道、草酸添加管道和去离子水添加管道相连，该储液罐的抛光液输出端口通过管道依次经第二送液泵、超声搅拌器和第二液过滤器与喷嘴装置相连，该喷嘴装置置于所述的抛光胶盘的上方，所述的液位开关、换热器、热泵、温度传感器、搅拌机、浓度计和pH计通过信号线与电子计算机相连，所述的原液添加管道、草酸添加管道和去离子水添加管道分别设有第一开关控制器、第二开关控制器和第三开关控制器，所述的第一开关控制器、第二开关控制器和第三开关控制器通过信号线与电子计算机相连。

还有第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，第一开关处于第一液过滤器和储液罐之间的管道上，用于控制注入储液罐的抛光液管道的通闭，在环抛机运行过程中处于开通状态；第三开关处于储液罐抛光液输出端口和第二送液泵之间的管道上，用于从储液罐流出的抛光液管道的通闭，在环抛机运行过程中处于开通状态；第四开关处于第二液过滤器和喷嘴装置之间的管道上，用于抛光液最终喷洒阶段的管道通闭，在环抛机运行过程中处于开通状态；第二开关用于清洗储液罐时废液排出管道的通闭，环抛机运行一段时间后需要对储液罐进行清洗，此时关闭环抛机，向储液罐中注入清洗进行清洗，清洗完毕后，打开第二开关使废液排除。

本发明储液罐设有的换热器、温度传感器和热泵均与电子计算机相连通，根据温度传感器的实时监测的温度值，由电子计算机发出信号进行热交换；所述的热循环泵与所述的换热器形成抛光液热交换循环通道，换热器的另一端与热泵相连，抛光液在换热器内与热泵之间进行实时热交换，保证抛光液的温度稳定。从抛光液回收罐中注入到储液罐的抛光液的温度由温度传感器实时监测，如果温度高于设定温度，则抛光液在热循环泵、换热器和热泵的作用下进行热交换，进而降低抛光液温度；如果温度低于设定温度，则抛光液在热循环泵、换热器和热泵的作用下与外界进行热交换，进而提高抛光液温度，经过上述过程保证储液罐中抛光液温度的稳定性。

所述的抛光液在储液罐中由搅拌机持续搅拌。与该储液罐连通的抛光原液添加管道、草酸添加管道和去离子水添加管道的开关控制器均由电子计算机控制。抛光液的pH值由pH计实时监测，pH计与电子计算机相连通，电子计算机根据实时监测的pH值，输出命令控制第二开关控制器的开闭状态：如果储液罐中的抛光液pH值与设定值不符合，则打开第二开关控制器，通过草酸添加管道添加草酸来调节抛光液的pH值，待pH计测量的pH值与设定值相符时，则关闭第二开关控制器。抛光液浓度由浓度计实时监测，并输入电子计算机，电子计算机根据实时监测的浓度值，控制第一开关控制器和第三开关控制器的开闭状态：如果测量的抛光液浓度值低于设定浓度值，则打开第一开关控制器，通过抛光原液添加管道添加抛光原液来提高抛光液的浓度值；如果测量的抛光液浓度值高于设定浓度值，则打开第三开关控制器，通过去离子水添加管道添加去离子水来降低抛光液的浓度值。待浓度计测量的浓度值与设定值相符时，则关闭第一开关控制器或者第三开关控制器。

所述的抛光液回收罐中的超声波细化装置用于抛光粉的细化；超声搅拌器用于抛光液的搅拌，二者的功率和频率可以根据需要进行调节。第一液过滤器和二次液过滤器为多层膜式过滤装置，可以根据需要对抛光液进行单级或多级分层过滤处理。

本发明专利中处理稳定的抛光液通过喷嘴装置直接喷洒到抛光胶盘上。该喷嘴设置在抛光盘上方，抛光液流量可以通过流量计根据实际抛光需要自行调节。

本发明专利的优点是：

经过本装置处理后的抛光液的pH值和温度均保持稳定，且持续时间较长；另外，抛光液的中位粒径和次高峰所占百分比为抛光液的两个重要参数，经过本装置处理后的抛光液由原来较高的指标参数（中位粒径0.912μm，次高峰所占百分比40%）降低到较低的指标参数（中位粒径0.639μm，次高峰所占百分比约20%），该装置细化和过滤效果突出。最后，该装置使机械化和自动化代替了原来的人工操作，减轻了工人的劳动强度；抛光液的性能指标得到定量监控，同时抛光液的添加效率也大大提高；最后实现抛光液的循环回收再利用，节约了抛光成本，减轻了环境污染。

附图说明

图1为本发明大型环抛机的抛光液循环过滤注液装置最佳实施例的结构示意图；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的变换范围。

先请参阅图1大型环抛机的抛光液循环过滤注液装置最佳实施例的结构示意图，由图可见，大型环抛机的抛光液循环过滤注液装置的最佳实施例构成包括一个容置大理石抛光盘PG和抛光胶盘的大型容器RQ，该大型容器的底部设有一个出液口，该出液口通过导液管DN50与抛光液回收罐TK1相连，该抛光液回收罐中设有抛光粉超声波细化装置CS，该抛光液回收罐的出口经第一送液泵PU1、第一液过滤器FL1通过管道与储液罐TK2相连通，该储液罐设有液位开关LS1、换热器HE1、热循环泵PU3、热泵PU4、温度传感器TE1、搅拌机MX1、浓度计ND1和pH计PH1，该储液罐还与抛光原液添加管道DN13、草酸添加管道DN14和去离子水添加管道DN15相连，该储液罐的抛光液输出端口通过管道依次经第二送液泵PU2、超声搅拌器MX3和第二液过滤器FL2与喷嘴装置DN1相连，该喷嘴装置DN1置于所述的抛光胶盘的上方，所述的液位开关LS1、换热器HE1、热泵PU4、温度传感器TE1、搅拌机MX1、浓度计ND1和pH计PH1通过信号线与电子计算机PC相连，所述的原液添加管道DN13、草酸添加管道DN14和去离子水添加管道DN15分别设有第一开关控制器KG5、第二开关控制器KG6和第三开关控制器KG7，所述的第一开关控制器KG5、第二开关控制器KG6和第三开关控制器KG7通过信号线与电子计算机PC相连，第一开关KG1处于第一液过滤器FL1和储液罐TK2之间的管道上，用于控制注入储液罐TK2的抛光液管道的通闭，在环抛机运行过程中处于开通状态；第三开关KG3处于储液罐TK2抛光液输出端口和第二送液泵PU2之间的管道上，用于从储液罐TK2流出的抛光液管道的通闭，在环抛机运行过程中处于开通状态；第四开关KG4处于第二液过滤器FL2和喷嘴装置DN1之间的管道上，用于抛光液最终喷洒阶段的管道通闭，在环抛机运行过程中处于开通状态；第二开关KG2用于清洗储液罐TK2时废液排出管道的通闭，环抛机运行一段时间后需要对储液罐TK2进行清洗，此时关闭环抛机，向储液罐TK2中注入清洗进行清洗，清洗完毕后，打开第二开关KG2使废液排除。

本发明中的储液罐中设有的换热器、温度传感器和热泵均与电子计算机相连通，根据温度传感器的实时监测的温度值，由电子计算机发出信号进行热交换；所述的热循环泵与所述的换热器形成抛光液热交换循环通道，换热器的另一端与热泵相连，抛光液在换热器内与热泵之间进行实时热交换，保证抛光液的温度稳定。

本发明中的抛光液在储液罐中由搅拌机持续搅拌。与该储液罐连通的去离子水添加管道、草酸添加管道和抛光原液添加管道的开关控制器均由电子计算机控制。抛光液的pH值由pH计实时监测，并与电子计算机相连通，根据实时监测的pH值，由电子计算机控制开关控制器的开闭状态。抛光液浓度由浓度计实时监测，并与电子计算机相连通，根据实时监测的浓度值，由电子计算机控制开关控制器的开闭状态。

抛光液的循环过滤注液实际上是对抛光液的循环回收再利用，经过过滤、细化、恒温处理后抛光液仍然满足抛光的实际需要。该发明大大降低了生产成本，对环境的污染程度也大大减轻；同时机械化和自动化代替了原来的人工操作，减轻了工人的劳动强度；而且抛光液的性能指标得到定量监控，有利于实现抛光的定量化加工。

经过该发明装置处理前后的抛光液性能指标对比得知：经过本装置处理后的抛光液的pH值和温度均保持稳定，且持续时间较长；另外，抛光液的中位粒径和次高峰所占百分比为抛光液的两个重要参数，未经过本发明处理的抛光液参数，中位粒径0.912μm，次高峰所占百分比约40%；经过本发明处理的抛光液参数，中位粒径0.639μm，次高峰所占百分比约20%；性能指标比处理前有了较大提高。该装置满足抛光的实际需要，具有一定的应用潜力。

实验表明，本发明实现了大型环抛机抛光液循环、过滤、注液的机械化和自动化，抛光液的循环再利用，节约了成本，避免了环境污染。

Claims

1.一种大型环抛机的抛光液循环过滤注液装置，该装置包括一个容置大理石抛光盘（PG）和抛光胶盘的大型容器（RQ），该大型容器的底部设有一个出液口，该出液口通过导液管（DN50）与抛光液回收罐（TK1）相连，该抛光液回收罐中设有抛光粉超声波细化装置（CS），该抛光液回收罐的出口经第一送液泵（PU1）、第一液过滤器（FL1）通过管道与储液罐（TK2）相连通，该储液罐设有液位开关（LS1）、换热器（HE1）、热循环泵（PU3）、热泵（PU4）、温度传感器（TE1）、搅拌机（MX1）、浓度计（ND1）和pH计（PH1），该储液罐还与抛光原液添加管道（DN13）、草酸添加管道（DN14）和去离子水添加管道（DN15）相连，该储液罐的抛光液输出端口通过管道依次经第二送液泵（PU2）、超声搅拌器（MX3）和第二液过滤器（FL2）与喷嘴装置（DN1）相连，该喷嘴装置（DN1）置于所述的抛光胶盘的上方，所述的液位开关（LS1）、换热器（HE1）、热泵（PU4）、温度传感器（TE1）、搅拌机（MX1）、浓度计（ND1）和pH计（PH1）通过信号线与电子计算机（PC）相连，所述的原液添加管道（DN13）、草酸添加管道（DN14）和去离子水添加管道（DN15）分别设有第一开关控制器（KG5）、第二开关控制器（KG6）和第三开关控制器（KG7），所述的第一开关控制器（KG5）、第二开关控制器（KG6）和第三开关控制器（KG7）通过信号线与电子计算机（PC）相连。

2.根据权利要求1所述的大型环抛机的抛光液循环过滤注液装置，其特征在于：还有第一开关（KG1）、第二开关（KG2）、第三开关（KG3）和第四开关（KG4），第一开关（KG1）处于第一液过滤器（FL1）和储液罐（TK2）之间的管道上，用于控制注入储液罐（TK2）的抛光液管道的通闭，在环抛机运行过程中处于开通状态；第三开关（KG3）处于储液罐（TK2）抛光液输出端口和第二送液泵（PU2）之间的管道上，用于从储液罐（TK2）流出的抛光液管道的通闭，在环抛机运行过程中处于开通状态；第四开关（KG4）处于第二液过滤器（FL2）和喷嘴装置（DN1）之间的管道上，用于抛光液最终喷洒阶段的管道通闭，在环抛机运行过程中处于开通状态；第二开关（KG2）用于清洗储液罐（TK2）时废液排出管道的通闭，环抛机运行一段时间后需要对储液罐（TK2）进行清洗，此时关闭环抛机，向储液罐（TK2）中注入清洗进行清洗，清洗完毕后，打开第二开关（KG2）使废液排除。