CN103744347B - 采用用于滚磨机的x射线定向仪的定向方法 - Google Patents
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Abstract
用于滚磨机的X射线定向仪及其定向方法,属于单晶体加工技术领域。定向仪:X射线探测器输出端与信号调理模块的输入端相连,信号调理模块输出端与A/D转换器输入端相连,微控制单元采样控制模块输出端经输入输出接口通讯模块与滚磨机数控系统相连。定向方法:驱动单晶棒以中速旋转一圈,确定半峰宽及峰值强度最优的晶向,并发送至滚磨机数控系统;驱动单晶棒以高速旋转到最优的晶向起始测量位置后,再驱动单晶棒以低速旋转60度;通过X射线探测器扫描单晶棒,确定半峰宽及峰值强度最优晶向半峰宽起始点和截止点的X射线衍射强度值;驱动单晶棒以高速旋转到最优的晶向起始测量位置后,再驱动单晶棒以低速旋转,确定最终的定向晶向位置角度。
Description
技术领域
本发明属于单晶体加工技术领域,特别是涉及一种采用用于滚磨机的X射线定向仪的定向方法。
背景技术
目前,在单晶体加工领域,单晶体定向、磨削是两道关键的加工工序。其中,单晶体定向使用X射线定向仪,它是一种利用X射线衍射特性的测量仪器,它可以精密快速的测定人造单晶内部的原子面与加工表面之间的夹角。磨削工序使用精密数控机床-滚磨机,它主要用于对单晶体径向及定位面研磨。
目前,由于单晶体磨削加工设备是一个封闭的数控系统,故对单晶体的晶向定位和磨削加工是分开的。传统的定向仪对单晶体进行定向有两种方式:一种是人工定向,通过手动转动待测单晶体,然后观察定向仪X射线强度表大小,判断晶向位置,此种定向方式定向精度低,同时存在人工定向的随机操作误差,产品一致性无法保证;另一种是半自动定向仪,使用伺服电机驱动单晶体慢速旋转,定向仪控制单元采集X射线衍射强度值,同时利用高精度编码器记录峰值位置,此种定向方式定向精度高,生产效率相对提高,但是由于使用了高精度编码器和伺服控制系统,价格非常昂贵。同时,以上两种定向方式定向后均需要将单晶体使用夹具固定到磨削加工设备中,由于安装和夹具因素的影响,导致最终磨削的定位面的精度降低。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供一种可精确定位单晶棒晶向位置的采用用于滚磨机的X射线定向仪的定向方法。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案,一种用于滚磨机的X射线定向仪,包括信号处理单元和检测处理单元;
所述信号处理单元包括X射线探测器和信号调理模块,所述检测处理单元包括微控制单元采样控制模块和输入输出接口通讯模块;所述X射线探测器的输出端与信号调理模块的输入端相连接,信号调理模块的输出端与微控制单元采样控制模块的A/D转换器的输入端相连接,微控制单元采样控制模块的输出端经输入输出接口通讯模块与滚磨机数控系统相连接。
采用所述的用于滚磨机的X射线定向仪的定向方法,包括如下步骤:
步骤一:通过滚磨机驱动单晶棒以中速旋转一圈,并通过X射线探测器扫描单晶棒衍射的X射线,X射线探测器输出信号经信号调理模块后,经微控制单元采样控制模块的A/D转换器转换成数字信号,从而得到单晶棒每个晶向的X射线衍射强度值;通过所述的单晶棒每个晶向的X射线衍射强度值确定单晶棒每个晶向的半峰宽及峰值强度并且标记每个晶向序号;通过所述的单晶棒每个晶向的半峰宽及峰值强度确定半峰宽及峰值强度最优的晶向,并将该最优的晶向序号通过输入输出接口通讯模块发送至滚磨机数控系统;
步骤二:通过滚磨机驱动单晶棒以高速旋转到最优的晶向起始测量位置后,再驱动单晶棒以低速旋转60度,所述的最优的晶向起始测量位置为单晶棒旋转最优的晶向序号乘以60度的角度后的位置;并通过X射线探测器扫描单晶棒衍射的X射线,X射线探测器输出信号经信号调理模块后,经微控制单元采样控制模块的A/D转换模块转换成数字信号,通过该数字信号确定半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽的起始点和截止点的X射线衍射强度值;
步骤三:通过滚磨机驱动单晶棒以高速旋转到最优的晶向起始测量位置后,再驱动单晶棒以低速旋转,通过X射线探测器扫描单晶棒衍射的X射线,X射线探测器输出信号经信号调理模块后,经微控制单元采样控制模块的A/D转换模块转换成数字信号;通过该数字信号实时与步骤二中得到的半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽的起始点和截止点的X射线衍射强度值进行对比,若X射线衍射强度值达到半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽的起始点和截止点的X射线衍射强度值,则微控制单元采样控制模块通过输入输出接口通讯模块向滚磨机数控系统发送控制信号,令滚磨机数控系统记录单晶棒半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽的起始点和截止点的角度信息;滚磨机数控系统通过该单晶棒起始点和截止点的角度信息,确定最终的定向晶向位置角度;
所述的低速是指1.8~3度/分,所述的中速是指10~18度/分,所述的高速是指700~740度/分。
本发明的有益效果:
本发明从多个晶向中寻找到最优晶向,同时通过半峰宽及峰值强度来确定最终的定向晶向位置角度;定向精度高,有效避免了高峰震荡引起的定向精度不高的问题;同时,本发明具有多峰检测功能,可以精确对单晶棒中最终的定向晶向位置角度定向。
本发明充分利用了现有的滚磨机数控系统资源和其精密的测控功能,这种一体化加工方式达到了降低设备成本、保证产品一致性、显著提高产品精度和生产效率的目的;同时,采用输入输出接口通讯模块通信方式简单、可靠,不受滚磨机原有数控系统封闭性的影响,使本发明应用范围广,适用性强。
本发明对X射线探测器输出的信号进行调理及采集,通过采集得到数据得出单晶棒每个晶向的半峰宽和峰值强度,通过单晶棒每个晶向的半峰宽及峰值强度确定半峰宽及峰值强度最优的晶向,并通过输入输出接口通讯模块告知滚磨机数控系统,滚磨机数控系统负责利用自身精密编码器对单晶棒的半峰宽位置角度精确记录及驱动单晶棒恒速转动,通过本发明与滚磨机数控系统相互配合,可达到精确的定位单晶棒晶向位置的目的。
附图说明
图1为本发明的用于滚磨机的X射线定向仪的电路原理框图;
图2为本发明的用于滚磨机的X射线定向仪的信号调理模块的电路原理图;
图3为本发明的用于滚磨机的X射线定向仪的微控制单元采样控制模块的电路原理图;
图4为本发明的用于滚磨机的X射线定向仪的输入输出接口通讯模块的输入电路原理图;
图5为本发明的用于滚磨机的X射线定向仪的输入输出接口通讯模块的输出电路原理图;
图6为采用用于滚磨机的X射线定向仪的定向方法的程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示,一种用于滚磨机的X射线定向仪,包括信号处理单元和检测处理单元;
所述信号处理单元包括X射线探测器和信号调理模块,所述检测处理单元包括微控制单元采样控制模块和输入输出接口通讯模块;所述X射线探测器的输出端与信号调理模块的输入端相连接,信号调理模块的输出端与微控制单元采样控制模块的A/D转换器的输入端相连接,微控制单元采样控制模块的输出端经输入输出接口通讯模块与滚磨机数控系统相连接。
其中,所述的X射线探测器采用的是北京滨松生产的HC132型号的光电传感器,微控制单元采样控制模块采用的是Mircochip的PIC18F4620。
所述的信号调理模块的电路原理图,如图2所示,X射线探测器输出的信号通过DIN接口输入后,先通过电阻R13后与地GND相连接,同时通过电容C14和电阻R8后与JFET宽带非全裣运放LF357N的第2引脚相连接,同时LF357N的第2引脚通过并联的电阻R4和电容C9与LF357N的第6引脚相连接,LF357N的同相端第3引脚经电阻R14与地GND相连接,LF357N的第7引脚一路与+12V电源相连接,另一路经电容C12与地GND相连接;LF357N的第4引脚一路与-12V电源相连接,另一路经电容C18与地GND相连接。LF357N的第6引脚经电阻R10与集成运算放大器LM311N的反相端第3引脚相连接,LM311N的同相端第2引脚一路经电阻R1与滑动变阻器R7的第2引脚相连接,另一路经电阻R3与LM311N的第7引脚相连接,滑动变阻器R7的第1引脚和第3引脚分别与电源地GND和5V电源相连接;LM311N的第1引脚一路与-12V电源相连接,另一路经电容C11与地GND相连接,LM311N的第8引脚一路与+12V电源相连接,另一路经电容C16与地GND相连接;LM311N的第7引脚一路与5V电源相连接,另一路与带施密特触发的反相器SN74AHC14N的第1引脚相连接,SN74AHC14N的第2引脚与其第9引脚相连接,其第8引脚经电容C23后一路与频压转换器LM331的第6引脚相连接,另一路经电阻R21与+5V电源相连接;LM331的第7引脚分别与电阻R18和电阻R17的一端相连接,电阻R18的另一端与+5V电源相连接,电阻R17的另一端与地GND相连接。LM331的第4引脚与地GND相连接,第8引脚一路与+5V电源相连接,另一路经电容C22与地GND相连接。LM331的第5引脚分别与电阻R16和电容C19的一端相连接,电阻R16的另一端与+5V电源相连接,电容C19的另一端与地GND相连接。LM331的反相端第3引脚与地GND相连接,同相端第2引脚经电阻R39与滑动变阻器R19的第3引脚相连接,滑动变阻器的第1引脚与第2引脚短接后与地GND相连接。LM331的第1引脚分别与电容C21和电阻R20的一端相连接,电容C21和电阻R20的另一端与地GND相连接,最终LM331输出的电压信号通过VOUT接口输出。
所述的微控制单元采样控制模块的电路原理图,如图3所示,信号调理模块的输出端VOUT接口与单片机PIC18F4620的模数转换器通道AN0相连接,单片机PIC18F4620采用20M外部晶振,起振电容为15pF;PIC18F4620的第11引脚和第32引脚分别与电源VCC相连接,第12引脚和第31引脚分别与VSS相连接;PIC18F4620的第1引脚一路经电容C1与地GND相连接,另一路经电阻R3与电源VCC相连接;PIC18F4620的第5、第6和第7引脚分别与输入输出接口通讯模块的输入电路中的光电耦合器TLP521-4的第16引脚、第14引脚和第12引脚相连接;PIC18F4620的第35、第36、第37和第38引脚分别经电阻R21、R20、R19和R18与输入输出接口通讯模块的输出电路中的光电耦合器TLP521-4的第7引脚、第5引脚、第3引脚和第1引脚相连接。
所述的输入输出接口通讯模块的电路原理图,如图4和图5所示,电路中采用光电耦合器TLP521-4,使滚磨机数控系统与本发明的X射线定向仪电气兼容,并且提高了本发明的抗干扰性。其中,图4为输入电路,图5为输出电路。在图4中,光电耦合器TLP521-4的第2引脚、第4引脚、第6引脚和第8引脚分别经电阻R32、R33、R34和R35与滚磨机数控系统的电源地相连接,TLP521-4的第9引脚、第11引脚、第13引脚和第15引脚分别与本发明的X射线定向仪的地GND相连接。在图5中,光电耦合器TLP521-4的第2引脚、第4引脚、第6引脚和第8引脚分别与本发明的X射线定向仪的地GND相连接,TLP521-4的第9引脚、第11引脚、第13引脚和第15引脚分别经电阻R27、R25、R23和R22与滚磨机数控系统的电源地相连接,TLP521-4的第10引脚、第12引脚、第14引脚和第16引脚分别与电源VDD相连接。
所述的X射线探测器用于接收单晶棒衍射的X射线,并将接收的X射线的强度转换成所对应的脉冲频率信号;所述的信号调理模块用于对X射线探测器输出的毫伏级的脉冲频率信号进行放大、滤波、整形,并且进行频压转换处理;所述的微控制单元采样控制模块利用其内部集成的十位A/D转换器采集信号调理模块输出的模拟量,同时通过所采样的模拟量得出单晶棒每个晶向的半峰宽及峰值强度,从而确定半峰宽及峰值强度最优的晶向;所述的输入输出接口通讯模块用于微控制单元采样控制模块与滚磨机数控系统的信息交互。
采用所述的用于滚磨机的X射线定向仪的定向方法,如图6所示,包括如下步骤:
步骤一:通过滚磨机驱动单晶棒以14度/分旋转一圈,并通过X射线探测器扫描单晶棒衍射的X射线,X射线探测器输出信号经信号调理模块后,经微控制单元采样控制模块的A/D转换器转换成数字信号,从而得到单晶棒每个晶向的X射线衍射强度值;通过所述的单晶棒每个晶向的X射线衍射强度值确定单晶棒每个晶向的半峰宽及峰值强度并且标记每个晶向序号,具体标记过程为:X射线探测器将检测到的第一个晶向标记为0,第二个晶向标记为1,依此类推,最终标记全部的六个晶向;通过所述的单晶棒每个晶向的半峰宽及峰值强度确定半峰宽及峰值强度最优的晶向,并将该最优的晶向序号通过输入输出接口通讯模块发送至滚磨机数控系统;
步骤二:通过滚磨机驱动单晶棒以720度/分旋转到最优的晶向起始测量位置后,再驱动单晶棒以2.1度/分旋转60度,所述的最优的晶向起始测量位置为单晶棒旋转最优的晶向序号乘以60度的角度后的位置;并通过X射线探测器扫描单晶棒衍射的X射线,X射线探测器输出信号经信号调理模块后,经微控制单元采样控制模块的A/D转换模块转换成数字信号,通过该数字信号确定半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽的起始点和截止点的X射线衍射强度值;
步骤三:通过滚磨机驱动单晶棒以720度/分旋转到最优的晶向起始测量位置后,再驱动单晶棒以2.1度/分旋转,通过X射线探测器扫描单晶棒衍射的X射线,X射线探测器输出信号经信号调理模块后,经微控制单元采样控制模块的A/D转换模块转换成数字信号;通过该数字信号实时与步骤二中得到的半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽的起始点和截止点的X射线衍射强度值进行对比,若X射线衍射强度值达到半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽的起始点和截止点的X射线衍射强度值,则微控制单元采样控制模块通过输入输出接口通讯模块向滚磨机数控系统发送控制信号,令滚磨机数控系统记录单晶棒半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽的起始点和截止点的角度信息,即半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽起始点角度θ1和半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽截止点角度θ2;滚磨机数控系统通过θ1和θ2确定最终的定向晶向位置角度,其具体过程如下:
由下式确定最优晶向位置θ,
θ=(θ2-θ1)/2
式中,θ1-半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽起始点角度;
θ2-半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽截止点角度;
θ-最优晶向位置;
由于考虑机械行程误差等因素使计算出的晶向与实际晶向存在一定误差,故在滚磨机数控系统人机界面模块中设置一个逼近百分比系数a,通过滚磨机数控系统计算出的最终的定向晶向位置角度为θ*a。
使用时,滚磨机驱动单晶棒旋转到步骤三中得到的最优晶向位置角度,然后滚磨机在此位置对单晶棒进行定位面磨削、晶向研磨工序。
Claims (1)
1.一种采用用于滚磨机的X射线定向仪的定向方法,所述X射线定向仪包括信号处理单元和检测处理单元;所述信号处理单元包括X射线探测器和信号调理模块,所述检测处理单元包括微控制单元采样控制模块和输入输出接口通讯模块;所述X射线探测器的输出端与信号调理模块的输入端相连接,信号调理模块的输出端与微控制单元采样控制模块的A/D转换器的输入端相连接,微控制单元采样控制模块的输出端经输入输出接口通讯模块与滚磨机数控系统相连接;其特征在于,所述定向方法包括如下步骤:
步骤一:通过滚磨机驱动单晶棒以中速旋转一圈,并通过X射线探测器扫描单晶棒衍射的X射线,X射线探测器输出信号经信号调理模块后,经微控制单元采样控制模块的A/D转换器转换成数字信号,从而得到单晶棒每个晶向的X射线衍射强度值;通过所述的单晶棒每个晶向的X射线衍射强度值确定单晶棒每个晶向的半峰宽及峰值强度并且标记每个晶向序号;通过所述的单晶棒每个晶向的半峰宽及峰值强度确定半峰宽及峰值强度最优的晶向,并将该最优的晶向序号通过输入输出接口通讯模块发送至滚磨机数控系统;
步骤二:通过滚磨机驱动单晶棒以高速旋转到最优的晶向起始测量位置后,再驱动单晶棒以低速旋转60度,所述的最优的晶向起始测量位置为单晶棒旋转最优的晶向序号乘以60度的角度后的位置;并通过X射线探测器扫描单晶棒衍射的X射线,X射线探测器输出信号经信号调理模块后,经微控制单元采样控制模块的A/D转换模块转换成数字信号,通过该数字信号确定半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽的起始点和截止点的X射线衍射强度值;
步骤三:通过滚磨机驱动单晶棒以高速旋转到最优的晶向起始测量位置后,再驱动单晶棒以低速旋转,通过X射线探测器扫描单晶棒衍射的X射线,X射线探测器输出信号经信号调理模块后,经微控制单元采样控制模块的A/D转换模块转换成数字信号;通过该数字信号实时与步骤二中得到的半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽的起始点和截止点的X射线衍射强度值进行对比,若X射线衍射强度值达到半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽的起始点和截止点的X射线衍射强度值,则微控制单元采样控制模块通过输入输出接口通讯模块向滚磨机数控系统发送控制信号,令滚磨机数控系统记录单晶棒半峰宽及峰值强度最优的晶向的半峰宽的起始点和截止点的角度信息;滚磨机数控系统通过该单晶棒起始点和截止点的角度信息,确定最终的定向晶向位置角度;
所述的低速是指1.8~3度/分,所述的中速是指10~18度/分,所述的高速是指700~740度/分。
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