CN108127560A - 用于方形光学元件双面快速抛光的控制系统 - Google Patents

用于方形光学元件双面快速抛光的控制系统 Download PDF

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裴宁
王大森
聂凤明
张广平
李晓静
刘敏
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation

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Abstract

本发明公开了一种用于方形光学元件双面快速抛光的控制系统，包括控制器和液压传动组件，其特征在于：还包括作为液压传动组件驱动源的电动伺服组件，以及用于检测液压传动组件的压力、从而反馈给控制器以便控制电动伺服组件的压力反馈组件。通过利用伺服电机作为驱动源，因此在整个控制过程中，尤其是在补油阶段，不需要频繁的开启和关闭小泵，也不需要频繁的控制阀门，很好地改善在方形光学元件双面快速抛光过程中的补压阶段由于不断补油而造成的压力脉动和波动；利用三通道压力调整控制，既能降低成本，又便于快速地达到所需的控制压力。

Description

用于方形光学元件双面快速抛光的控制系统
技术领域
本发明涉及光学元件加工领域，尤其是一种用于方形光学元件双面快速抛光的控制系统。
背景技术
随着微电子技术和信息技术的飞速发展，各种光电元件得到惊人的发展，并趋于高性能化。随着科学技术的不断发展，光电行业中面板和基片的面积要求越来越大，厚度要求越来越薄，平面度、表面粗糙度及两平面之间的平行度要求越来越高，这就对一些高精度的平面加工设备提出了新的要求。双面抛光加工作为晶片超平滑表面加工最有效的技术手段之一，受到了超精密加工研究领域和光电材料生产加工企业的广泛关注。
现有的光学平面双面抛光加工设备，通常包括一个旋转的晶片夹持器、加载的上抛光盘、承载下抛光垫的工作台和抛光液供给装置，抛光过程中，上抛光盘通过气缸或液压驱动系统以一定的压力压在旋转的工件和抛光垫上。如申请号为200710068277.8的中国专利公开的一种精密双面抛光机，或申请号为201520726669.9的中国专利公开的一种龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机。
双面抛光精度及效率与加工环境、抛光转速、抛光运行模式、抛光压力、抛光液温度、流量等情况有着直接关系。而随着抛光机的长时间工作，液压驱动系统在工作中不断有油液泄漏，为了补充这些泄漏和小号，维持驱动系统的正常工作，必须及时补充油液维持所需的压力。目前通常利用补油泵通过补油单向阀向驱动系统低压侧补油，然而这种方式需要频繁地开启和关闭补油泵，频繁地控制阀门，从而造成压力脉动和波动，因此还有待进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的问题，提供一种提高压力控制精度的用于方形光学元件双面快速抛光的控制系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于方形光学元件双面快速抛光的控制系统，包括控制器和液压传动组件，其特征在于：还包括作为液压传动组件驱动源的电动伺服组件，以及用于检测液压传动组件的压力、从而反馈给控制器以便控制电动伺服组件的压力反馈组件。
优选的，为便于将伺服电机的旋转运动转化为直线运动，所述电动伺服组件包括有伺服电动缸，所述伺服电动缸包括集成为一体的伺服电机和丝杠，所述液压传动组件包括有液压缸，所述丝杠和液压缸的活塞连接。
优选的，所述液压缸为单杠活塞液压缸。
为便于快速、低成本的进行压力调整控制，所述电动伺服组件包括三组伺服电动缸，所述液压传动组件包括三组液压缸，所述压力反馈组件包括三组压力变送器，每一组伺服电动缸、液压缸和压力变送器构成一个压力控制通道。
优选的，所述电动伺服组件包括第一伺服电动缸、第二伺服电动缸和第三伺服电动缸，以及用于控制第一伺服电动缸的第一驱动器、用于控制第二伺服电动缸的第二驱动器、用于控制第三伺服电动缸的第三驱动器，所述第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器分别与控制器电连接。
优选的，所述液压传动组件包括第一液压缸、第二液压缸和第三液压缸，所述第一液压缸与第一伺服电动缸的输出端连接，所述第二液压缸与第二伺服电动缸的输出端连接，所述第三液压缸与第三伺服电动缸的输出端连接。
优选的，所述压力反馈组件包括用于检测第一液压缸压力的第一压力变送器、用于检测第二液压缸压力的第二压力变送器、用于检测第三液压缸压力的第三压力变送器，所述第一压力变送器、第二压力变送器和第三压力变送器分别与控制器电连接。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过利用伺服电机作为驱动源，因此在整个控制过程中，尤其是在补油阶段，不需要频繁的开启和关闭小泵，也不需要频繁的控制阀门，很好地改善在方形光学元件双面快速抛光过程中的补压阶段由于不断补油而造成的压力脉动和波动；利用三通道压力调整控制，既能降低成本，又便于快速地达到所需的控制压力。
附图说明
图1为本发明实施例的控制系统示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
参见图1，一种用于方形光学元件双面快速抛光的控制系统，是一个机电耦合系统，包括控制器1、电动伺服组件2、液压传动组件3、压力反馈组件4和上位机5，控制器1和上位机5之间双向通讯。上述控制系统主要应用于快速抛光机在方形光学元件抛光时的精确补压和保压阶段，代替常规的小泵补油方式。
其中，电动伺服组件2作为电动直驱的驱动源，包括第一伺服电动缸21、第二伺服电动缸22和第三伺服电动缸23，以及用于驱动第一伺服电动缸21的第一驱动器24、用于驱动第二伺服电动缸22的第二驱动器25、用于驱动第三伺服电动缸23的第三驱动器26。上述三个驱动器分别与控制器1电连接，控制器1输出的指令可通过驱动器控制相应的伺服电机。
每个伺服电动缸均包括集成为一体的伺服电机和丝杠，由此可将伺服电机的旋转运动直接转化成直线运动。伺服电机优选的，额定功率为1.3KW，额定电流为10.7A，额定电压为200V，额定转矩为8.34N·m，额定转速为1500rpm，最高转速为3000rpm，推杆的行程为100mm，导程为10mm。每个驱动器可带动最大电机容量为1.5KW。
由于电动直驱的结构主要利用伺服电机作为驱动源，因此在整个控制过程中，尤其是在补油阶段，不需要频繁的开启和关闭小泵，也不需要频繁的控制阀门，很好地改善在方形光学元件双面快速抛光过程中的补压阶段由于不断补油而造成的压力脉动和波动。
液压传动组件3包括第一液压缸31、第二液压缸32和第三液压缸33，其中，第一液压缸31与第一伺服电动缸21的输出端连接，第二液压缸32与第二伺服电动缸22的输出端连接，第三液压缸33与第三伺服电动缸23的输出端连接。
每个液压缸优选的为单杠活塞液压缸，工作压力为10Mpa，行程为200mm，缸径为25mm。由于伺服电动缸的丝杠的前端接头为内螺纹，且内径为16mm，而液压缸的活塞接头是外螺纹，且外径为20mm，因此，每个液压缸和相应的伺服电动缸的输出端之间设置有转换接头，保证刚性连接。为保证液压缸、压力反馈组件4以及后续油管的连接，还设置有相应的进油孔和出油孔的连接头、三通管。
压力反馈组件4将压力信号输出反馈到控制器1，包括第一压力变送器41、第二压力变送器42和第三压力变送器43，其中，第一压力变送器41用于检测第一液压缸31的压力，第二压力变送器42用于检测第二液压缸32的压力，第三压力变送器43用于检测第三液压缸33的压力，上述每个压力变送器分别与控制器1电连接，从而将分别检测到的第一压力、第二压力、第三压力信号传输到控制器1。
每个压力变送器优选的，测量范围为0～30MPa，供电范围12～36VDC，采用三线制输出，输出的是与压力成比例的电信号，输出信号为1～5VDC，精度为0.1％FS。
由此，第一驱动器24、第一伺服电动缸21、第一液压缸31和第一压力变送器41构成第一通道；第二驱动器25、第二伺服电动缸22、第二液压缸32和第二压力变送器42构成第二通道；第三驱动器26、第三伺服电动缸23、第三液压缸33和第三压力变送器43构成第三通道，共同构成了三通道的控制系统。
若采用六个通道，则同步控制策略会变得更复杂，且六个通道成本也高；若采用单通道，则对电机的要求比较高，要求伺服电机的功率要达到百千瓦的级别，在市场上很难达到，即使能达到成本也会大大增加，而且快速性也会下降。因此，本实施例中利用三组伺服电机来分别控制三组对称面的液压缸，即三通道分布是较为合适的。
通过向控制器1输入转矩信号指令给三组伺服电机的驱动器，控制每组伺服电机的转矩输出，从而控制相应液压缸的驱动力，最终控制液压传动组件3输出的压力。每个伺服电动缸通过各自的丝杠将动力传递给相应的液压缸而输出高压，输出的高压再传递给相应的压力变送器，压力变送器受推挤产生流体动力并推动液压缸的活塞，同时传输压力信号到控制器1。
通过压力变送器实时检测三个通道中的压力信号反馈给控制器1，控制器1根据各通道的压力偏差来调整伺服电机的转矩信号，利用加权平均偏差耦合的同步控制方式，并结合PID算法和模糊PID算法进行压力补偿，保证三个通道中的压力同步。本实施例的三通道控制系统具有较好的同步性能，三个通道的初始压力不同，最终都能到达给定的压力信号值，且三个通道的压力建设时间均在0.3～0.4s左右。分析三个通道的压力同步误差，在上升时期，三个通道的压力同步误差约为0.05Mpa，当达到稳态时，三个通道的压力同步误差维持在0.03Mpa范围内。由此使得压力同步所需时间短，压力控制精度高。
本实施例提出了了一种无阀控，无泵控的电动直驱的压力补偿策略，并设计了三通道电动直驱压力同步控制系统，主要应用于方形光学元件双面快速抛光过程的精确补压和保压阶段。

Claims (7)

1.一种用于方形光学元件双面快速抛光的控制系统，包括控制器(1)和液压传动组件(3)，其特征在于：还包括作为液压传动组件(3)驱动源的电动伺服组件(2)，以及用于检测液压传动组件(3)的压力、从而反馈给控制器(1)以便控制电动伺服组件(2)的压力反馈组件(4)。
2.根据权利要求1所述的用于方形光学元件双面快速抛光的控制系统，其特征在于：所述电动伺服组件(2)包括有伺服电动缸，所述伺服电动缸包括集成为一体的伺服电机和丝杠，所述液压传动组件(3)包括有液压缸，所述丝杠和液压缸的活塞连接。
3.根据权利要求2所述的用于方形光学元件双面快速抛光的控制系统，其特征在于：所述液压缸为单杠活塞液压缸。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的用于方形光学元件双面快速抛光的控制系统，其特征在于：所述电动伺服组件(2)包括三组伺服电动缸，所述液压传动组件(3)包括三组液压缸，所述压力反馈组件(4)包括三组压力变送器，每一组伺服电动缸、液压缸和压力变送器构成一个压力控制通道。
5.根据权利要求4所述的用于方形光学元件双面快速抛光的控制系统，其特征在于：所述电动伺服组件(2)包括第一伺服电动缸(21)、第二伺服电动缸(22)和第三伺服电动缸(23)，以及用于控制第一伺服电动缸(21)的第一驱动器(24)、用于控制第二伺服电动缸(22)的第二驱动器(25)、用于控制第三伺服电动缸(23)的第三驱动器(26)，所述第一驱动器(24)、第二驱动器(25)和第三驱动器(26)分别与控制器(1)电连接。
6.根据权利要求5所述的用于方形光学元件双面快速抛光的控制系统，其特征在于：所述液压传动组件(3)包括第一液压缸(31)、第二液压缸(32)和第三液压缸(33)，所述第一液压缸(31)与第一伺服电动缸(21)的输出端连接，所述第二液压缸(32)与第二伺服电动缸(22)的输出端连接，所述第三液压缸(33)与第三伺服电动缸(23)的输出端连接。
7.根据权利要求6所述的用于方形光学元件双面快速抛光的控制系统，其特征在于：所述压力反馈组件(4)包括用于检测第一液压缸(31)压力的第一压力变送器(41)、用于检测第二液压缸(32)压力的第二压力变送器(42)、用于检测第三液压缸(33)压力的第三压力变送器(43)，所述第一压力变送器(41)、第二压力变送器(42)和第三压力变送器(43)分别与控制器(1)电连接。
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