CN108705411A - 一种压力可调的浮离抛光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压力可调的浮离抛光装置，属于超精密抛光领域。包括磁浮式微位移机构、抛光盘机构、夹具保持平台机构、电机传动机构；第一、第二电磁铁安装在抛光盘和抛光容器底部，抛光盘固定在抛光托盘上端，第二主轴固定在抛光托盘下端；夹具保持平台由固定件固定在抛光容器壁上，旋转夹具放置在夹具保持平台的孔内底部平台上，工件保持盘卡在旋转夹具内，压力传感器设置在工件保持盘底部，轮齿传动零件的滑块与夹具保持平台凹槽连接，并与旋转夹具轮齿啮合；电机安装在支撑架上，电机轴穿过滚动轴承，通过联轴器、平键、第一主轴与轮齿转动零件连接。本浮离抛光装置有效的避免因压力不稳定造成抛光面质量差的问题，提升了抛光质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力可调的浮离抛光装置，尤其涉及一种光学元器件及半导体光学表面加工的压力可调的浮离抛光装置，属于超精密抛光领域。
背景技术
随着光学技术和微电子技术的发展，在大规模集成电路、高精密光学反射镜面、强激光武器等领域对所需材料（单晶硅、单晶锗、碳化硅等材料）的表面精度提出了越来越高的要求。而在超大规模集成电路领域，单晶硅半导体基片的表面要求达到超光滑表面（指均方根表面粗糙度小于1的表面）的标准。由于单晶硅是硬脆材料，采用一般的加工方法很难加工，且在加工过程中极易产生裂纹和脆性破环。相关研究证实：超精密抛光可以获得光滑、无损伤和极低粗糙度的表面，所以超精密抛光技术已经广泛应用于基片生产当中。
超精密抛光技工技术主要有三种类型：接触式、非接触和混合式。欲法抛光、Teflon法抛光属于接触式抛光。接触式抛光是让抛光盘和工件在抛光液中直接接触，工件抛光时和抛光液中的磨粒刚性接触，容易使加工表面产生划痕、表面损伤和缺陷等。弹性发射加工、动压浮离抛光、浮法抛光、磁场辅助抛光、超声波抛光属于非接触式抛光。非接触式抛光是工件和抛光盘不发生直接接触，仅用抛光液中磨粒冲击工件表面，使磨粒微量的切削工件来获得高精度的光滑工件表面。化学机械抛光属于混合式抛光，使用较为广泛。
动压浮离抛光是运用液体动压原理实现非接触式加工的方法，其原理是通过带有楔形槽的抛光盘旋转带动抛光液，抛光液在楔形空间产生悬浮力和切向力。使得磨粒和工件在软接触下，微量去除工件表面材料以获得高质量的光学表面。对比于一些接触式抛光方法，动压浮离抛光具有获得高精度、表面缺陷少和加工表面质量高等优势。但是，一方面动压浮离抛光技术依靠液体动压原理，楔形槽和工件在较小的间隙和旋转作用下产生动压使工件悬浮并被抛光，而该压力周期性变化使得工件表面压力不稳定并且工件悬浮高度不断变化造成压力或大或小。另一方面，动压浮离抛光依靠液体动力带动磨粒水平冲击工件表面，使得抛光的效率很低，而原有抛光装置又采用单个工件抛光效率非常低，液体动能利用率很低。最后，一些抛光装置机构复杂、笨重，抛光盘产生的液体动能不足，导致抛光精度低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种压力可调的浮离抛光装置，利用闭环控制原理调控电磁铁磁力就可以改变抛光盘与工件的间距，实现工件表面压力保持相对稳定，并采用多工位平台实现对多个工件同时加工提高加工效率，可以克服现有浮离抛光设备中存在压力周期性变化导致工件表面压力不稳定、抛光效率低等问题。
本发明采用的技术方案是：一种压力可调的浮离抛光装置，包括抛光容器1、支撑架6、磁浮式微位移机构、抛光盘机构、夹具保持平台机构、电机传动机构，支撑架6位于抛光容器1外侧，磁浮式微位移机构、抛光盘机构、夹具保持平台机构均位于抛光容器1内部，磁浮式微位移机构包括第一电磁铁18、第二电磁铁19、电磁铁控制系统、压力传感器22；抛光盘机构包括抛光盘2、抛光托盘20、第二主轴21；夹具保持平台机构包括旋转夹具5、夹具保持平台3、工件保持盘16；电机传动机构包括伺服电机9、联轴器8、第一主轴7、滚动轴承10、轮齿传动零件4、平键11；
所述抛光容器1底部中间设有安装轴孔，第二主轴21穿过抛光容器1底部的安装轴孔伸入抛光容器1内部，第二主轴21由外部动力装置控制转动，第二主轴21的顶部与抛光托盘20连接，抛光托盘20安装在抛光盘2的底部，第一电磁铁18和第二电磁铁19分别安装在抛光盘2底部和抛光容器1底部内壁，抛光盘2的上部为固定在抛光容器1内壁上的夹具保持平台3，轮齿传动零件4安装在夹具保持平台3上部且内壁设有轮齿，夹具保持平台3上设有多个工位孔，工位孔内底部设置有空心的凸出平台，旋转夹具5包括空心圆柱体及设在空心圆柱体上部外侧的轮齿，空心圆柱体的下端放置在夹具保持平台3工位孔的凸出平台上，旋转夹具的轮齿与轮齿传动零件4内壁的轮齿啮合，工件保持盘16卡在旋转夹具5空心圆柱体孔的下端，夹具保持平台3与抛光盘2形成高度H，工件17 、压力传感器22均固定在工件保持盘16底部，电磁铁控制系统一端与压力传感器22连接，另一端与分别第一电磁铁18和第二电磁铁19连接，电磁铁控制系统通过调节第一电磁铁18和第二电磁铁19磁力大小来控制抛光盘2与夹具保持平台3的间距，伺服电机9安装在支撑架6上方，伺服电机9的电机轴穿过支撑架6上方支架后与联轴器8连接，联轴器8通过平键11与下方的第一主轴7连接，第一主轴7下端通过平键11与轮齿传动零件4连接，第一主轴7转动可带动轮齿传动零件4转动。
具体地，所述的压力传感器22获得的实时压力信号反馈给电磁铁控制系统，电磁铁控制系统根据输入压力信号与原设定压力值比较后来控制第一电磁铁18和第二电磁铁19磁力大小，进而调整抛光盘2与夹具保持平台3的间距。
优选地，所述的固定件14通过第二螺栓15固定在抛光容器1的四周，固定件14、夹具保持平台3对应处设有螺栓孔，第一螺栓12穿过夹具保持平台3、固定件14上的螺栓孔将二者连接在一起，第一螺栓12与夹具保持平台3的连接处安装有垫片13。
优选地，所述的伺服电机9的动力依次通过联轴器8、平键11、第一主轴7、轮齿传动零件4输出到旋转夹具5中，使工件17获得转速，外部动力装置输出的动力通过第二主轴21传递给抛光盘2，使抛光盘2获得转速，工件17与抛光盘2转动方向相同， 与的大小相近但不相等。
优选地，所述的夹具保持平台3上的工位孔直径与旋转夹具5 空心圆柱体的外径相同，夹具保持平台3工位孔内的凸出平台中心通孔直径与旋转夹具5空心圆柱体的内径相同。
优选地，所述的工件17通过石蜡贴在工件保持盘16底部，所述的夹具保持平台3上设有4个工位孔，工位孔与夹具保持平台3中心的距离为。
优选地，所述的轮齿传动零件4底部设有圆形滑块，夹具保持平台3上设有凹槽，轮齿传动零件4的圆形滑块和夹具保持平台3凹槽安装配合后，就可以实现在夹具保持平台3上转动。
优选地，所述的抛光盘2表面开有楔形槽23，楔形槽23采用抛物线形的槽流道，抛光盘2旋转将产生更大的液体动能。
优选地，所述的轮齿传动零件4由内圆有轮齿的圆形实体和4根弧形杆焊接，4根弧形杆末端和含有圆柱形空腔的圆柱体焊接，含有圆柱形空腔的圆柱体用于与第一主轴7相连。
优选地，所述的支撑架6上部的空腔圆柱中安装有滚动轴承10，伺服电机9的电机轴穿过支撑架6且与滚动轴承10连接。
本发明的有益效果是：
1、本发明所采用的磁浮式微位移机构，可以有效解决工件表面压力不稳定的问题，实现了对工件稳定、连续的抛光，提高了表面质量。
2、本发明所采用的多工位夹具保持平台，可以实现对多个工件同时进行抛光加工，提高了加工效率。
3、本发明所采用的抛物线性流道的楔形槽，可以明显提高抛光盘产生的液体动压，加快了抛光速率，提升抛光的效率。
4、本发明设计的压力可调的浮离抛光装置，结构简单、体积较小、操作简单，可以获得光学抛光表面，适用性强。
附图说明
图1是本发明的整体结构剖视图；
图2是图1中E部的局部放大图；
图3是本发明整体结构侧视图；
图4是本发明抛光盘的结构图；
图5是本发明夹具保持平台装配的俯视图；
图6是本发明夹具保持平台装配的剖视图；
图7为本发明夹具保持平台与旋转夹具的连接结构立体图；
图8为本发明夹具保持平台与旋转夹具的连接结构剖视图。
图中各标号为：1.抛光容器，2.抛光盘，3.夹具保持平台，4.轮齿转动零件，5.旋转夹具，6.支撑架，7.第一主轴，8.联轴器，9.伺服电机，10.滚动轴承，11.平键，12.第一螺栓，13.垫片，14.固定件，15.第二螺栓，16.工件保持盘，17.工件，18.第一电磁铁，19.第二电磁铁，20.抛光托盘，21.第二主轴，22.压力传感器，23.楔形槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1:如图1-8所示，一种压力可调的浮离抛光装置，包括抛光容器1、支撑架6、磁浮式微位移机构、抛光盘机构、夹具保持平台机构、电机传动机构，支撑架6位于抛光容器1外侧，磁浮式微位移机构、抛光盘机构、夹具保持平台机构均位于抛光容器1内部，磁浮式微位移机构包括第一电磁铁18、第二电磁铁19、电磁铁控制系统、压力传感器22；抛光盘机构包括抛光盘2、抛光托盘20、第二主轴21；夹具保持平台机构包括旋转夹具5、夹具保持平台3、工件保持盘16；电机传动机构包括伺服电机9、联轴器8、第一主轴7、滚动轴承10、轮齿传动零件4、平键11；
所述抛光容器1底部中间设有安装轴孔，第二主轴21穿过抛光容器1底部的安装轴孔伸入抛光容器1内部，第二主轴21由外部动力装置控制转动，第二主轴21的顶部与抛光托盘20连接，抛光托盘20安装在抛光盘2的底部，第一电磁铁18和第二电磁铁19分别安装在抛光盘2 底部和抛光容器1底部内壁，第一电磁铁18和第二电磁铁19上下位置相对应，抛光盘2的上部为固定在抛光容器1内壁上的夹具保持平台3，轮齿传动零件4安装在夹具保持平台(3)上部且内壁设有轮齿，夹具保持平台3上设有多个工位孔，工位孔内底部设置有空心的凸出平台，旋转夹具5包括空心圆柱体及设在空心圆柱体上部外侧的轮齿，旋转夹具5为一体式结构，空心圆柱体的下端放置在夹具保持平台3工位孔的凸出平台上，旋转夹具的轮齿与轮齿传动零件4内壁的轮齿啮合，工件保持盘16卡在旋转夹具5空心圆柱体孔的下端，夹具保持平台3与抛光盘2的间距为H，工件17 、压力传感器22均固定在工件保持盘16底部，电磁铁控制系统一端与压力传感器22连接，另一端与分别第一电磁铁18和第二电磁铁19连接，电磁铁控制系统通过调节第一电磁铁18和第二电磁铁19磁力大小来控制抛光盘2与夹具保持平台3的间距，伺服电机9安装在支撑架6上方，伺服电机9的电机轴穿过支撑架6上方支架后与联轴器8连接，联轴器8通过平键11与下方的第一主轴7连接，第一主轴7下端通过平键11与轮齿传动零件4连接，第一主轴7转动可带动轮齿传动零件4转动。
进一步地，所述的压力传感器22获得的实时压力信号反馈给电磁铁控制系统，电磁铁控制系统根据输入压力信号与原设定压力值比较后来控制第一电磁铁18和第二电磁铁19磁力大小，进而调整抛光盘2与夹具保持平台3的间距，从而使得工件17表面压力值保持稳定，实现稳定的抛光。具体地，压力传感器22测得工件处抛光液实时压力值F1，与之前电磁铁控制系统里设置的压力值进行比较，当F1>设定的，就控制电磁强度减小，抛光盘2下移，使抛光盘2与夹具保持平台3之间的间距扩大，F1<设定的，就控制电磁强度增大，抛光盘2上移，使抛光盘2与夹具保持平台3之间的间距减小，二者间距的变化，带来抛光液对工件17压力的变化。
进一步地，所述的4个固定件14通过第二螺栓15固定在抛光容器1的四周，固定件14、夹具保持平台3对应处设有螺栓孔，第一螺栓12穿过夹具保持平台3、固定件14上的螺栓孔将二者连接在一起，第一螺栓12与夹具保持平台3的连接处安装有垫片13，实现对夹具保持平台3的固定，结构简单，安装方便。
进一步地，所述的伺服电机9的动力依次通过联轴器8、平键11、第一主轴7、轮齿传动零件4输出到旋转夹具5中，使工件17获得转速，外部动力装置输出的动力通过第二主轴21传递给抛光盘2，使抛光盘2获得转速，工件17与抛光盘2转动方向相同， 与的大小相近但不相等，可以保证旋转夹具5和抛光盘2转动相对稳定。
进一步地，所述的夹具保持平台3上的工位孔直径与旋转夹具5 空心圆柱体的外径相同，夹具保持平台3工位孔内的凸出平台中心通孔直径与旋转夹具5 空心圆柱体的内径相同，可以更好地防止旋转夹具5转动时脱离工位孔。
进一步地，所述的工件17通过石蜡贴在工件保持盘16底部，所述的夹具保持平台3上设有4个工位孔，工位孔与夹具保持平台3中心的距离为，。由于抛光盘2中心搅动的液体动力小，抛光盘2边缘处容易搅动液体，产生动力更大，所以将工位孔布置在靠近抛光盘2的边缘处，本实施例中e为33cm，更有利于加工。
进一步地，所述的轮齿传动零件4底部设有圆形滑块，夹具保持平台3上设有凹槽，轮齿传动零件4的圆形滑块和夹具保持平台3凹槽安装配合后，就可以实现在夹具保持平台3上转动，旋转夹具5与轮齿传动零件4通过轮齿啮合的方式传递动能，结构简单，轮齿传动零件4转动更加灵活。
进一步地，所述的抛光盘2表面开有楔形槽23，楔形槽23采用抛物线形的槽流道，抛光盘2旋转将产生更大的液体动能。
进一步地，所述的轮齿传动零件4由内圆有轮齿的圆形实体和4根弧形杆焊接，4根弧形杆末端和含有圆柱形空腔的圆柱体焊接，含有圆柱形空腔的圆柱体与第一主轴7相连，4根弧形杆总体上呈十字交叉式，使得轮齿传动零件4受力均匀，转动相对稳定。
进一步地，所述的支撑架6上部的空腔圆柱中安装有滚动轴承10，伺服电机9的电机轴穿过支撑架6且与滚动轴承10连接，这样伺服电机9的电机轴可以灵活转动。
本发明的工作原理是：
步骤1：将工件17贴在工件保持盘16底部，工件保持盘16卡在旋转夹具5内靠近底部的位置；最后将旋转夹具5放置在夹具保持平台3的工位孔中。
步骤2：根据实际的加工要求配置不同抛光液，将抛光液加入到抛光容器1中，并使抛光液浸没工件保持盘16和工件17。
步骤3：因为工件17表面液体动压周期性变化，大小不均；在工件保持盘16底部安装压力传感器22，将电磁铁控制系统连接电源，然后设置初始压力值，抛光盘2悬浮一定高度；等整个装置处在工作状态之后电磁铁控制系统根据压力传感器22检测的压力值来控制第一电磁铁18和第二电磁铁19的线圈电流，从而调整磁力大小，使抛光盘2悬浮高度处于合理位置，抛光盘2上平面和夹具保持平台3底部保持最佳间距；
步骤4：启动伺服电机9，电机动力通过联轴器8、第一主轴7、传输到轮齿转动零件4，轮齿转动零件4和旋转夹具5之间通过轮齿啮合传递动力，就使动力传递到旋转夹具5，旋转夹具5带动工件保持盘16和工件17逆时针旋转（从上往下看），转速；同时通过外部动力装置给第二主轴21施加动力，第二主轴21获得的动力通过抛光托盘20传递到抛光盘2，使抛光盘2获得转速，方向逆时针旋转（从上往下看）。抛光盘2上的楔形槽23搅动抛光液转动，因为抛光盘2和工件保持盘16之间充满抛光液，并且间隙较小（根据液体动压原理），这样就产生液体动压，使工件17表面受到一定的液体压力，磨粒在抛光液的带动下冲击工件17表面去除材料。
本发明通过磁浮式微位移机构、多工位平台并且对抛光盘结构改进可以有效的避免因压力不稳定造成抛光面质量差的问题，从而可以获得高精度、无表面损伤的光学表面，提高了加工效率，提升了抛光质量。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对本发明构思实现形式的举例，本发明的实施方式不受上述实施例的限制，其他任何根据本发明的原理或依据其方法构思所做的改变、组合、替代，都视为等效替换方式，都包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种压力可调的浮离抛光装置，其特征在于：包括抛光容器(1)、支撑架(6)、磁浮式微位移机构、抛光盘机构、夹具保持平台机构、电机传动机构，支撑架(6)位于抛光容器(1)外侧，磁浮式微位移机构、抛光盘机构、夹具保持平台机构均位于抛光容器(1)内部，磁浮式微位移机构包括第一电磁铁(18)、第二电磁铁(19)、电磁铁控制系统、压力传感器(22)；抛光盘机构包括抛光盘(2)、抛光托盘(20)、第二主轴(21)；夹具保持平台机构包括旋转夹具(5)、夹具保持平台(3)、工件保持盘(16)；电机传动机构包括伺服电机(9)、联轴器(8)、第一主轴(7)、滚动轴承(10)、轮齿传动零件(4)、平键(11)；
所述抛光容器（1）底部中间设有安装轴孔，第二主轴(21)穿过抛光容器（1）底部的安装轴孔伸入抛光容器（1）内部，第二主轴(21)由外部动力装置控制转动，第二主轴(21)的顶部与抛光托盘(20)连接，抛光托盘(20)安装在抛光盘(2)的底部，第一电磁铁(18)和第二电磁铁(19)分别安装在抛光盘(2) 底部和抛光容器(1)底部内壁，抛光盘(2)的上部为固定在抛光容器(1)内壁上的夹具保持平台(3)，轮齿传动零件(4)安装在夹具保持平台(3)上部且内壁设有轮齿，夹具保持平台(3)上设有多个工位孔，工位孔内底部设置有空心的凸出平台，旋转夹具(5)包括空心圆柱体及设在空心圆柱体上部外侧的轮齿，空心圆柱体的下端放置在夹具保持平台(3)工位孔的凸出平台上，旋转夹具的轮齿与轮齿传动零件(4)内壁的轮齿啮合，工件保持盘(16)卡在旋转夹具(5) 空心圆柱体孔的下端，夹具保持平台(3)与抛光盘(2)的间距为H，工件(17) 、压力传感器(22)均固定在工件保持盘(16)底部，电磁铁控制系统一端与压力传感器(22)连接，另一端与分别第一电磁铁(18)和第二电磁铁(19)连接，电磁铁控制系统通过调节第一电磁铁(18)和第二电磁铁(19) 磁力大小来控制抛光盘(2)与夹具保持平台(3)的间距，伺服电机(9)安装在支撑架(6)上方，伺服电机(9)的电机轴穿过支撑架(6)上方支架后与联轴器(8)连接，联轴器(8)通过平键(11)与下方的第一主轴(7)连接，第一主轴(7)下端通过平键(11)与轮齿传动零件(4)连接，第一主轴(7)转动可带动轮齿传动零件(4)转动。
2.根据权利要求1所述的压力可调的浮离抛光装置，其特征在于：所述的压力传感器(22)获得的实时压力信号反馈给电磁铁控制系统，电磁铁控制系统根据输入压力信号与原设定压力值比较后来控制第一电磁铁(18)和第二电磁铁(19) 磁力大小，进而调整抛光盘(2)与夹具保持平台(3)的间距。
3.根据权利要求1所述的压力可调的浮离抛光装置，其特征在于：所述的固定件（14）通过第二螺栓（15）固定在抛光容器（1）的四周，固定件（14）、夹具保持平台（3）对应处设有螺栓孔，第一螺栓（12）穿过夹具保持平台（3）、固定件（14）上的螺栓孔将二者连接在一起，第一螺栓（12）与夹具保持平台（3）的连接处安装有垫片（13）。
4.根据权利要求1所述的压力可调的浮离抛光装置，其特征在于：所述的伺服电机（9）的动力依次通过联轴器(8)、平键(11)、第一主轴(7)、轮齿传动零件(4)输出到旋转夹具(5)中，使工件(17)获得转速，外部动力装置输出的动力通过第二主轴(21)传递给抛光盘(2)，使抛光盘(2)获得转速，工件(17)与抛光盘(2)转动方向相同， 与的大小相近但不相等。
5.根据权利要求1所述的压力可调的浮离抛光装置，其特征在于：所述的夹具保持平台(3)上的工位孔直径与旋转夹具(5) 空心圆柱体的外径相同，夹具保持平台(3)工位孔内的凸出平台中心通孔直径与旋转夹具(5) 空心圆柱体的内径相同。
6.根据权利要求1所述的压力可调的浮离抛光装置，其特征在于：所述的工件(17)通过石蜡贴在工件保持盘(16)底部，所述的夹具保持平台(3)上设有4个工位孔，工位孔与夹具保持平台(3)中心的距离为。
7.根据权利要求1所述的压力可调的浮离抛光装置，其特征在于：所述的轮齿传动零件(4)底部设有圆形滑块，夹具保持平台(3)上设有凹槽，轮齿传动零件(4)的圆形滑块和夹具保持平台(3)凹槽安装配合后，就可以实现在夹具保持平台(3)上转动。
8.根据权利要求1所述的压力可调的浮离抛光装置，其特征在于：所述的抛光盘(2)表面开有楔形槽(23)，楔形槽(23)采用抛物线形的槽流道，抛光盘(2)旋转将产生更大的液体动能。
9.根据权利要求1所述的压力可调的浮离抛光装置，其特征在于：所述的轮齿传动零件(4)由内圆有轮齿的圆形实体和4根弧形杆焊接，4根弧形杆末端和含有圆柱形空腔的圆柱体焊接，含有圆柱形空腔的圆柱体与第一主轴(7)相连。
10.根据权利要求1所述的压力可调的浮离抛光装置，其特征在于：所述的支撑架（6）上部的空腔圆柱中安装有滚动轴承(10)，伺服电机(9)的电机轴穿过支撑架(6)且与滚动轴承(10)连接。
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