CN110315421B - 一种晶体材料均一化抛光装置及使用方法 - Google Patents

一种晶体材料均一化抛光装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种晶体材料均一化抛光装置及使用方法，所述抛光装置包括：进给单元、夹持单元、抛光单元和控制单元；所述进给单元，用于带动工件沿设定运动轨迹在抛光单元表面运动，并实时将其运动轨迹相关信息反馈至控制单元；所述夹持单元，用于夹持工件并使工件在运动过程中自转，同时用于对工件提供一定的加载力；所述抛光单元，用于对在其表面运动的工件进行抛光；所述控制单元，用于控制所述进给单元的运动轨迹及控制夹持单元的加载力；所述使用方法基于所述抛光装置对工件进行抛光。通过上述方式，本发明能够保证工件去除率的均一性、提高工件的几何精度和表面质量。

Description

一种晶体材料均一化抛光装置及使用方法
技术领域
本发明涉及超精密抛光技术领域，特别是涉及一种晶体材料均一化抛光装置及使用方法。
背景技术
在抛光加工过程中，随着抛光盘的转动和工件自身的转动，抛光盘上的磨粒在工件表面形成复杂的运动轨迹，有助于提高加工精度。但是，在仅有抛光盘的转动和工件自身的转动的情况下，磨粒在工件表面形成的运动轨迹往往是有规律的、周期性的，在长时间加工过程中，抛光盘表面的损伤或缺陷会重复作用于工件表面，从而造成工件表面质量和精度的降低。 因此，在抛光加工过程中，通过机械结构带动工件沿特定轨迹运动是有必要的。
目前常见的抛光加工过程中，多采用沿抛光盘径向往复进给或者利用行星齿轮机构带动工件公转的方法，以上方法均可以形成复杂的工件运动轨迹，有助于提高加工精度。但以上方法产生的轨迹比较单一，不可随意更改。同时，工件在抛光盘表面运动过程中，所处位置的抛光盘线速度也随之改变，进而去除率也会改变，这会使工件的加工状态不稳定，降低加工精度。根据Preston方程γ=KPv，在Preston系数不变K的条件下，若要维持去除率γ不变，需要载荷P随抛光速度v的改变而改变。
中国发明专利申请公布号CN108188865 A公开了一种激光晶体抛光装置，使用驱动装置驱动工件向靠近或远离抛光盘竖轴线的方向移动，从而改变工件在抛光盘上的位置，既可对晶体进行粗抛光，又可进行精抛光。但是该装置只能实现工件沿直线的往复运动，不能实现更复杂的运动方式，对晶体材料加工精度的提升是有限的。
中国发明专利申请公布号CN107803723 A公开了一种研磨抛光装置，通过行星轮机构，该研磨抛光工具除了绕抛光轴公转以外，还有一个绕自身轴线回转的自转，同时该装置可提供抛光压力，可以有效提高加工精度。但是行星轮机构由于结构已经固定，后期无法随意更改。而且绕抛光轴公转与绕自身轴线回转的自转的复合运动具有周期性，轨迹复杂程度有限。该装置的抛光压力的大小需要通过调整弹簧压缩量的方式来改变，实际加工中不便利。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种晶体材料均一化抛光装置及使用方法，以解决现有抛光装置所存在的上述缺陷。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种晶体材料均一化抛光装置，包括：进给单元、夹持单元、抛光单元和控制单元，所述控制单元用于控制所述进给单元按照设定运动轨迹带动工件在抛光单元上运动以实现对工件表面的抛光，所述进给单元能够实时将其运动轨迹相关信息发送至控制单元，由所述控制单元根据相关信息计算得出抛光过程中对工件所需的加载力，并控制夹持单元对工件的加载力进行调整。
在本发明一个较佳实施例中，所述进给单元和抛光单元平行设置在隔振平台上，所述夹持单元与进给单元的连接。
在本发明一个较佳实施例中，所述抛光单元包括：气体静压转台和抛光盘，所述气体静压转台固定在隔振平台上，所述抛光盘安装在所述气体静压转台上。
在本发明一个较佳实施例中，所述进给单元包括：摆臂、伸缩臂和支座，所述支座固定在隔振平台上，所述摆臂安装在所述支座上并在所述支座上转动，所述伸缩臂安装在所述摆臂上并能沿着摆臂前后水平移动。
在本发明一个较佳实施例中，所述摆臂的前端圆弧端下方固定有圆光栅，所述伸缩臂的侧壁上固定有水平光栅，所述支座上还安装有用于获取圆光栅旋转角度的角度传感器，所述伸缩臂的侧壁上还安装有用于获取水平光栅位移量的位置传感器。
在本发明一个较佳实施例中，所述夹持单元包括：拨叉、调速电机、主动轮、限位轮和加压装置，所述加压装置固定在所述拨叉上，用于对位于拨叉内的工件提供加载力；所述限位轮有多个，间隔分布在所述拨叉的圆周面下方、并与主动轮相互配合将工件夹持限位在拨叉内，所述调速电机用于带动主动轮转动，所述主动轮用于带动工件自转。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种晶体材料均一化抛光装置的使用方法，包括以下步骤：
S1、进给单元内的摆臂和伸缩臂联合带动工件圆心O 3运动到初始位置；
S2、设定抛光单元中抛光盘的角速度ω 1、工件的角速度ω 3；将工件运动轨迹方程输入控制单元，并设定工件运行速率s 3；由控制单元计算出进给单元的运动轨迹；
S3、启动抛光单元、进给单元和夹持单元，进给单元带动工件沿着步骤S2计算得出的运动轨迹在抛光盘上运动，同时进给单元实时将其运动轨迹相关信息发送至控制单元，控制单元根据相关信息实时计算得出工件圆心O 3与抛光盘圆心O 1的距离，并根据所述距离计算出对工件的加载力；
S4、控制单元将计算出的加载力反馈给夹持单元，由夹持单元内的加压装置根据反馈结果实时改变加载力的大小。
在本发明一个较佳实施例中，进给单元带动工件沿着步骤S2计算出的运动轨迹在抛光单元的抛光盘上运动中，控制单元控制工件的运行速率s3恒定。
在本发明一个较佳实施例中，步骤S3中，所述进给单元的运动轨迹相关信息包括伸缩臂的水平位移信息和摆臂的旋转角度信息，进给单元内的位置传感器实时读取固定安装在伸缩臂上的水平光栅的数值获取伸缩臂的水平位移信息，进给单元内的角度传感器实时读取固定在摆臂上的圆光栅的数值获取摆臂的旋转角度信息。
在本发明一个较佳实施例中，步骤S3中，所述工件的去除率服从Preston方程γ= KPv，其中γ为去除率，K为Preston系数，P为加载压强，v抛光盘线速度，所述控制单元根据所述方程计算出加载力：，其中，r 3为工件半径，ω 1为抛光盘角速度，/>为t时刻工件圆心O 3到抛光盘圆心O 1的距离。
本发明的有益效果是：本发明通过进给单元带动工件沿复杂轨迹在抛光单元上运动，运动过程平稳，运动速率恒定，且运动轨迹可以根据工件运动轨迹方程进行设定，同时使用夹持单元向工件提供加载力，控制单元可实时改变加载力的大小，从而保证工件去除率的均一性、提高工件的几何精度和表面质量。
附图说明
图1是本发明装置的立体结构示意图；
图2是本发明装置的主视图；
图3是图1的局部放大图；
图4是本发明装置在初始位置的俯视图；
图5是工件沿正弦型轨迹运动示意图；
图6为抛光盘线速度与角速度之间的关系图；
图7为加载力随抛光盘速度变化的曲线图；
图8为工件沿正弦型轨迹运动时，加载力随时间变化的曲线图；
附图中各部件的标记如下：1、进给单元，11、摆臂，12、伸缩臂，13、支座，14、圆光栅，15、水平光栅，16、角度传感器，17、位置传感器；2、夹持单元，21、拨叉，22、调速电机，23、主动轮，24、限位轮，25、加压装置；3、抛光单元，31、气体静压转台，32、抛光盘；4、隔振平台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参考图1~3，本发明实施例包括：
一种晶体材料均一化抛光装置，包括：进给单元1、夹持单元2、抛光单元3和控制单元，所述控制单元用于控制所述进给单元1按照设定运动轨迹带动工件在抛光单元3表面运动以实现对工件表面的抛光，所述进给单元1能够实时将其运行轨迹相关信息发送至控制单元，由所述控制单元根据相关信息计算得出抛光过程中对工件所需的加载力，并控制夹持单元2对工件的加载力进行调整。
其中，所述进给单元1和抛光单元3平行设置在隔振平台4上，所述夹持单元2的一端与进给单元1的一端固定连接。
进一步地，所述抛光单元3包括：气体静压转台31和抛光盘32，所述气体静压转台31固定在隔振平台4上，所述抛光盘32安装在所述气体静压转台31上并与所述气体静压转台31同轴转动。
所述进给单元1包括：摆臂11、伸缩臂12和支座13，所述支座13固定在隔振平台4上，所述摆臂11安装在所述支座13上并与所述支座13同轴转动，所述伸缩臂12安装在所述摆臂11上并能沿着摆臂11前后水平移动，所述摆臂11的前端圆弧端下方固定有圆光栅14，所述伸缩臂12的侧壁上固定有水平光栅15，所述支座13上还安装有用于获取圆光栅14旋转角度的角度传感器16，所述伸缩臂12的侧壁上还安装有用于获取水平光栅15位移量的位置传感器17。
所述夹持单元2包括：拨叉21、调速电机22、主动轮23、限位轮24和加压装置25，所述加压装置25固定在所述拨叉21上，用于对位于拨叉21内的工件提供加载力；所述限位轮24有多个，间隔分布在所述拨叉21的圆周面下方、并与主动轮23相互配合将工件夹持限位在拨叉21内，所述调速电机22用于带动主动轮23转动，所述主动轮23用于带动工件自转。
所述晶体材料均一化抛光装置的使用方法，包括以下步骤：
S1、摆臂11和伸缩臂12联合带动工件圆心O 3运动到初始位置；
S2、设定抛光盘32的角速度ω 1、工件的角速度ω 3；将工件运动轨迹方程输入控制单元，并设定工件运行速率s 3；由控制单元计算出进给单元1的运动轨迹；
S3、启动抛光单元3、进给单元1和夹持单元2，进给单元1带动工件沿着步骤S2计算得出的运动轨迹在抛光盘32上运动，同时位置传感器17实时读取固定安装在伸缩臂12上的水平光栅15的数值获取伸缩臂12的水平位移信息，角度传感器16实时读取固定在摆臂11上的圆光栅14的数值获取摆臂11的旋转角度信息，并分别将相关信息反馈至控制单元，控制单元根据所述水平位移信息和旋转角度信息计算出工件圆心O 3的实际位置，得出工件圆心O 3与抛光盘圆心O 1的距离，并根据所述距离计算出对工件的加载力；
S4、控制单元将计算出的加载力反馈给夹持单元2，由夹持单元2内的加压装置25根据反馈结果实时改变加载力的大小。
其中，进给单元1带动工件按照步骤S2计算出的运动轨迹在抛光单元的抛光盘32上运动中，控制单元控制工件的运行速率s3恒定。
进一步地，所述工件的去除率服从Preston方程γ=KPv，其中γ为去除率，K为Preston系数，P为加载压强，v抛光盘线速度，所述控制单元根据所述方程计算出加载力：，其中，r 3为工件半径，ω 1为抛光盘角速度，l（t）为t时刻工件圆心O 3到抛光盘圆心O 1的距离。
继续参考图4~图8，本发明一种晶体材料均一化抛光装置的使用方法，具体包括以下过程：
在抛光盘32所在平面内，以抛光盘32圆心O 1为原点建立直角坐标系；在支座13上表面所在平面内，以支座13上表面圆心O 2为原点建立极坐标系；直角坐标系的x1轴与极坐标系的x2轴方向相同；
摆臂11与伸缩臂12运行到初始位置，此时工件的圆心O 3在直角坐标系内的坐标为（-l 0 ,0），在极坐标系内的坐标为（r 0 , 0）;
设定抛光盘角速度ω 1以及工件角速度ω 3；
将O 3运动轨迹方程f(x)=Asin(nx+φ)输入控制单元；
设置O 3运行的速率s 3；
由可解出O 3运动轨迹的极坐标方程/>；
根据;
控制单元计算出t时刻O 3的直角坐标（x(t),y(t)）；
进而根据计算出t时刻O 3的极坐标（r(t),/> ）、以及t时刻摆臂11的角速度ω 2 (t)和伸缩臂12的速度v 2 (t)；
启动气体静压转台32；
启动调速电机22、加压装置25和进给单元1；
进给单元1以上述参数运动，同时带动工件沿所输入轨迹运动，同时抛光盘32开始对工件加工；
控制单元实时计算O 3与O 1之间的距离l(t)= ；
由抛光盘32上任一点的线速度v 1与角速度ω 1的关系v 1 = R；
得O 3处的抛光盘线速度v 3=；
由Preston方程γ=KPv 3, 其中γ为去除率，K为Preston系数，P为加载压强，得t时刻加载力，其中r 3为工件半径；
加压装置25根据以上计算结果实时改变加载力的大小；
位置传感器17和角度传感器16分别实时读取水平光栅15的数值r’(t)和圆光栅14的数值，从而得到t时刻O 3的实际位置（r’(t)，/> ）；
将（r’(t)， ）与（r(t),/> ）对比，当误差大于容许值时，控制单元予以补偿，从而保证工件运行轨迹准确。
综上所述，本发明通过摆臂和伸缩臂联动来带动工件沿复杂轨迹在抛光盘表面运动，运动过程平稳，运动速率恒定，且运动轨迹可以人为设定，同时使用加压装置向工件提供加载力，控制单元可根据工件所处位置的抛光盘线速度的不同实时改变加载力的大小，从而保证工件去除率的均一性、提高工件的几何精度和表面质量。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种晶体材料均一化抛光装置，其特征在于，包括：进给单元、夹持单元、抛光单元和控制单元；
所述进给单元，用于带动工件沿设定运动轨迹在抛光单元上运动，并实时将其运动轨迹相关信息反馈至控制单元；所述进给单元包括：摆臂、伸缩臂和支座，所述支座固定在隔振平台上，所述摆臂安装在所述支座上并在所述支座上转动，所述伸缩臂安装在所述摆臂上并能沿着摆臂前后水平移动；所述摆臂的前端圆弧端下方固定有圆光栅，所述伸缩臂的侧壁上固定有水平光栅，所述支座上还安装有用于获取圆光栅旋转角度的角度传感器，所述伸缩臂的侧壁上还安装有用于获取水平光栅位移量的位置传感器；
所述夹持单元，用于夹持工件并使工件在运动过程中自转，同时用于对工件提供加载力；所述夹持单元包括：拨叉、调速电机、主动轮、限位轮和加压装置，所述加压装置固定在所述拨叉上，用于对位于拨叉内的工件提供加载力；所述限位轮有多个且间隔分布在所述拨叉的圆周面下方，所述限位轮与主动轮相互配合将工件夹持限位在拨叉内，所述调速电机用于带动主动轮转动，所述主动轮用于带动工件自转；
所述抛光单元，用于对工件进行抛光；所述抛光单元包括：气体静压转台和抛光盘，所述抛光盘安装在所述气体静压转台上；
所述控制单元，用于控制所述进给单元的运动轨迹及控制夹持单元的加载力。
2.根据权利要求1所述的晶体材料均一化抛光装置，其特征在于，所述进给单元和抛光单元平行设置，所述夹持单元与进给单元连接。
3.一种如权利要求1所述的晶体材料均一化抛光装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、进给单元带动工件圆心O 3运动到初始位置；
S2、设定抛光单元中抛光盘的角速度ω 1、工件的角速度ω 3；将工件运动轨迹方程输入控制单元，并设定工件运行速率s 3；由控制单元计算出进给单元的运动轨迹；
S3、启动抛光单元、进给单元和夹持单元，进给单元带动工件沿着步骤S2中控制单元计算出的运动轨迹在抛光盘上运动，同时进给单元实时将其运动轨迹相关信息反馈至控制单元，由控制单元计算出工件圆心O 3与抛光盘圆心O 1的距离以及对工件的加载力；
S4、夹持单元内的加压装置根据步骤S3中控制单元的计算结果实时改变对工件的加载力大小。
4.根据权利要求3所述的晶体材料均一化抛光装置的使用方法，其特征在于，所述工件在抛光盘上运动的过程中，控制单元控制工件的运行速率s 3恒定。
5.根据权利要求3所述的晶体材料均一化抛光装置的使用方法，其特征在于，步骤S3中，所述进给单元的运动轨迹相关信息包括伸缩臂的水平位移信息和摆臂的旋转角度信息，进给单元内的位置传感器实时读取固定安装在伸缩臂上的水平光栅的数值获取伸缩臂的水平位移信息，进给单元内的角度传感器实时读取固定在摆臂上的圆光栅的数值获取摆臂的旋转角度信息。
6.根据权利要求3所述的晶体材料均一化抛光装置的使用方法，其特征在于，所述工件的去除率服从Preston方程γ=KPv ，其中γ为去除率，K为Preston系数，P为加载压强，v抛光盘线速度，所述控制单元根据所述方程计算出加载力：，其中，r 3为工件半径，ω 1为抛光盘角速度，l（t）为t时刻工件圆心O 3到抛光盘圆心O 1的距离，其中，l(t)=/>。
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