CN113547437B - 一种实验室用多功能研抛机 - Google Patents

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Abstract

一种实验室用多功能研抛机，包括抛光头电机（21）和抛光盘（4），其特征是：所述抛光头电机（21）通过螺栓固定于垂直溜板（32）上，并通过同步带（24）将动力传至抛光头主轴（19）上，所述抛光头主轴（19）安装于垂直溜板（32）上，所述垂直溜板（32）与横向溜板（27）相连；所述横向溜板（27）安装在横向导轨（20）上；所述抛光盘（4）通过插销连接于抛光盘主轴（5）上，所述抛光盘主轴（5）上端支承在推力球轴承（18）上，下端支承在角接触球轴承（6）上并与法兰连接器（17）连接，所述法兰连接器（17）与推力球轴承（7）配合安装，所述推力球轴承（7）与压力传感器（8）贴合安装。本发明结构简单，成本低，功能齐全。

Description

一种实验室用多功能研抛机
技术领域
本发明涉及一种实验室设备，尤其是一种化学机械抛光实验装置，具体地说是一种实验室用多功能研抛机。
背景技术
现阶段的化学机械抛光实验中，所使用的研抛机基本都是比较传统和基础的，在研抛过程中对于各种重要参数的控制及测量都无法实现，这使得对于研抛实验的效果难以控制，此外，目前国外存在一些智能化研抛机，可以对某些具体参数进行精确控制，但是用于实验室成本过高，大大提高实验成本，没有实际的应用价值，国内一些设备也可以进行精确控制，但是仅是对于抛光头的参数，而对于抛光盘过程参数的采集以及处理几乎没有，且对于抛光头参数的处理分析很大一部分是抛光头静止不动，这不符合实际的实验情况，存在一定偏差，进而无法达到所需要研究的实验效果。
发明内容
本发明的目的是针对现有实验室CMP设备存在结构复杂成本高，检测项目不全的问题，设计一种可实现智能化多功能、自适应的实验室用多功能研抛机。
本发明的技术方案是：
一种实验室用多功能研抛机，包括抛光头电机21和抛光盘4，其特征是：所述抛光头电机21通过螺栓固定于垂直溜板32上，并通过同步带24将动力传至抛光头主轴19上，所述抛光头主轴19安装于垂直溜板32上，所述垂直溜板32与竖直滑块25相连，竖直滑块25安装在垂直导轨26上，垂直导轨26固定在横向溜板27上，横向溜板27上安装有气缸29，气缸29的气缸杆与垂直溜板32相连，气缸29带动垂直溜板32在横向溜板27上上下移动，进而实现抛光头部件的上下竖直运动，在气缸的横向溜板27上安装有位移传感器1，位移传感器1用于检测垂直溜板32上下移动距离；所述横向溜板27通过横向滑块28安装在横向导轨20上，所述横向导轨20安装于横梁30上，横梁30上安装有伺服电机3和滚珠丝杠33，伺服电机3带动滚珠丝杠33转动，滚珠丝杠33带动丝杠螺母34移动，丝杠螺母34与横向滑块28相连并带动其移动，横向滑块28带动与其相连的横向溜板27移动；在横梁30上安装有用于检测横向溜板27移动距离的位移传感器1；所述抛光盘4通过插销连接于抛光机主轴5上，所述抛光盘主轴5上端支承在第一推力球轴承18上，下端支承在角接触球轴承6上并与法兰连接器17连接，所述法兰连接器17与第二推力球轴承7配合安装，所述第二推力球轴承7与压力传感器8贴合安装，所述法兰连接器17通过联轴器16与扭矩传感器9连接，所述扭矩传感器9通过联轴器15与第一传动轴14相连，所述第一传动轴14通过第二多楔带13与第二传动轴10连接，所述第二传动轴10通过第一多楔带11与抛光盘电机12连接。
所述的所述抛光头主轴19安装于轴套31上，所述轴套31通过螺栓固定于垂直溜板32上。
当进行正常的研抛实验时，抛光盘由抛光盘电机12通过带传动将动力传至主轴5上，实现抛光盘的转动，抛光头主轴19的旋转由抛光头电机21通过带传动将动力传至抛光头主轴，伺服电机3通过联轴器2将动力传至滚珠丝杠33，由滚珠丝杠33通过丝杠螺母34和螺母座35与抛光头部分连接，带动整个抛光头实现沿着抛光盘中线往复运动，从而实现抛光盘转动的同时，抛光头部分实现自旋转和往复直线运动，增加研抛轨迹的复杂性；在控制面板上设置实验所需的压力值，而后通过压力传感器8采集的信号传至处理器中与设定值进行对比，将误差值通过转换传至气缸的电气比例阀端，通过调整气缸29的输出压力值，达到实验压力值，实现压力的自适应，通过算法，由抛光盘扭矩和抛光头位移数值推算出抛光盘在研抛过程中所受到的摩擦力，进而可以得到摩擦系数值，并进行实时显示，以便得到研抛过程中参数的变化对研抛效果的影响。
综上所述本发明的实验室用多功能研抛机包括抛光头电机和抛光盘，所述抛光头电机通过螺栓固定于垂直溜板上，通过同步带将动力传至抛光头主轴上，所述抛光头主轴安装于轴套上，所述轴套通过螺栓固定于垂直溜板上，所述垂直溜板与导轨连接，通过气缸实现抛光头部件的竖直运动，所述气缸29与横向溜板27之间安装有压力传感器22，所述横向溜板连接在横向导轨上，所述横向导轨安装于龙门架上，所述垂直溜板通过伺服电机带动滚珠丝杠沿着导轨横向运动，所述抛光盘通过插销连接于抛光机主轴上，所述抛光盘主轴与推力球轴承连接，所述抛光盘主轴与角接触球轴承安装一起，所述抛光盘主轴与法兰连接器连接一起，所述法兰连接器与推力球轴承配合安装，所述推力球轴承与压力传感器贴合安装，所述法兰连接器通过联轴器与扭矩传感器连接，所述扭矩传感器通过联轴器与轴相连，所述轴通过多楔带与轴连接，所述轴通过多楔带与抛光盘电机连接。
本发明的有益效果是：
1、本发明可以实现在研抛实验过程中实现抛光压力的自适应调整，使得研抛压力始终与设定值一致，提高实验的准确性。
2、本发明可同时实时采集到抛光头及抛光盘任意时刻得参数值，并可以通过程序实现抛光盘摩擦系数的输出，可以明显的看出研抛的效果，以便控制实验。
3、本发明设计过程中选取的传感器及各种硬件都是市场上常见的，不存在特制情况，并且可以很好的实现想要的结果，这可大大降低整个设备研发成本，具有实际的应用效果。
4、通过第一推力球轴承18和第二推力球轴承7，有效解决了在研抛过程中实时采集研抛压力的问题，通过反馈系统，可以实时的观测到研抛过程中的各参数的变化，以便很好的控制实验，通过使用气缸29结合横向导轨20、竖直导轨26以及滚珠丝杠33，可以实现抛光头的柔性加压，而现有的实验室用的研抛设备的智能化程度低，且无法很好控制研抛实验的效果，本发明针对这些短板做出了有效的设计，很好的解决了这些问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明结构示意图Ⅰ处的放大图。
图3为图2在B处的剖视图。
图4为本发明的三维整体结构图。
图5为本发明的后视结构图。
图6为本发明结构示意图Ⅱ处的放大图。
其中，1.位移传感感器， 2.联轴器， 3.伺服电机， 4.抛光盘， 5.抛光盘主轴， 6.角接触球轴承， 7.第二推力球轴承， 8.压力传感器， 9.扭矩传感器， 10. 第二传动轴，11.第一多楔带， 12.抛光盘电机， 13.第二多楔带， 14.第一传动轴，15.联轴器， 16.联轴器， 17.法兰连接器， 18.第一推力球轴承， 19.抛光头主轴，20.横向导轨， 21.抛光头电机， 22.压力传感器， 23.弹性支撑件， 24.同步带， 25.竖直滑块， 26.垂直导轨， 27.横向溜板，28.横向滑块，29.气缸，30.横梁，31.轴套，32.垂直溜板，33.滚珠丝杠，34.丝杠螺母，35.螺母座，36.主立柱.
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明实作进一步有说明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1-6所示。
一种实验室用多功能研抛机，包括实现自适应抛光的机械运动机构、研抛过程中信号采集和处理部分，所述的实现研抛的机械部分通过伺服电机带动导轨沿着横向实现往复摆动运动和在气缸的带动下做上下加压动作的实现，抛光头动力由抛光头电机带动做旋转运动，抛光盘由电机带动做旋转转运动，信号采集是通过传感器将抛光盘受的扭矩和压力及抛光头所受的抛光压力采集到PC端，通过电脑端处理器将数据进行处理，最终得出抛光盘所产生的摩擦系数，通过设定压力，控制摩擦系数，进而实现自适应加压功能，在现有的研抛机的工作过程中，只能是通过时间控制研抛质量，且不能实现自适应加压及研抛过程的参数控制。
本发明的实验室用多功能研抛机，具体包括抛光头电机21和抛光盘4，如图1、4所示，所述抛光头电机21通过螺栓固定于垂直溜板32上，并通过同步带24将动力传至抛光头主轴19上，所述抛光头主轴19安装于轴套31上，所述轴套31通过螺栓固定于垂直溜板32上（见图4）。所述抛光头主轴19安装于垂直溜板32上，所述垂直溜板32与竖直滑块25相连（如图3），竖直滑块25安装在垂直导轨26上，垂直导轨26固定在横向溜板27上，横向溜板27上安装有气缸29，如图5、6所示。气缸29的气缸杆与垂直溜板32相连，气缸29带动垂直溜板32在横向溜板27上上下移动，进而实现抛光头部件的上下竖直运动，在横向溜板27上安装有位移传感器1，位移传感器1用于检测垂直溜板32上下移动距离，如图2、5所示；所述横向溜板27通过横向滑块28安装在横向导轨20上，所述横向导轨20安装于横梁30，横梁30上安装有伺服电机3和滚珠丝杠33，伺服电机3带动滚珠丝杠33转动，滚珠丝杠33带动丝杠螺母34移动，如图5、6所示，丝杠螺母34与横向滑块28相连并带动其移动，横向滑块28带动与其相连的横向溜板27移动；在横梁30上安装有用于检测横向溜板27移动距离的位移传感器1；所述抛光盘4通过插销连接于抛光机主轴5上，所述抛光盘主轴5上端支承在第一推力球轴承18上，下端支承在角接触球轴承6上并与法兰连接器17连接，所述法兰连接器17与第二推力球轴承7配合安装，所述第二推力球轴承7与压力传感器8贴合安装，所述法兰连接器17通过联轴器16与扭矩传感器9连接，所述扭矩传感器9通过联轴器15与第一传动轴14相连，所述第一传动轴14通过第二多楔带13与第二传动轴10连接，所述第二传动轴10通过第一多楔带11与抛光盘电机12连接。
当进行正常的研抛实验时，抛光盘由抛光盘电机12通过带传动将动力传至主轴5上，实现抛光盘的转动，抛光头主轴19的旋转由抛光头电机21通过带传动将动力传至抛光头主轴，伺服电机3通过联轴器2将动力传至滚珠丝杠33，由滚珠丝杠33通过丝杠螺母34和螺母座35与抛光头部分连接，带动整个抛光头实现沿着抛光盘中线往复运动，从而实现抛光盘转动的同时，抛光头部分实现自旋转和往复直线运动，增加研抛轨迹的复杂性；在控制面板上设置实验所需的压力值，而后通过压力传感器8采集的信号传至处理器中与设定值进行对比，将误差值通过转换传至气缸的电气比例阀端，通过调整气缸29的输出压力值，达到实验压力值，实现压力的自适应，通过算法，由抛光盘扭矩和抛光头位移数值推算出抛光盘在研抛过程中所受到的摩擦力，进而可以得到摩擦系数值，并进行实时显示，以便得到研抛过程中参数的变化对研抛效果的影响。
详述如下：
一种实验室用多功能研抛机，包括抛光头电机21和抛光盘4，抛光头电机21固定于垂直溜板32上，垂直溜板32由弹性支撑件23支撑，平衡抛光头整体重量，以达到可以从零加压（即压力传感器的压力值只是抛光压力，抛光头部件的重量由弹性支撑件23承担），抛光头主轴19与轴套31配合，轴套31通过螺栓安装在垂直溜板32上，垂直溜板32与竖直滑块25连接，竖直滑块25在垂直导轨26上做上下滑动，垂直导轨26安装于横向溜板27上，横向溜板27通过横向滑块28连接在横向导轨20上，横向滑块28在滚珠丝杠33上做往复运动（由电机带动丝杠正反转来实现），伺服电机3提供动力给滚珠丝杠33，滚珠丝杠33的在横向的位移量由位移传感器1采集处理，上述所有硬件均安装于横梁30上，抛光盘4通过插销放置于研抛机主轴5上，随着主轴做周向运动，研抛机主轴5由第一推力球轴承18支撑和角接触球轴承6保证中心度，研抛机主轴5通过法兰连接器连接，法兰连接器17上连研抛机主轴5，下面连接联轴器16，且抛光盘4所受的压力由压力传感器8采集，由第二推力球轴承7将旋转运动转换为静止运动，以便压力的采集和处理，联轴器16下连扭矩传感器9，扭矩传感器9通过联轴器15与第一传动轴14连接，第一传动轴14通过第二多楔带13与第二传动轴10相连，第二传动轴10由抛光盘电机12通过第一多楔带11提供动力。
本发明的工作原理：当进行正常的研抛实验时，抛光盘由抛光盘电机12通过带传动将动力传至主轴5上，实现抛光盘的转动，抛光头主轴19的旋转由抛光头电机21通过带传动将动力传至抛光头主轴，伺服电机3通过联轴器2将动力传至滚珠丝杠33，由滚珠丝杠33通过丝杠螺母34和螺母座35与抛光头部分连接，带动整个抛光头实现沿着抛光盘中线往复运动，从而实现研抛机抛光盘转动的同时，抛光头部分实现自旋转和往复直线运动，增加研抛轨迹的复杂性；在控制面板上设置实验所需的压力值，而后通过压力传感器8采集的信号传至处理器中与设定值进行对比，将误差值通过转换传至气缸29的电气比例阀端，通过调整气缸29的输出压力值，达到实验压力值，实现压力的自适应，通过算法，由抛光盘扭矩和抛光头位移数值可以推算出抛光盘在研抛过程中所受到的摩擦力，进而可以得到摩擦系数值，并进行实时显示，以便研究研抛过程中参数的变化对研抛效果的影响。
综上所述：通过第一推力球轴承18和第二推力球轴承7，有效解决了在研抛过程中实时采集研抛压力的问题，通过反馈系统，可以实时的观测到研抛过程中的各参数的变化，以便很好的控制实验，通过使用气缸29结合横向导轨20、垂直导轨26以及滚珠丝杠33，可以实现抛光头的柔性加压，而现有的实验室用的研抛设备的智能化程度低，且无法很好控制研抛实验的效果，本发明针对这些短板做出了有效的设计，很好的解决了这些问题。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种实验室用多功能研抛机，包括抛光头电机（21）和抛光盘（4），其特征是：所述抛光头电机（21）通过螺栓固定于垂直溜板（32）上，并通过同步带（24）将动力传至抛光头主轴（19）上，所述抛光头主轴（19）安装于垂直溜板（32）上，所述垂直溜板（32）与竖直滑块（25）相连，竖直滑块（25）安装在垂直导轨（26）上，垂直导轨（26）固定在横向溜板（27）上，横向溜板（27）上安装有气缸（29），气缸（29）的气缸杆与垂直溜板（32）相连，气缸（29）带动垂直溜板（32）在横向溜板（27）上上下移动，进而实现抛光头部件的上下竖直运动，在气缸横向溜板（27）上安装有位移传感器（1），位移传感器（1）用于检测垂直溜板（32）上下移动距离；所述横向溜板（27）通过横向滑块（28）安装在横向导轨（20）上，所述横向导轨（20）安装于横梁（30）上，横梁（30）上安装有伺服电机（3）和滚珠丝杠（33），伺服电机（3）带动滚珠丝杠（33）转动，滚珠丝杠（33）带动丝杠螺母（34）移动，丝杠螺母（34）与横向滑块（28）相连并带动其移动，横向滑块（28）带动与其相连的横向溜板（27）移动；在横梁（30）上安装有用于检测横向溜板（27）移动距离的位移传感器（1）；所述抛光盘（4）通过插销连接于抛光盘主轴（5）上，所述抛光盘主轴（5）上端支承在第一推力球轴承（18）上，下端支承在角接触球轴承（6）上并与法兰连接器（17）连接，所述法兰连接器（17）与第二推力球轴承（7）配合安装，所述第二推力球轴承（7）与压力传感器（8）贴合安装，所述法兰连接器（17）通过联轴器（16）与扭矩传感器（9）连接，所述扭矩传感器（9）通过联轴器（15）与第一传动轴（14）相连，所述第一传动轴（14）通过第二多楔带（13）与第二传动轴（10）连接，所述第二传动轴（10）通过第一多楔带（11）与电机（12）连接；当进行正常的研抛实验时，抛光盘由抛光盘电机（12）通过带传动将动力传至抛光盘主轴（5）上，实现抛光盘的转动，抛光头主轴（19）的旋转由抛光头电机（21）通过带传动将动力传至抛光头主轴，伺服电机（3）通过联轴器（2）将动力传至滚珠丝杠（33），由滚珠丝杠（33）通过丝杠螺母（34）和螺母座（35）与抛光头部分连接，带动整个抛光头实现沿着抛光盘中线往复运动，从而实现抛光盘转动的同时，抛光头部分实现自旋转和往复直线运动，增加研抛轨迹的复杂性；在控制面板上设置实验所需的压力值，而后通过压力传感器（8）采集的信号传至处理器中与设定值进行对比，将误差值通过转换传至气缸的电气比例阀端，通过调整气缸（29）的输出压力值，达到实验压力值，实现压力的自适应，通过算法，由抛光盘扭矩和抛光头位移数值推算出抛光盘在研抛过程中所受到的摩擦力，进而可以得到摩擦系数值，并进行实时显示，以便得到研抛过程中参数的变化对研抛效果的影响。
2.根据权利要求1所述的实验室用多功能研抛机，其特征是：所述的所述抛光头主轴（19）安装于轴套（31）上，所述轴套（31）通过螺栓固定于垂直溜板（32）上。
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