专利名称：一种基于快速抛光技术的材料去除率控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种材料去除率控制系统，尤其是涉及一种基于快速抛光技术的材料去除率 控制系统。
背景技术：
随着抛光技术的不断发展和数控机床应用的不断扩大，如何提高工件抛光加工效率，如 何控制其材料去除率，成为抛光技术应用上的关键问题。目前，由于很多超精密加工技术没有公开，抛光的三大要素抛光液、抛光垫和抛光机 的发展严重制约了超精密加工水平的提高。近年来，我国科研工作者已开始机械化学抛光技 术的研究(参见文献1、王胜利，袁育杰，刘玉岭,铜CMP中工艺参数对抛光速率的影响[J]. 润滑与密封，2006， 7: 113-115; 2、王亮亮，路新春，潘国顺，等，硅片化学机械抛光中表面 形貌问题的研究[J].润滑与密封，2006， 2: 66-69; 3、 W. T. Tseng and Y. L. Wang, Re-examination of pressure and speed dependence of removal rate during chemical mechanical polishing processes [J]. J. Electrochem. Soc. 1997， 144: L15-L17)。发明内容本发明的目的在于针对现有的光学元件抛光加工效率低、难以控制材料去除率的缺点， 提供一种基于快速抛光技术的材料去除率控制系统。本发明设有工控机系统、数控系统(CNC)、伺服系统、数控抛光机床和材料去除率检测 系统。工控机系统输出端与数控系统输入端连接，通过USB接口将数控加工程序输入数控系 统，数控系统输出端与伺服系统输入端连接，伺服系统输出端与数控抛光机床的电机连接， 电机驱动3个加工轴工件旋转轴、工件横移轴和抛光盘旋转轴联动，对工件进行加工，数 控抛光机床加工后的工件输出并送入材料去除率检测系统进行材料去除率检测，检测后的工 件如不符合要求，则进行补偿加工，使得实际材料去除率同预想的材料去除率相对误差不超 过2%。所述材料去除率检测系统设有空调恒温系统、激光干涉仪和千分尺。工件加工完毕之后， 送入空调恒温系统放置，以消除工件表面应力，而后利用Techo激光干涉仪和千分尺测量实3际加工后工件材料去除率。所述工控机系统内设有加工软件处理模块，包括原始加工模块和补偿加工模块等，其中， 原始加工模块设有压强计算模块、相对速度计算模块、数控程序生成模块和材料去除率补偿 模块等。输入预想加工所需要的材料去除率，采用压强计算模块计算出对工件施加的压强， 从而给出所需设定的加工参数A，即Z1轴下降高度；采用相对速度计算模块计算出工件相对 抛光盘的速度，从而给出所需设定的加工参数B，即工件转速col和抛光转速to2。数控程序 生成模块根据加工参数A和加工参数B，生成数控加工程序。工控机系统输出端与数控系统 输入端相连接，通过USB接口将数控加工程序输入数控系统。所述对工件进行加工，数控抛光机床加工后的工件输出并送入材料去除率检测系统进行 材料去除率检测，检测后的工件如不符合要求，则进行补偿加工，是将加工后所得的工件材 料去除率输入工控机系统的补偿加工模块，补偿加工模块包括材料去除率补偿模块和数控程 序生成模块，采用材料去除率补偿模块比较实际加工后所得的工件材料去除率和预想加工所 需要的材料去除率，给出补偿加工所需的补偿加工参数和补偿加工参数，生成补偿后的加工 数控程序，工件进行补偿加工，使补偿加工后的材料去除率和预想的材料去除率相对误差不 超过2%。由于本发明的工控机系统输出端通过USB接口将数控加工程序输入数控系统，数控系统 输出端与伺服系统输入端连接，伺服系统输出端与数控抛光机床的电机连接，电机驱动3个 加工轴工件旋转轴、工件横移轴和抛光盘旋转轴联动，对工件进行加工，将加工后所得的 工件材料去除率输入工控机系统的补偿加工模块，补偿加工模块包括材料去除率补偿模块和 数控程序生成模块，采用材料去除率补偿模块比较实际加工后所得的工件材料去除率和预想 加工所需要的材料去除率，给出补偿加工所需的补偿加工参数和补偿加工参数，生成补偿后 的加工数控程序，工件进行补偿加工，使补偿加工后的材料去除率和预想的材料去除率相对 误差不超过2%。本发明克服了现有的光学元件抛光加工效率低、难以控制材料去除率等缺点，能有效地 提高加工效率，精确地控制材料去除率，材料去除率可达5 10um/h，是传统初抛的8 10 倍。而且经过补偿加工后，补偿加工后的材料去除率同预想的材料去除率相对误差不超过2%。
图1为本发明实施例的结构组成框图。图2为本发明实施例的数控抛光机床结构示意图。图3为图2的俯视图。图4为本发明实施例采用的材料去除率检测系统结构图。图5为本发明实施例采用的工控机系统补偿加工模块结构图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。参见图1 4，本发明实施例设有工控机系统l、数控系统(CNC) 2、伺服系统3、数控 抛光机床4和材料去除率检测系统5。在工控机系统1中输入预想加工所需的材料去除率， 由加工软件处理模块得到加工所需的参数和数控程序。工控机系统1输出端与数控系统2输 入端相连，数控系统2输出端与伺服系统3输入端连接，伺服系统3输出端与数控抛光机床 4的电机连接，驱动3个加工轴(工件旋转轴、工件横移轴和抛光盘旋转轴)联动对工件21 进行加工。实际加工后的工件21送入材料去除率检测系统5进行材料去除率检测。检测完成 后进行补偿加工，使得补偿加工后的材料去除率与预想的材料去除率相对误差不超过2%。工件21由真空薄膜22吸附，工件旋转轴Z1可升降，以对工件21施加不同的压力，工 件21在工件旋转轴Z1带动下独立旋转，并且工作横移轴Z3可带动工件21横向移动。聚氨 酯抛光垫23由强力胶水粘贴在大理石抛光盘24上，抛光盘24在抛光盘旋转轴Z4带动下独 立旋转。为了保持抛光垫23具有一定表面粗糙度和平整性，金刚石修整轮25在修整轮轴Z2 带动下根据需要可对抛光垫23表面进行修整。由抛光液P (抛光液由氧化铈和去离子水混合 组成，按质量比，氧化铈和去离子水的配比最好为10:1)供给系统在加工过程中喷洒在抛 光垫23表面。轴Z1、轴Z3和轴Z4三轴联动，可对工件21进行材料去除。在图2中，修整 轮25的半径为R，工件21的半径为Rl 。本发明实施例所用的数控抛光机床采用超精密快速抛光机床，为北京NorthTiger机床股 份有限公司PPS100快速抛光机床，数控系统(CNC)采用SINUMERIK 840D,激光干涉仪采 用成都太科Techo激光干涉仪。工控机系统1设有加工软件处理模块，包括原始加工模块和补偿加工模块。其中，原始 加工模块包括压强计算模块、相对速度计算模块、数控程序生成模块。输入预想加工所需的 材料去除率，采用压强计算模块计算出对工件施加的压强，从而给出所需设定的加工参数A， 即工件旋转轴Z1下降高度；采用相对速度计算模块计算出工件相对抛光盘的速度，从而给出 所需设定的加工参数B，即工件转速wl和抛光转速0)2，计算出工件相对抛光盘的速度Vx。 数控程序生成模块根据加工参数A和加工参数B，生成数控加工程序。工控机系统输出端与 数控系统输入端相连接，通过USB接口将数控加工程序输入数控系统。数控系统2输出端与伺服系统3输入端连接，伺服系统3输出端与超精密数控快速抛光技术机床4的电机连接，驱动电机转动，从而带动工件旋转轴Z1、工件横移轴Z3和抛光盘 旋转轴Z4联动，对工件21进行材料去除。
材料去除率检测系统5包括空调恒温系统、千分尺和激光干涉仪。工件加工完毕之后， 送入空调恒温系统放置24h，以消除工件表面应力。接着利用Techo激光干涉仪和千分尺测 量实际加工后工件材料去除率。
参见图5，将加工后所得的工件材料去除率输入工控机系统的补偿加工模块。补偿加工 模块包括材料去除率补偿模块、数控程序生成模块。采用材料去除率补偿模块比较实际加工 后所得的工件材料去除率和预想加工所需要的材料去除率，给出加工所需的补偿加工参数C 和补偿加工参数D，生成补偿后的加工数控程序，工件进行补偿加工，使得补偿加工后的材 料去除率和预想的材料去除率相对误差不超过2%。
本发明采用的基于快速抛光技术的材料去除率控制系统，加工尺寸直径为320mm、厚度 为lOrnm的BK7圆形玻璃，可将使补偿加工后的材料去除率和预想的材料去除率相对误差控 制在2%之内。表1和2给出本实施例采用的基于快速抛光技术的材料去除率控制系统加工实 际工件预期的材料去除率和补偿加工材料去除率比较表。
表l
压强(kPa)预期去除率(pm/h)补偿去除率(pm/h)相对误差(％)
0.54.14.1400.97
17.27.2531.29
1.59.99.9750.75
21312.9450.42
表2转速(rad/min)预期去除率(—)补偿去除率(Mm/h)相对误差(％)
481313.1250.96
369.79.6880.12
248.98.9760.85
1233.0551.8
另外，本发明不仅限于上述的实施形式，自然可在不脱离本发明的主旨范围内对给中材 料和尺寸的光学元件进行加工，控制材料去除率。
权利要求
1.一种基于快速抛光技术的材料去除率控制系统，其特征在于设有工控机系统、数控系统、伺服系统、数控抛光机床和材料去除率检测系统；工控机系统输出端与数控系统输入端连接，通过USB接口将数控加工程序输入数控系统，数控系统输出端与伺服系统输入端连接，伺服系统输出端与数控抛光机床的电机连接，电机驱动3个加工轴工件旋转轴、工件横移轴和抛光盘旋转轴联动，对工件进行加工，数控抛光机床加工后的工件输出并送入材料去除率检测系统进行材料去除率检测。
2. 如权利要求1所述的一种基于快速抛光技术的材料去除率控制系统，其特征在于所述材料去除率检测系统设有空调恒温系统、激光干涉仪和千分尺。
3. 如权利要求1所述的一种基于快速抛光技术的材料去除率控制系统，其特征在于所述工控机系统内设有加工软件处理模块，所述加工软件处理模块包括原始加工模块和补偿加工模块。
4. 如权利要求3所述的一种基于快速抛光技术的材料去除率控制系统，其特征在于所述原始加工模块设有压强计算模块、相对速度计算模块、数控程序生成模块和材料去除率补偿模块。
全文摘要
一种基于快速抛光技术的材料去除率控制系统，涉及一种材料去除率控制系统。提供一种基于快速抛光技术的材料去除率控制系统。设有工控机系统、数控系统、伺服系统、数控抛光机床和材料去除率检测系统。工控机系统输出端与数控系统输入端连接，数控系统输出端与伺服系统输入端连接，伺服系统输出端与数控抛光机床的电机连接，电机驱动3个加工轴工件旋转轴、工件横移轴和抛光盘旋转轴联动，对工件进行加工，数控抛光机床加工后的工件输出并送入材料去除率检测系统进行材料去除率检测。材料去除率检测系统设有空调恒温系统、激光干涉仪和千分尺。工件加工后送入空调恒温系统，利用激光干涉仪和千分尺测量实际加工后工件材料去除率。
文档编号B24B49/03GK101670552SQ200910112549
公开日2010年3月17日 申请日期2009年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者何良雨, 炜 杨, 静 林, 郭隐彪 申请人:厦门大学