一种基片均匀抛光装置及其工作方法与流程

本发明属于基片超精密加工技术领域，具体涉及一种用于激光晶片、光学玻璃、蓝宝石衬底、陶瓷片、钨钢片等各种材料的平面类零件均匀抛光方法及装置。

背景技术：

随着核能、大规模集成电路、激光和航天等尖端技术的发展，对应用于这些领域的激光晶片、光学玻璃、蓝宝石衬底、陶瓷片、钨钢片等各种材料的加工精度都提出了更高的要求。

以激光晶片为例，其作为制作固体激光器的工作介质，是固体激光技术的基础支撑材料。为了增强激光晶片的散热效果，降低高功率下的热透镜效应和双折射效应，进一步提高激光器的功率和光束质量，需要采用几何精度更高的激光晶片。目前，用于高功率盘片激光器的激光晶片要求面形精度pv≤λ/6，平行度<10"。现有激光晶片在进行超精密抛光加工时，激光晶片与载物盘粘接后，为了保证晶片平行度要求，通常采用加偏心砝码的方式通过改变抛光载荷来修正平行度。由于缺乏精确的晶片厚度在线检测技术，抛光工艺参数调整、抛光载荷的偏心加载等往往主要依靠经验，加工过程的可控性和稳定性较差，使抛光加工后的晶片平行度变差，很难获得高的几何精度。此外，由于激光晶片厚度薄，径厚比大(＞100)，加工引起的翘曲变形使得平行度要求很难保证。目前对于超高精度要求的光学元件最终都要纯手工打磨，加工后一致性差。因此，需要开发一种新的基片均匀抛光方法及其装置，实现抛光加工过程中的可控，保证基片的均匀去除，从而获得满足高平行度要求的基片。

技术实现要素：

为了解决基片在抛光加工过程中可控性和稳定性差，基片几何精度不高的问题，本发明提供要设计一种可控性和稳定性好、基片几何精度的基片均匀抛光装置及其工作方法。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基片均匀去除抛光装置，至少包括控制系统、驱动器、抛光模块、拨叉、抛光垫、抛光盘和接头，所述的抛光盘之上设置抛光垫，所述的拨叉用于调节抛光模块位置；所述的抛光模块置于抛光垫上，所述的抛光模块包括基座、在线检测单元和自动配重单元，所述的在线检测单元和自动配重单元组成一体化结构并安装在基座上；所述的在线检测单元的输出端与控制系统连接；所述的控制系统通过驱动器控制自动配重单元；

所述的在线检测单元包括四个微位移传感器，即在基座的等半径圆上均匀分布着微位移传感器a、微位移传感器b、微位移传感器c和微位移传感器d，微位移传感器a、微位移传感器b、微位移传感器c和微位移传感器d通过自身螺纹固定在基座上；

所述的自动配重调整单元包括四组配重调整机构，每两个微位移传感器之间设置一组配重调整机构，四组配重调整机构沿基座的等半径圆上均匀分布；每组配重调整机构包括两个配重调整子机构，即一个径向配重调整子机构和一个周向配重调整子机构，每个配重调整子机构包括一个音圈电机和一个配重滑块，所述的径向配重调整子机构的音圈电机的轴线与基座的径向线共线，所述的周向配重调整子机构的音圈电机的轴线与基座的径向线垂直；

四组配重调整机构包括音圈电机a、音圈电机b、音圈电机c、音圈电机d、音圈电机e、音圈电机f、音圈电机g和音圈电机h，所述的音圈电机a用于调节配重滑块a的位置，音圈电机b用于调节配重滑块b的位置，音圈电机c用于调节配重滑块c的位置，音圈电机d用于调节配重滑块d的位置，音圈电机e用于调节配重滑块e的位置，音圈电机f用于调节配重滑块f的位置，音圈电机g用于调节配重滑块g的位置，音圈电机h用于调节配重滑块h的位置；

所述的音圈电机a、音圈电机c、音圈电机e和音圈电机g用于调节径向配重量，音圈电机b、音圈电机d、音圈电机f和音圈电机h用于调节周向配重量；

所述的接头用于连接真空设备。

一种基片均匀去除抛光装置的工作方法，基于环状抛光盘法原理，包括以下步骤：

步骤一、通过真空吸附方式将基片吸附于抛光模块基座的下方，设定抛光预去除厚度h，设微位移传感器a、微位移传感器b、微位移传感器c和微位移传感器d的中心所在点分别为p1、p2、p3和p4，调零微位移传感器a、微位移传感器b、微位移传感器c和微位移传感器d的示值，即hp1＝hp2＝hp3＝hp4＝0；

步骤二、开始抛光加工，微位移传感器a、微位移传感器b、微位移传感器c和微位移传感器d实时检测基片四点的厚度并通过数据采集卡将数据传输给控制系统，控制系统根据“三点确定一个平面”原理加权计算此时基片的平面，得到基片最高点即最小去除厚度位置坐标p高和基片最低点即最大去除厚度位置坐标p低；

利用微位移传感器a、微位移传感器b、微位移传感器c和微位移传感器d的示值计算基片平面过程如下：以基座的中心为原点，音圈电机g的运动方向为x轴，音圈电机e的运动方向为y轴，垂直于基座的方向为z轴建立三维直角坐标系，微位移传感器a、微位移传感器b、微位移传感器c和微位移传感器d对应坐标位置分别为：

r为微位移传感器a、微位移传感器b、微位移传感器c和微位移传感器d距原点的距离，hp1、hp2、hp3和hp4分别为微位移传感器a、微位移传感器b、微位移传感器c和微位移传感器d的示值。根据“三点确定一个平面”的原理，取其中任意三点坐标，得到一个平面方程，共得四个平面方程，四个平面方程分别是：

以单个平面方程比平面方程总数的比值，即1/4为权数，对上述四个平面方程进行加权平均计算，得最终平面方程为：

s:ax+by+c+d＝0。

最后，根据条件极值进行求解，即求得基片最高点坐标p高(x,y,z高)和基片最低点坐标p低(-x,-y,z低)，其中x²+y²＝r²。

步骤三、根据步骤二中计算得到的最小去除厚度位置坐标p高和最大去除厚度位置坐标p低，利用重心计算公式，控制系统通过运动控制卡控制8个音圈电机分别调整8个配重滑块的等效重心m，使等效重心m始终位于最小去除厚度p高位置与基座的中心连线上；具体计算方法如下：

设配重滑块a、配重滑块b、配重滑块c、配重滑块d、配重滑块e、配重滑块f、配重滑块g和配重滑块h的质量都为m，初始坐标分别为m8(xm8,ym8)、m10(xm10,ym10)、m13(xm13,ym13)、m15(xm15,ym15)、m18(xm18,ym18)、m20(xm20,ym20)、m23(xm23,ym23)和m25(xm25,ym25)，根据重心计算公式：

则等效重心坐标为

由于利用重心计算公式让配重滑块等效重心m位于最小去除厚度位置p高与原点o的连线上的解不唯一，为了降低抛光过程中由电机运动带来的干扰，实际中每次只需调整音圈电机a、音圈电机b、音圈电机e和音圈电机f或调整音圈电机c、音圈电机d、音圈电机g和音圈电机h，即调整音圈电机a、音圈电机b、音圈电机e和音圈电机f运动时，保持音圈电机c、音圈电机d、音圈电机g和音圈电机h位于初始位置，反之，调整音圈电机c、音圈电机d、音圈电机g和音圈电机h运动时，保持音圈电机a、音圈电机b、音圈电机e和音圈电机f位于初始位置。

步骤四、当微位移传感器a、微位移传感器b、微位移传感器c和微位移传感器d的示值相同且达到预设去除厚度h时，即hp1＝hp2＝hp3＝hp4＝h，停止抛光，完成抛光实验，否则，重复步骤三，直到hp1＝hp2＝hp3＝hp4＝h。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用在线检测单元和自动配重单元组成的一体化结构，实现了精确的基片厚度在线测量和自动配重调整，加工过程中的可控性和稳定性好。通过基片厚度在线检测，只需一次装夹便可完成基片的均匀抛光加工，避免了基片卸片测量过程带来的测量变形甚至导致无法测量的结果，操作简单，省时省力，提高了基片的精度。

2、本发明实时检测基片厚度，根据抛光前后基片厚度的变化量及抛光加工时间，可计算得到基片抛光加工过程中的去除速率，能够更好的指导基片的抛光加工，减少了不必要的浪费，提高了生产效率，从而能够在降低生产成本的同时大幅提高产品质量。

附图说明

图1是基片均匀抛光装置组成示意图；

图2是抛光模块结构示意图；

图3是基片均匀抛光方法流程示意图；

图4是四点加权计算基片平面示意图；

图5是实施例一中基片均匀抛光模块结构示意图；

图6是实施例一中音圈电机的配重调节示意图；

图7是实施例二中音圈电机配重调节示意图。

图中：1、抛光模块，2、拨叉，3、抛光垫，4、抛光盘，5、基座，6、微位移传感器a，7、音圈电机a，8、配重滑块a，9、音圈电机b，10、配重滑块b，11、微位移传感器b，12、音圈电机c，13、配重滑块c，14、音圈电机d，15、配重滑块d，16、微位移传感器c，17、音圈电机e，18、配重滑块e，19、音圈电机f，20、配重滑块f，21、微位移传感器d，22、音圈电机g，23、配重滑块g，24、音圈电机h，25、配重滑块h，26、接头。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施例。

如图1-2所示，一种基片均匀去除抛光装置，至少包括控制系统、驱动器、抛光模块1、拨叉2、抛光垫3、抛光盘4和接头26，所述的抛光盘4之上设置抛光垫3，所述的拨叉2安装在抛光垫3上；所述的抛光模块1置于抛光垫3上，所述的抛光模块1包括基座5、在线检测单元和自动配重单元，所述的在线检测单元和自动配重单元组成一体化结构并安装在基座5上；所述的在线检测单元的输出端与控制系统连接；所述的控制系统通过驱动器控制自动配重单元；

所述的在线检测单元包括四个微位移传感器，即在基座5的等半径圆上均匀分布着微位移传感器a6、微位移传感器b11、微位移传感器c16和微位移传感器d21，微位移传感器a6、微位移传感器b11、微位移传感器c16和微位移传感器d21通过自身螺纹固定在基座5上；

所述的自动配重调整单元包括四组配重调整机构，每两个微位移传感器之间设置一组配重调整机构，四组配重调整机构沿基座5的等半径圆上均匀分布；每组配重调整机构包括两个配重调整子机构，即一个径向配重调整子机构和一个周向配重调整子机构，每个配重调整子机构包括一个音圈电机和一个配重滑块，所述的径向配重调整子机构的音圈电机的轴线与基座5的径向线共线，所述的周向配重调整子机构的音圈电机的轴线与基座5的径向线垂直；

四组配重调整机构包括音圈电机a7、音圈电机b9、音圈电机c12、音圈电机d14、音圈电机e17、音圈电机f19、音圈电机g22和音圈电机h23，所述的音圈电机a7用于调节配重滑块a8的位置，音圈电机b9用于调节配重滑块b10的位置，音圈电机c12用于调节配重滑块c13的位置，音圈电机d14用于调节配重滑块d15的位置，音圈电机e17用于调节配重滑块e18的位置，音圈电机f19用于调节配重滑块f20的位置，音圈电机g22用于调节配重滑块g23的位置，音圈电机h23用于调节配重滑块h25的位置；

所述的音圈电机a7、音圈电机c12、音圈电机e17和音圈电机g22用于调节径向配重量，音圈电机b9、音圈电机d14、音圈电机f19和音圈电机h23用于调节周向配重量；

所述的接头26用于连接真空设备。

本发明的实施例一如下：

如图1-6所示，一种基片均匀去除抛光装置的工作方法，基于环状抛光盘法原理，自动配重调整单元包括音圈电机a7、音圈电机c12、音圈电机e17和音圈电机g22，具体包括以下步骤：

步骤一、将研磨加工后的基片通过真空吸附到基座5下方，抛光垫3与抛光盘4粘结，将抛光模块1置于抛光垫3上，设定抛光预去除厚度h，调零此时微位移传感器a6、微位移传感器b11、微位移传感器c16和微位移传感器d21的示值，即hp1＝hp2＝hp3＝hp4＝0。

步骤二、开始抛光加工，拨叉2带动抛光模块1旋转，微位移传感器a6、微位移传感器b11、微位移传感器c16和微位移传感器d21实时检测基片四点的厚度并通过数据采集卡将数据传输给控制系统，利用“三点确定一个平面”原理加权计算得到此时基片的平面方程s:ax+by+c+d＝0，根据条件极值求得基片最高点(最小去除厚度位置)坐标p高(x,y,z高)和基片最低点(最大去除厚度位置)坐标p低(-x,-y,z低)，其中x²+y²＝r²。

步骤三、根据步骤二中计算得到的最大去除厚度p高和最小去除厚度p低位置，利用重心计算公式，控制系统通过运动控制卡分别控制音圈电机a7、音圈电机c12、音圈电机e17和音圈电机g22运动，调整其配重滑块a8、配重滑块c13、配重滑块e18和配重滑块g23的等效重心使其始终位于最小去除厚度p高位置与基座5中心连线上，如图7所示，配重滑块a8由m8移动到m8'，配重滑块c13由m13移动到m13'，配重滑块e18由m18移动到m18'，配重滑块g23由m23移动到m23'。

步骤四、当微位移传感器a6、微位移传感器b11、微位移传感器c16和微位移传感器d21示值相同且达到预设去除厚度时，即hp1＝hp2＝hp3＝hp4＝h，停止抛光，完成抛光实验；否则，重复步骤三，直到hp1＝hp2＝hp3＝hp4＝h。

本发明的实施例二如下：

如图1-4、7所示，一种基片均匀去除抛光装置的工作方法，，基于环状抛光盘法原理，自动配重单元包括音圈电机a7、音圈电机b9、音圈电机c12、音圈电机d14、音圈电机e17、音圈电机f19、音圈电机g22和音圈电机h23，具体包括以下步骤：

步骤一、将研磨加工后的基片通过真空吸附到基座5下方，，抛光垫3与抛光盘4粘结，将抛光模块1置于抛光垫3上，设定抛光预去除厚度h，调零此时微位移传感器a6、微位移传感器b11、微位移传感器c16和微位移传感器d21的示值，即hp1＝hp2＝hp3＝hp4＝0。

步骤二、开始抛光加工，拨叉2带动抛光模块1旋转，微位移传感器a6、微位移传感器b11、微位移传感器c16和微位移传感器d21实时检测基片四点的厚度并将数据传输给控制系统，利用“三点确定一个平面”原理加权计算得到此时基片的平面方程s:ax+by+c+d＝0，根据条件极值求得基片最高点(最小去除厚度位置)坐标p高(x,y,z高)和基片最低点(最大去除厚度位置)坐标p低(-x,-y,z低)，其中x²+y²＝r²。

步骤三、根据步骤二中计算得到的最大去除厚度p高和最小去除厚度p低位置，利用重心计算公式，控制系统通过运动控制卡分别控制音圈电机a7、音圈电机b9、音圈电机c12、音圈电机d14、音圈电机e17、音圈电机f19、音圈电机g22和音圈电机h23运动，调整其配重滑块a8、配重滑块b10、配重滑块c13、配重滑块d15、配重滑块e18、配重滑块f20、配重滑块g23和配重滑块h25的等效重心使其始终位于最小去除厚度位置与基座5中心连线上，如图7所示，保持配重滑块c13、配重滑块d15、配重滑块g23和配重滑块h25位于初始位置，配重滑块a8由m8移动到m8'，配重滑块b10由m10移动到m10'，配重滑块e18由m18移动到m18'，配重滑块f20由m20移动到m20'。

步骤四、当微位移传感器a6、微位移传感器b11、微位移传感器c16和微位移传感器d21示值相同且达到预设去除厚度时，即hp1＝hp2＝hp3＝hp4＝h，停止抛光，完成抛光实验；否则，重复步骤三，直到hp1＝hp2＝hp3＝hp4＝h。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。