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前言：

納米薄膜生長所需的原子級超光滑表面襯底，對表面粗糙度、位錯(cuò)形態(tài)和殘余應(yīng)力都有較高的要求^[1]。在傳統(tǒng)的機(jī)械式拋光方法中，主要依靠拋光盤與工件表面的直接接觸來獲取超光滑表面^S ,該方法不可避免地會給工件帶來劃傷，也會給亞表面造成損傷，難以滿足襯底所需的要求。液動壓懸浮拋光是一種非接觸式拋光方法^&],其拋光所需的加工中心需要較高的轉(zhuǎn)速和精度。這就需要該加工中心滿足高精度、高剛度以及高抗振性的要求^[4。本文對液動壓懸浮拋光機(jī)床設(shè)計(jì)中考慮的某些設(shè)計(jì)過程進(jìn)行討論，并介紹該機(jī)床的控制與檢測系統(tǒng)。

1液動壓懸浮拋光加工中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1加工中心設(shè)計(jì)的功能和要求

液動壓懸浮拋光屬于非接觸式拋光方法，主要針對納米薄膜生長的銅襯底進(jìn)行拋光加工，同時(shí)考慮還 ^{^[1]}需要對硅片等光學(xué)電子元器件進(jìn)行加工。因此，對新研制的液動壓懸浮拋光加工中心提出以下幾個(gè)方面的功能和要求：

(1)在拋光液浸沒拋光工具和工件的浸液環(huán)境下，拋光工具的懸浮力源自液體動壓所形成的上浮力。因此，需要對上拋光盤進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其可以實(shí)現(xiàn)上浮。

(2)上下拋光盤可獲得較高的轉(zhuǎn)速且穩(wěn)定運(yùn)行。因此，上拋光盤驅(qū)動部分采用伺服電動機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)高精度、高轉(zhuǎn)速的控制，下拋光盤通過變頻器實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的無級調(diào)速并通過調(diào)整變頻器的參數(shù)實(shí)現(xiàn)加工過程的軟啟動和軟停止^S ,達(dá)到拋光過程的穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)拋光時(shí)除了能實(shí)現(xiàn)固定間隙下的加工，也可以實(shí)現(xiàn)自由浮動的加工。因此，上拋光盤需要實(shí)現(xiàn)沿軸向運(yùn)動的功能外，且能通過液體粘度、拋光盤的轉(zhuǎn)速和上拋光盤楔形結(jié)構(gòu)的參數(shù)來調(diào)節(jié)懸浮力的大小，從而調(diào)節(jié)上下拋光盤之間的加工間隙。

(4) 傳感器能實(shí)現(xiàn)對上浮力、上浮高度、加工間隙的測量與數(shù)據(jù)采集，有一定的反饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)拋光加工時(shí)的動態(tài)平衡。因此，需要選用合適的傳感器，在控制上采用PID的方法^[6]實(shí)現(xiàn)拋光加工的反饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

1.2加工中心的整體床身設(shè)計(jì)

目前，普遍的拋光加工中心都采用鑄鐵結(jié)構(gòu)的床身，結(jié)構(gòu)單一，制造周期相對較長，如圖2所示。液動壓懸浮拋光加工中心床身采用框架式的機(jī)架模式進(jìn)行搭建，材料利用率較高，而且對加工條件的要求較低，可以保證更短的加工制造周期。

1.2.1拋光機(jī)下部的機(jī)架設(shè)計(jì)

液動壓懸浮拋光加工中心采用模塊化組合結(jié)構(gòu)，

上下兩部分組成。下部的機(jī)架主要采用型鋼焊接的框架式機(jī)架結(jié)構(gòu)^&](如圖1所示），焊接具有連接強(qiáng)

1.3上拋光盤設(shè)計(jì)

遵循非接觸的拋光原則，依據(jù)液動壓懸浮的原理

(如圖4所示）以及液動壓懸浮液體壓力仿真的結(jié)果(如圖5所示），對加工中心的上拋光盤進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)(如圖6所示），該盤沿整個(gè)圓周方向由10個(gè)結(jié)構(gòu)性的截面單元構(gòu)成,在楔形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了約束邊界和蓄流槽的結(jié)構(gòu)。其次考慮到要在上拋光盤上粘貼工件,會有額外的厚度產(chǎn)生，所以在拋光盤的液動壓力均勾分布區(qū)域預(yù)留出10個(gè)長10 mm,寬12 mm,高0. 8mm的槽。上拋光盤采用伺服電動機(jī)直接驅(qū)動的方式在拋光液中轉(zhuǎn)動，通過液楔產(chǎn)生液動壓@ ,使上拋光盤上粘貼的工件浮離于拋光液中。當(dāng)流體流經(jīng)該

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結(jié)束語：

通過對液動壓懸浮拋光新方法的研究，根據(jù)液動壓懸浮拋光加工中心的設(shè)計(jì)要求，對加工中心的床身、上拋光盤、液動壓懸浮機(jī)構(gòu)、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、人機(jī)界面以及測量與檢測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了加工中心自動化、高精度、高穩(wěn)定性的性能。設(shè)計(jì)的液動壓懸浮拋光加工中心可以對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋補(bǔ)償控制調(diào)節(jié)，從而保證了上下拋光盤之間的間隙，實(shí)現(xiàn)了非接觸拋光，對制備出納米薄膜生長所需的原子級超光滑的高質(zhì)量襯底提供了重要的設(shè)備保障。

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液動壓懸浮拋光加工中心的設(shè)計(jì)與研究

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