研磨機搖臂軸實驗裝置系統(tǒng)設(shè)計

張 軍 王英英 董 會

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽621900）

0 引言

研磨機主要用于KDP晶體化學(xué)機械拋光（CMP）的實驗研究，CMP技術(shù)由于化學(xué)作用和機械作用同時參與，且拋光過程化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，難以實現(xiàn)可控，涉及的參數(shù)較為復(fù)雜，因此，研磨機的穩(wěn)定驅(qū)動控制對于有效實現(xiàn)KDP晶體化學(xué)機械拋光具有關(guān)鍵性作用。

為此，根據(jù)研磨機實驗過程的要求和現(xiàn)場情況，結(jié)合市場調(diào)研，通過設(shè)計加裝用于主動控制工件轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)搖臂軸以實現(xiàn)工件轉(zhuǎn)速可調(diào)，從而減少由于儀器本身所產(chǎn)生的不可控因素。通過改造加裝了搖臂軸控制系統(tǒng)，在保證主轉(zhuǎn)盤公轉(zhuǎn)的前提下，又實現(xiàn)了研磨樣品的自轉(zhuǎn)，且方向、速度均可調(diào)，拋光環(huán)的速度在20～70 r/min區(qū)間段均勻可調(diào)，樣品速度在20～70 r/min相應(yīng)可調(diào)，速度波動率為±3 r/min。以下將從研磨機構(gòu)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)調(diào)試等幾個方面進行詳細介紹。

1 研磨機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過前期調(diào)研和試驗，自行設(shè)計的研磨機構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，拋光研磨機的運轉(zhuǎn)主要包括主轉(zhuǎn)盤公轉(zhuǎn)和研磨環(huán)即研磨樣品的自轉(zhuǎn)兩部分，主轉(zhuǎn)盤的公轉(zhuǎn)方向分為順時針公轉(zhuǎn)和逆時針公轉(zhuǎn)；研磨環(huán)的運轉(zhuǎn)由步進電機帶動小齒輪運轉(zhuǎn)，小齒輪作為主動輪與研磨環(huán)上半部分齒輪嚙合，帶動研磨環(huán)即研磨樣品自轉(zhuǎn)，同時導(dǎo)向軸承與研磨環(huán)下半部分相切，起到了導(dǎo)向研磨的作用。研磨拋光機運轉(zhuǎn)示意圖如圖1（b）所示。自主設(shè)計的拋光研磨機搖臂軸結(jié)構(gòu)大大改善了研磨拋光機的功能，在保證主轉(zhuǎn)盤公轉(zhuǎn)的同時，又實現(xiàn)了研磨樣品的自轉(zhuǎn)，且方向、速度均可調(diào)，通過設(shè)置不同的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)參數(shù)，可實現(xiàn)研磨樣品拋光軌跡均勻。

圖1 研磨機構(gòu)

根據(jù)研磨機使用要求和現(xiàn)場情況，研磨環(huán)外徑95 mm，內(nèi)徑81 mm，厚29.5 mm；限位軸承外徑30 mm，內(nèi)徑10 mm，厚9 mm。兩個限位軸承之間的軸心距離為100 mm。由此可利用公式（1），計算出研磨環(huán)和限位軸承之間的軸心距離為62.5 mm。

式中：a為中心距；m為模數(shù)；z1為大齒輪齒數(shù)；z2為小齒輪齒數(shù)。

該機構(gòu)對力矩?zé)o特殊要求，只需尺寸滿足。通過繪圖選型，齒輪模數(shù)m=1，大齒輪公稱直徑110 mm，小齒輪公稱直徑15 mm。因齒輪使用力矩很小，大齒輪安裝方式為臺階定位，過盈配合。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)研磨機驅(qū)動特點，初步設(shè)想了兩種方案：直流調(diào)速器+直流電機和上位控制器+步進驅(qū)動+步進電機。但是考慮直流調(diào)速對模擬量要求很高，使用過程中可能會產(chǎn)生較大干擾，后一種方案受影響較小，故最終確定電氣控制方案為上位控制器+步進驅(qū)動+步進電機。詳細電氣圖如圖2所示。

圖2 電氣原理圖

3 總結(jié)與結(jié)論

將該研磨拋光機搖臂軸實驗裝置系統(tǒng)用于旋轉(zhuǎn)重力式研磨拋光機。通過該系統(tǒng)對拋光樣品的拋光速度進行調(diào)控，實驗結(jié)果如表1所示。

旋轉(zhuǎn)重力式研磨機搖臂軸智能控制系統(tǒng)操作方便，實現(xiàn)了工件自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定且可控的控制。通過設(shè)計加裝用于主動控制工件轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)搖臂軸，旋轉(zhuǎn)重力式研磨機設(shè)備能力得到了大幅度提升。

該系統(tǒng)既實現(xiàn)了工件轉(zhuǎn)速可調(diào)，又減少了儀器本身所產(chǎn)生的不可控因素的影響，提升了設(shè)備的能力，改善了KDP晶體化學(xué)機械拋光的效果，且提高了工作效率。

表1 改進前后轉(zhuǎn)速比較表