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前言：

納米薄膜生長(zhǎng)所需的原子級(jí)超光滑表面襯底，對(duì)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(pán)與工件表面的直接接觸來(lái)獲取超光滑表面^S ,該方法不可避免地會(huì)給工件帶來(lái)劃傷，也會(huì)給亞表面造成損傷，難以滿足襯底所需的要求。液動(dòng)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(duì)液動(dòng)壓懸浮拋光機(jī)床設(shè)計(jì)中考慮的某些設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行討論，并介紹該機(jī)床的控制與檢測(cè)系統(tǒng)。

1液動(dòng)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(dòng)壓懸浮拋光屬于非接觸式拋光方法，主要針對(duì)納米薄膜生長(zhǎng)的銅襯底進(jìn)行拋光加工，同時(shí)考慮還 ^{^[1]}需要對(duì)硅片等光學(xué)電子元器件進(jìn)行加工。因此，對(duì)新研制的液動(dòng)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(méi)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(dòng)壓所形成的上浮力。因此，需要對(duì)上拋光盤(pán)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(pán)可獲得較高的轉(zhuǎn)速且穩(wěn)定運(yùn)行。因此，上拋光盤(pán)驅(qū)動(dòng)部分采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高精度、高轉(zhuǎn)速的控制，下拋光盤(pán)通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速并通過(guò)調(diào)整變頻器的參數(shù)實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的軟啟動(dòng)和軟停止^S ,達(dá)到拋光過(guò)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(dòng)的加工。因此，上拋光盤(pán)需要實(shí)現(xiàn)沿軸向運(yùn)動(dòng)的功能外，且能通過(guò)液體粘度、拋光盤(pán)的轉(zhuǎn)速和上拋光盤(pán)楔形結(jié)構(gòu)的參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)懸浮力的大小，從而調(diào)節(jié)上下拋光盤(pán)之間的加工間隙。

(4) 傳感器能實(shí)現(xiàn)對(duì)上浮力、上浮高度、加工間隙的測(cè)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(dòng)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(duì)較長(zhǎng)，如圖2所示。液動(dòng)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(duì)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(dòng)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(pán)設(shè)計(jì)

遵循非接觸的拋光原則，依據(jù)液動(dòng)壓懸浮的原理

(如圖4所示）以及液動(dòng)壓懸浮液體壓力仿真的結(jié)果(如圖5所示），對(duì)加工中心的上拋光盤(pán)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)(如圖6所示），該盤(pán)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(pán)上粘貼工件,會(huì)有額外的厚度產(chǎn)生，所以在拋光盤(pán)的液動(dòng)壓力均勾分布區(qū)域預(yù)留出10個(gè)長(zhǎng)10 mm,寬12 mm,高0. 8mm的槽。上拋光盤(pán)采用伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式在拋光液中轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)液楔產(chǎn)生液動(dòng)壓@ ,使上拋光盤(pán)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(yǔ)：

通過(guò)對(duì)液動(dòng)壓懸浮拋光新方法的研究，根據(jù)液動(dòng)壓懸浮拋光加工中心的設(shè)計(jì)要求，對(duì)加工中心的床身、上拋光盤(pán)、液動(dòng)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(cè)量與檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了加工中心自動(dòng)化、高精度、高穩(wěn)定性的性能。設(shè)計(jì)的液動(dòng)壓懸浮拋光加工中心可以對(duì)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(pán)之間的間隙，實(shí)現(xiàn)了非接觸拋光，對(duì)制備出納米薄膜生長(zhǎng)所需的原子級(jí)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(dòng)壓懸浮拋光加工中心的設(shè)計(jì)與研究

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