一种基于CMP的机器人磨抛系统

摘要

本发明公开了一种基于CMP的机器人磨抛系统，包括六轴机器人、放置工件的工件夹、对需要抛光工件进行检测并三维重构的轮廓检测单元、带抛光垫的磨轮、安装磨轮的基座、以及主控制器，所述六轴机器人自由端部设有带伺服电机的电主轴，工件夹上方设有能向工件喷CMP抛光液的抛光液喷射装置，工件夹安装在所述电主轴上，所述主控制器控制轮廓检测单元、六轴机器人、电主轴、以及所有伺服电机，所述工件夹和带抛光垫的磨轮的位置还可以互换以适应不同尺寸工件的抛光，本发明的机器人磨削系统，效率高，加工一致性好，且不会对工件造成机械损伤、烧伤等普通磨削会产生的不利效果，不出现表面或亚表面的损伤，能加工出较完美的表面。

说明书

技术领域

本发明涉及一种工件磨抛系统，具体涉及一种基于CMP（化学机械抛光）的机器人磨抛系统，用于复杂曲面零件如航空发动机叶片、汽轮机叶片的超精密抛磨。能保证磨削后有很好的表面质量，表面残余应力低。

背景技术

工件的磨削加工是一道关键的工序，它能消除工件车、铣加工留下的刀痕，消除工件的表面缺陷，获得表面质量更高、残余应力小的工件表面，而这些对提高工件寿命，特别对航空发动机叶片等容易疲劳失效的零件有极大的提高作用。

航空发动机叶片、汽轮机叶片等的表面是自由曲面，加工难度大，目前国内的磨削技术主要是人工磨削、基于砂轮、砂带的机器人磨削系统和数控机床磨削。人工磨削的劣势明显，加工出的零件表面质量差、加工效率低，对加工出的产品一致性很难保证，工作环境差，对工人健康有影响。数控机床磨削价格较贵。传统的基于砂轮的机器人磨削系统的磨削精度较低，加工出的零件表面质量差，对工作在高温、高速下的航空发动机的叶片，容易疲劳失效。相比于数控系统，六轴机器人有着更高的灵活性（能适用不同规格零件的加工），更高的通用性和适应性（通过更新软件模块，能够使机器人在复杂的工作环境高效的完成磨削任务），因此发展基于机器人平台的超精密磨削系统有非常大的意义。

公开号为CN103722474A的中国发明（基于复杂曲面加工的机器人打磨系统）专利提出了一种用机器人进行复杂曲面的机器人打磨系统概念，通过力反馈控制实现高精度磨削加工。对于提高系统的磨削精度，公开号为CN10246255A的中国发明专利（一种磨削过程位置和姿态误差自动调整的方法及系统），通过自动检测装置在线实时检测工件位置和姿态信息，反馈给控制系统，通过执行机构进行位姿校正。公开号为CN103056759A的中国发明专利（一种基于传感器反馈的机器人磨削系统），通过双目摄像头检测工件轮廓，进行三维重构，并把轮廓数据传给控制系统进行误差校正，同时还有砂轮检测单元检测砂轮磨损，进行误差补偿。

为使CMP（化学机械抛光）的工艺更好的适合叶片的磨削，需要控制工艺参数。论文（JianfengLuo,DavidA.Dornfeld,MaterialRemovalMechanisminChemicalMechanicalPolishing:TheoryandModeling）指出，在半导体工业的CMP（化学机械抛光），影响晶圆抛磨速率、表面均匀性和表面质量的因素主要有磨削接触区的压力、抛光速度、抛光液的流速、抛光垫的高分子结构和抛光液中纳米级磨粒的尺寸、抛光液的化学成分等有关。同样，在精密磨削叶片时也需要通过实验择优选择CMP抛光叶片的工艺参数。

这些研究把关注点放在磨削操作的精细控制、实时动态测量进行误差补偿，并没有改变传统砂轮磨削在超精密加工的局限性，既无法获得表面微观结构好、残余应力低的表面。

发明内容

为解决超精密磨削零件表面质量问题，本发明创造性的将半导体工业的CMP磨削工艺引入到金属的磨削加工领域，并与六轴机器人平台结合实现自由曲面的磨削加工，以完成航空发动机叶片的加工。

CMP技术综合了化学磨抛和机械磨抛的优点，能在损伤低，完整性好，不出现表面/亚表面损伤的基础上，获得较高的表面去除效率，修正表面的型面精度，加工出较完美的表面。本发明将CMP技术引入到航空叶片的磨抛，并且以CMP技术的工作原理设计了相应的机构。

为了解决上述技术问题，本发明基于CMP原理设计了两种机构实现方案，分别适应于小尺寸叶片和大尺寸叶片的抛光，具体方案是：

方案一

一种基于CMP的机器人磨抛系统，包括六轴机器人、放置工件的工件夹、对需要抛光工件进行检测并三维重构的轮廓检测单元、带抛光垫的磨轮、安装磨轮的基座、以及主控制器，所述六轴机器人自由端部设有带伺服电机的电主轴，其特征在于：所述工件夹上方设有能向工件喷CMP抛光液的抛光液喷射装置，所述工件夹安装在所述电主轴上，所述主控制器控制轮廓检测单元、六轴机器人、电主轴、以及所有伺服电机，所述抛光垫和工件接触区构成局部抛光区，在抛光液喷射装置喷出抛光液的作用下完成CMP抛光，被抛光工件在六轴机器人带动下移动，完成整个工件的抛光。

作为改进，所述抛光液喷射装置的喷头设有增加两个旋转方向自由度的控制器，在控制器的控制下使抛光液的喷射方向为抛光接触区部分工件的切向方向，并控制抛光液的流速。

作为改进，在所述抛光液喷射装置喷出的抛光液里添加磁性成分变成磁可控，在所述工件夹上设有控制所抛光工件上磁性抛光液的流速以及流向的磁控装置。

作为改进，所述抛光垫由微孔材料制成，其能够存储部分抛光液，以便化学反应能充分进行，在抛光自由曲面工件时，所述抛光垫曲率大于自由曲面工件最大曲率。

作为改进，还包括抛光液回收装置、有效过滤被抛光工件的抛光残余颗粒从而充分保留抛光颗粒的抛光液过滤装置以及回收后抛光液化学修复装置。

作为改进，抛光液过滤装置为可过滤被抛光材料残余金属颗粒的磁性抛光液过滤装置。

作为改进，所述轮廓检测单元动态监测工件夹上被抛光的工件的轮廊表面，并把工件的轮廓数据传递到主控制器，主控制器再控制六轴机器人进行动态位姿校正。

作为改进，所述轮廓检测单元的传感器可以是三维激光测距仪，基于飞秒激光的三维测距仪（有更高的位置测量精度），或双目摄像头，所述六轴机器人末端与电主轴之间设有力传感器，通过六轴机器人间接控制控制磨削接触区的压力。

作为改进，所述基于CMP的机器人磨抛系统对工件进行磨抛时，所述磨抛抛光液的化学成分和酸碱度根据被抛光工件材料的高温合金材料种类选择，所述磨抛抛光液中抛光颗粒的几何尺寸D，硬度及颗粒表面形貌根据被抛光工件材料的表面形貌和硬度机械特性选择，以达到最佳的化学腐蚀反应和机械抛光效果，减少以至避免抛磨颗粒对于被抛光面的二次损伤。

该方案设计主体是六轴机器人带动被抛光工件，固定的旋转的磨轮上外包一层抛光垫和抛光液，三者构成CMP的抛光原理。抛光垫和工件接触区构成局部抛光区，在抛光液的作用下完成CMP抛光。被抛光工件在六轴机器人带动下移动，完成整个工件的抛光。其特征是在于，抛光过程中，磨轮不动，六轴机器人带动工件运动，适于小尺寸叶片的抛光。

方案二

一种基于CMP的机器人磨抛系统，包括六轴机器人、放置工件的工件夹、对需要抛光工件进行检测并三维重构的轮廓检测单元、带抛光垫的磨轮、带有伺服电机的基座、以及主控制器，所述六轴机器人自由端部设有带伺服电机的电主轴，其特征在于：所述工件夹与基座上的伺服电机轴相连，所述工件夹上方设有能向工件喷CMP抛光液的抛光液喷射装置，所述带抛光垫的磨轮安装在所述电主轴上，所述主控制器控制轮廓检测单元、六轴机器人、电主轴、以及所有伺服电机，所述抛光垫和工件接触区构成局部抛光区，在抛光液喷射装置喷出抛光液的作用下完成CMP抛光，被抛光工件在六轴机器人带动下移动，完成整个工件的抛光。

方案二的设计主体是六轴机器人带动的抛光头（由电机、磨轮和环套在磨轮上的抛光垫），基座带有一个旋转轴上固定的抛光工件和抛光液，三者构成CMP的抛光原理。抛光从抛光垫与工件接触行成的局部接触区开始，在抛光液的腐蚀和纳米级磨粒磨削的双重作用下进行。六轴机器人带动抛光头，工件自身有辅助的旋转功能，两种运动配合下，完成整个工件的抛光。其特征在于，抛光过程中六轴机器人带动抛光头移动，工件固定一个辅助轴上可旋转，两者配合运动，结和基于CMP原理的抛光结构设计，完成自由曲面工件的抛光。该方案适于大尺寸、重量大的叶片的抛光。

CMP结构实现方式对CMP抛光金属材料的工艺参数控制和机器人的路径规划影响不大，故不分开详述。

本发明的有益效果是：首先机器人磨抛系统，磨削的效率高，磨削工件的一致性好，相比手工磨削复杂形状的叶片，能显著缩短工时；其次是本抛磨系统，采用CMP原理，在化学腐蚀和纳米级颗粒双重作用下，磨削质量高，磨削后的工件表面精度高，无机械损伤，对于工作环境恶劣的航空发动机叶片，采用这种工艺，能提高叶片的疲劳寿命，延长叶片的工作时间。总之，基于CMP原理的机器人磨削系统，效率高，加工一致性好，且不会对工件造成机械损伤、烧伤等普通磨削会产生的不利效果，不出现表面/亚表面的损伤，能加工出较完美的表面。

附图说明

图1基于CMP的机器人磨抛系统结构一示意图；

图2基于CMP的机器人磨抛系统结构二示意图；

图3CMP工艺的磨抛过程；

图4机器人路径规划过程。

附图标记，其中，1六轴机器人，2电主轴，3工件夹，4轮廓检测单元，5抛光液喷射装置，6抛光垫，7磨轮，8基座。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步说明。

技术方案一实施例

图1为本发明基于CMP的机器人磨抛系统的结构设计方案一示意图。如图1所示，该系统由带抛光垫6的磨轮7，抛光液喷射装置5和安装工件的工件夹3构成了CMP的磨抛原理；磨轮7在电主轴2的带动下高速旋转，六轴机器人1带动工件夹3运动，进行工件夹3上工件表面自由曲面的磨抛。CMP磨抛的要点是抛光垫6和工件表面形成的抛磨区域，抛光液会与工件发生化学反应，达到化学腐蚀的目的，且抛光液中存在纳米级磨粒，故也存在机械磨削作用。抛光垫6的存在，能储存和转运抛光液，使抛光液与工件表面接触充分，利于化学腐蚀的发生，另外可以带走磨削掉的工件碎屑，起到了清洁作用。其他的一些辅助装置，如抛光液回收过滤装置、抛光液调控装置等起辅助作用，可以节约抛光液，使抛光液以合适的速度、方向喷射抛磨区域。六轴机器人1带动工件移动，在轮廓检测单元的反馈下，磨削掉工件多余部分，完成整个工件的抛磨。

图3为本发明中CMP工艺的典型过程。在进行叶片的CMP抛光前，需要进行粗磨去除大部分要磨削的材料，然后进行精磨去除亚表面缺陷和裂纹损伤等，最后一步工艺是CMP抛光，在抛光液的化学腐蚀作用和纳米级磨粒的双重作用下，获得表面质量好、微观缺陷少和均匀度高的表面。经过该工艺加工后的叶片，微观结构好，具有很好的抗疲劳性能，其潜在的应用是提高航空发动机叶片的使用寿命。

工件轮廓检测单元4用于检测叶片的表面轮廓，产生轮廓数据送到控制系统进行控制。工件轮廓检测单元4可以是三维激光测距仪，基于飞秒激光的三维测距仪（有更高的位置测量精度），或双目摄像头，本发明优先选用三维激光测距仪，直接获得工件的三维轮廓数据，并以此数据为基础进行动态误差校正。

所述抛光液喷射装置5的喷头设有增加两个旋转方向自由度的控制器，在控制器的控制下使抛光液的喷射方向为抛光接触区部分工件的切向方向，并控制抛光液的流速。

在所述抛光液喷射装置5喷出的抛光液里添加磁性成分变成磁可控，在所述工件夹3上设有控制所抛光工件上磁性抛光液的流速以及流向的磁控装置。

所述抛光垫6由微孔材料制成，其能够存储部分抛光液，以便化学反应能充分进行，在抛光自由曲面工件时，所述抛光垫6曲率大于自由曲面工件最大曲率。

所述一种基于CMP的机器人磨抛系统还包括抛光液回收装置、有效过滤被抛光工件的抛光残余颗粒从而充分保留抛光颗粒的抛光液过滤装置以及回收后抛光液化学修复装置。

抛光液过滤装置为可过滤被抛光材料残余金属颗粒的磁性抛光液过滤装置。

所述轮廓检测单元4动态监测工件夹3上被抛光的工件的轮廊表面，并把工件的轮廓数据传递到主控制器，主控制器再控制六轴机器人进行动态位姿校正。

所述六轴机器人1末端与电主轴之间设有力传感器，通过六轴机器人1间接控制控制磨削接触区的压力。

所述基于CMP化学磨抛抛光液的化学成分，酸碱度，抛光颗粒物几何尺寸和形貌，根据被抛光工件材料进行优化，达到最优的化学机械磨抛效率和表面质量；方案一，根据被抛光工件材料为高温合金材料（常用于涡轮叶片的材料种类有变形高温合金、轴晶铸造高温合金、向凝固高温合金、单晶高温合金等）、钛合金等，选择适应的化学成分抛光液；方案二，根据被抛光工件材料的表面形貌，硬度等等机械特性，选择化学机械抛光液中抛光颗粒的几何尺寸D，硬度及颗粒表面形貌等等，以达到最佳的化学腐蚀反应和机械抛光效果，减少以至避免抛磨颗粒对于被抛光面的二次损伤。

工件（主要是航空发动机叶片）的磨抛过程一般为，首先在离线编程软件中建立工件叶片的三维模型并规划加工路径；其次，利用三维激光测距仪进行加工前叶片位置的校正；最后按照加工路径控制六轴机器人1运动，并在三维激光测距仪的实时测量下进行动态误差补偿，完成叶片零件的磨抛加工。六轴机器人1移动的路径规划的过程如图4所示，根据工件的轮廓数据，利用离线编程软件规划六轴机器人1的路径，并生成相应的六轴机器人1移动命令；在CMP抛光加工的过程中，实时的检测工件的轮廓，计算加工偏差，根据偏差生成六轴机器人1路径的修正值，并与离线生成的六轴机器人1路径叠加作为下一步的六轴机器人1路径。在加工过程中进行动态的位置和姿态校正，以保证CMP抛光过程的精度。

技术方案二实施例

图2为本发明的基于CMP的机器人磨抛系统的结构设计方案二示意图。如图2所示，该系统由带抛光垫6的磨轮7，抛光液喷射装置5和工件夹3构成了CMP的磨抛原理；磨轮7在电主轴的带动下高速旋转，磨轮固定在六轴机器人1的末端电主轴上，由六轴机器人1带动；而工件夹3固定在一个伺服电机轴上（图2中未示出），可作旋转运动，两者的运动结合，进行叶片表面自由曲面的抛光。

本实施例中的CMP工艺过程、工件的抛光过程等和技术方案一实施例相近，不再详细叙述。

以上所述的具体实施例，仅为对本发明的技术方案做进一步详细说明，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。