CN219562540U - 一种柔性加载装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柔性加载装置，包括加工固定机构和滑动机构所述加工固定机构上安装有能够转动的工件，所述加工固定机构沿第一方向滑动设置在滑动机构上，所述加工固定机构背向工件的一端通过柔性加载机构与所述滑动机构连接，所述柔性加载机构与所述加工固定机构通过力传感器连接；本实用新型的优点在于：实现柔性加载，同时可实现所加载载荷的测量。

Description

一种柔性加载装置

技术领域

本实用新型涉及磨削机床设备技术领域，更具体涉及一种柔性加载装置。

背景技术

半导体行业是当前我国核心技术存在“卡脖子”现象较为严重的行业，其中专用半导体加工设备是制约我国半导体技术发展的重要环节，也是国家相关产业、技术规划政策扶持的重点领域。减薄是半导体制程中的重要工艺环节。目前减薄一般采用砂轮或固结磨料磨具等加工工具通过自旋转磨削的方式完成，加工工具对于减薄加工的去除效率与表面质量有重要影响，需要通过磨削加工实验对加工工具的性能进行研究。半导体衬底专用减薄磨床价格较高，同时多采用固定进给速度模式，不能分析磨削力对加工工具加工性能的影响，且磨具与工件之间为刚性接触；而采用固定载荷方式的磨床一般采用气缸加压的方式进行载荷控制，结构较为复杂，成本较高，难以应对日益增长的半导体衬底减薄加工工具研究开发试验的需求。

综上，现有的半导体衬底加工试验装置能够对加工进给量做出较高精度的设置处理，但结构复杂成本高，工件与磨具之间一般为刚性接触，在精密加工过程，尤其是干式磨削加工过程中可能因为振动而对加工工件表面造成一定程度的损伤，影响加工质量。如中国专利授权公告号CN202344362U公开了一种卧式布局的蓝宝石减薄机，砂轮轴采用步进电机与滚珠丝杠机构控制进给速率与位移，工件与磨具之间为刚性接触，无法实现柔性加载。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于现有技术的半导体衬底加工试验装置结构复杂成本高，工件与磨具之间一般为刚性接触，在精密加工过程，尤其是干式磨削加工过程中可能因为振动而对加工工件表面造成一定程度的损伤，无法实现柔性加载。

本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种柔性加载装置，包括加工固定机构和滑动机构所述加工固定机构上安装有能够转动的工件，所述加工固定机构沿第一方向滑动设置在滑动机构上，所述加工固定机构背向工件的一端通过柔性加载机构与所述滑动机构连接，所述柔性加载机构与所述加工固定机构通过力传感器连接。

有益效果：本实用新型结构简单，成本低，易于实现。通过驱动加工固定机构相对滑动机构滑动调整位置，从而调整柔性加载机构的压缩位移，进而实现磨具与工件之间接触载荷的调整，研磨力度容易控制，从而工件与磨具之间并非刚性接触，同时通过柔性加载机构为滑动机构在第一方向的挤压提供缓冲阻尼效果，防止磨具与工件接触式损坏，实现柔性加载。

进一步地，所述滑动机构包括与所述加工固定机构滑动配合的第一滑台，和与第一滑台滑动配合的第二滑台，所述第二滑台上设置有第一电机，所述第一电机通过丝杆螺母副结构与所述第一滑台连接，所述第一滑台与第二滑台沿第一方向滑动；所述第一滑台上通过滑轨和滑块结构与所述加工固定机构滑动配合。

更进一步地，所述加工固定机构包括与所述第一滑台滑动配合的第一平台，所述第一平台上方固定安装有第一伺服电机和中空动力头，所述中空动力头上安装有动力头轴系，所述动力头轴系的一端设置有法兰盘，所述工件与所述法兰盘固定配合，所述第一伺服电机的输出端与所述动力头轴系传动配合。

更进一步地，所述法兰盘同轴固定有一微孔陶瓷吸盘，所述动力头轴系的另一端固定连接有高速旋转接头，所述动力头轴系内部为中空结构，所述高速旋转接头连接至真空***。

更进一步地，所述法兰盘与微孔陶瓷吸盘通过螺栓可拆卸固定。

更进一步地，所述法兰盘通过所述螺栓固定连接修整盘。

更进一步地，所述真空***包括与高速旋转接头通过管道连接的真空泵，所述管道上还分别设置有节流阀和真空度计。

进一步地，所述第一平台上背向工件的一端设置有第一立板，所述第一滑台上设置有第二立板，所述力传感器固定在所述第一立板上，所述柔性加载机构的两端分别与力传感器和第二立板固定配合。

更进一步地，所述柔性加载机构为固定在所述力传感器和第二立板之间的阻尼器。

更进一步地，所述柔性加载机构包括与第二立板平行的活动板，所述活动板能够沿第一方向在第一滑台上滑动，所述活动板与所述力传感器固定连接，所述第二立板和活动板相对的侧面上分别沿水平方向设置有至少一个阻尼滑道，所述阻尼滑道上滑动设置有阻尼滑块，所述阻尼滑道的两端分别设置有铰接轴和与阻尼滑块抵接的阻尼器，所述铰接轴分别铰接固定连杆的一端，两个所述连杆交叉铰接连接至所述阻尼滑块上形成剪叉结构。

本实用新型的优点在于：

(1)本实用新型结构简单，成本低，易于实现。通过驱动加工固定机构相对滑动机构滑动调整位置，从而调整柔性加载机构的压缩位移，进而实现磨具与工件之间接触载荷的调整，研磨力度容易控制，从而工件与磨具之间并非刚性接触，同时通过柔性加载机构为滑动机构在第一方向的挤压提供缓冲阻尼效果，防止磨具与工件接触式损坏，实现柔性加载。

(2)本实用新型的柔性加载结构在提供加载时，第一平台向远离磨具的方向运动，从而挤压力传感器和柔性加载机构，活动板被压缩靠近第二立板，从而驱动剪叉结构上的两个连杆压缩打开，向外侧挤压所述阻尼滑块，从而提供柔性加载。与单个阻尼器组成的柔性加载机构相比，该柔性加载机构在柔性加载过程中的结构稳定性更好，并可以有效减小干式磨削过程中实验平台的振动，使加工过程更加稳定。

附图说明

图1为本实用新型实施例1所公开的一种磨削加工实验平台的示意图；

图2为本实用新型实施例1所公开的一种磨削加工实验平台的荷载控制模块的示意图；

图3为本实用新型实施例1所公开的一种柔性加载装置的滑动机构的示意图；

图4为本实用新型实施例1所公开的一种柔性加载装置的加工固定机构示意图；

图5为本实用新型实施例1所公开的一种柔性加载装置的动力头轴系与工件配合的示意图；

图6为本实用新型实施例1所公开的一种柔性加载装置的微孔陶瓷吸盘的示意图；

图7为本实用新型实施例1所公开的一种柔性加载装置的动力头轴系与修整盘配合状态示意图；

图8为本实用新型实施例1所公开的一种柔性加载装置的真空***示意图；

图9为本实用新型实施例2所公开的一种磨削加工实验平台的示意图；

图10为本实用新型实施例2所公开的一种柔性加载装置的柔性加载机构的示意图；

图11为本实用新型实施例2所公开的一种柔性加载装置的活动板的示意图；

图12为本实用新型实施例2所公开的一种柔性加载装置的第二立板的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

本实用新型提供的一种柔性加载装置是一种磨削加工实验平台的一部分，结合图1和图2，该磨削加工实验平台包括磨具固定机构1，加工固定机构2、滑动机构3和载荷控制模块4，其中，加工固定机构2、滑动机构3组成了柔性加载装置，以下整体介绍整个磨削加工实验平台，从而间接对本实用新型涉及的柔性加载装置进行详细介绍。结合图1和图2，本实施例提供了一种磨削加工实验平台，所述磨具固定机构1和加工固定机构2上分别安装有能够转动的磨具11和工件21，所述磨具11表面朝向工件21的待加工面，所述加工固定机构2沿第一方向滑动设置在所述滑动机构3上，所述磨具11的轴向与第一方向平行，所述加工固定机构2背向工件21的一端通过柔性加载机构31与所述滑动机构3连接，所述柔性加载机构31与所述加工固定机构2通过力传感器32连接，所述力传感器32与载荷控制模块4通信连接，所述载荷控制模块4能够驱动所述加工固定机构2在滑动机构3上沿第一方向滑动。

本实施例中磨具11和工件21均能够转动实现工件21的快速磨削，通过载荷控制模块4驱动加工固定机构2相对滑动机构3滑动调整位置，从而调整工件21与磨具11的相对距离，进而实现磨削力度的调整，同时通过所述柔性加载机构31使工件21能够在第一方向被挤压调整位置，防止磨具11与工件21接触式损坏，所述载荷控制模块4通过检测所述力传感器32的检测数值，确定当前工件21承受的压力，从而方便采集压力与磨削结果的实验数据，并且能够根据加工的安全阈值及时调整加工固定机构2的位置，防止因压力过大导致工件21损坏，具体的，可在压力过大时控制所述加工固定机构2沿第一方向远离所述磨具11，在压力过小无法有效磨削时，控制所述加工固定机构2沿第一方向靠近磨具11。

结合图1和图3，所述滑动机构3包括与所述加工固定机构2滑动配合的第一滑台33，和与第一滑台33滑动配合的第二滑台34，所述第二滑台34上设置有第一电机341，所述第一电机341通过丝杆螺母副驱动机构与所述第一滑台33配合，且第一滑台33与所述第二滑台34沿第一方向滑动配合以防止其发生转动，从而使第一滑台33能够在第一电机341的驱动下沿第一方向滑动，同时所述第一滑台33表面通过滑轨和滑块结构与所述加工固定机构2的第一平台22滑动配合。

再结合图1和图4，所述第一平台22上方固定安装有第一伺服电机23和中空动力头24，所述中空动力头24上安装有动力头轴系25，所述动力头轴系25朝向磨具11的一端设置有法兰盘251，所述工件21与所述法兰盘251固定配合，所述第一伺服电机23的输出端与所述动力头轴系25传动配合。

具体的，所述动力头轴系25穿过所述中空动力头24的壳体，可通过轴承等结构实现动力轴轴系25与中空动力头24壳体的自由转动，所述动力头轴系25的端部和所述第一伺服电机23的输出端分别固定连接有一带轮26，两个所述带轮通过皮带261连接实现传动。

再结合图4和图5，所述法兰盘251朝向磨具11的一端同轴固定有一微孔陶瓷吸盘5，所述动力头轴系25为中空结构，与所述动力头轴系25连接的带轮26上设置有一连接件252，所述连接件252与一高速旋转接头27的固定端螺接固定，所述高速旋转接头27的旋转端与真空***连通，所述高速旋转接头27的旋转端能够相对固定端自由转动，从而通过真空***为所述微孔陶瓷吸盘5提供负压，所述微孔陶瓷吸盘5、法兰盘251、动力头轴系25、带轮26以及高速旋转接头27的连接位置可根据需要设置必要的密封结构防止漏气，通过所述真空***产生的负压将所述工件吸附固定在所述微孔陶瓷吸盘5上。

进一步的，参考图5，所述法兰盘251与微孔陶瓷吸盘5之间通过螺栓252可拆卸的连接，具体的，所述法兰盘251与微孔陶瓷吸盘5沿第一方向贴合固定，沿固定面上的一圈螺接有多个所述螺栓252，所述螺栓252沿第一方向穿过法兰盘251和微孔陶瓷吸盘5固定。

参考图6，所述微孔陶瓷吸盘5端面沉降形成容槽51，所述工件11能够放置在所述容槽51内，所述容槽51的表面密布有微孔结构，从而吸附固定所述工件11。

参考图7，所述法兰盘251还可以与修整盘6可拆卸连接，固定方式与微孔陶瓷吸盘5相同，所述修整盘6的表面为金刚石，可对磨具11的表面进行磨削，在磨具11工作一段时间后，其表面被磨削产生的磨屑填充，影响表面粗糙程度，进而影响磨削效果，通过将工件21更换为修整盘6，能够对磨具11进行修整，保持其工作效果。

参考图8，本实施例中所述真空***包括与所述高速旋转接头27通过管道连接的真空泵271，在所述管道上还可以设置节流阀272和真空度计273。

再结合图1和图3，所述第一平台22上背向磨具11的一端设置有第一立板28，所述第一滑台33上设置有第二立板35，所述力传感器32固定在所述第一立板28上，所述柔性加载机构31的两端分别与力传感器32和第二立板35固定配合，本实施例中，所述柔性加载机构31为阻尼器，从而为滑动机构3的轴向挤压提供缓冲阻尼效果，保护工件21。

进一步的，为了方便进行磨削实验分析，所述第二滑台34还沿第二方向滑动固定在第二平台36上，所述第二方向在于第一方向处于同一水平面内并相互垂直，所述第二平台36通过第二电机(图未示)驱动的丝杆螺母副结构与所述第二滑台34滑动配合，所述第一电机341和第二电机均通过所述自动载荷控制模块控制其工作状态，实现工件21在水平面内位置的调整，方便进行实验分析。

参考图2，所述载荷控制模块4包括变送器41、采集卡42、485集线器43、控制板44、电机驱动板45以及上位机46，所述变送器41与力传感器32电连接，变送器41将接收的力信号转变为电信号，并将其传递到采集卡42中，采集卡42将电信号变为数字信号传递到485集线器43，485集线器43的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，485集线器43一方面将数据导入上位机46，另一方面反馈给单片机开发板也即控制板44，控制板44会将接收到的信号变为启动执行程序的烧录，按照程序的控制发送信号，控制板44通过电机驱动板45与第一电机341和第二电机电连接，实现对加工固定机构2位置的调整。需要说明的是，本实用新型并不保护载荷控制模块4，其也不是本实用新型的主要改进点，在此列出仅仅是为了清楚的展示磨削加工平台的完整组成部分，并且对于其内置的程序也不做保护，可以采用现有任何技术实现。

本实施例提供的磨削加工实验平台的工作过程如下，

磨具固定机构1上固定的一直是磨具11，第一伺服电机23带动的中空动力头24上可以固定微孔陶瓷吸盘5，也可以固定修整盘6，这两者可以快速换装。具体流程如下：

(1)动力头轴系25上固定微孔陶瓷吸盘5，微孔陶瓷吸盘25上吸附薄片状的工件21，第一伺服电机23驱动动力头轴系25旋转，从而使工件21转动，通过所述磨具固定机构1控制磨具11旋转，通过滑动机构3使工件21沿第一方向运动与磨具11接触，实现工件21的加工，加工过程中可以通过第二滑台34的端部安装的第一电机341实现第一滑台3相对第二滑台34沿着第一方向滑动，从而带动柔性加载机构31运动使第一平台22沿第一方向滑动调整位置，从而调整磨具11与工件21之间的距离，进而调整磨削载荷，但是如果磨具11与工件21之间接触过于紧密，磨削载荷过大，将可能导致工件磨损，或者力度过小的时候对工件21起不到打磨的作用，因此可以通过自动控制模块采集工件传导的力信号，根据控制板44内置的程序，判断力信号超过预设范围的时候控制第一电机341转动，使得工件21稍微远离磨具11，避免磨削载荷过大，判断力信号低于预设范围的时候控制第一电机341换向，使得工件21稍微靠近磨具11，避免研磨不充分。还可以通过控制第二滑台34沿第二方向滑动，有助于调整磨具11与工件21在整个平面内调整位置，灵活的进行磨削加工。

(2)磨具11本身表面较为粗糙，加工一段时间后，磨具11出现堵塞，需要修整，则将中空动力头24上的微孔陶瓷吸盘5取下，改为修整盘6，通过修整盘6表面的金刚石对磨具11进行磨削清理，实现磨具11的修整。其工作原理同上述微孔陶瓷吸盘5的工作原理，在此不做赘述。

(3)磨具141修整完成后，再将中空动力头24上的修整盘6改为微孔陶瓷吸盘5，并吸附工件21，随后磨具11与工件均旋转并摩擦接触，继续进行工件的加工。其中需要注意的是，在工件磨削加工过程中可能因为振动而对加工工件表面造成一定程度的损伤，影响加工质量，此时，可通过第一平台22和第一滑台33的相对滑动，降低压力，避免损伤。在振动比较强烈的时候，第一平台22由于振动会相对第一滑台33往复运动，此时柔性加载机构的阻尼器会产生弹性位移，有效缓冲机械装置在工作中出现的振动冲击和碰撞，使机械动作稳定，从而避免强烈振动导致的工件表面损伤，实现柔性加载。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于柔性加载机构31的具体结构不同，如图9至图12所示，所述柔性加载机构31包括与第二立板35平行的活动板37，所述活动板37能够沿第一方向在第一滑台33上滑动，所述活动板37与所述力传感器32固定连接，所述第二立板35和活动板37相对的侧面上分别沿水平方向(即第二方向)设置有至少一个阻尼滑道351，所述阻尼滑道351上滑动设置有阻尼滑块352，所述阻尼滑道351两端分别设置有铰接轴353和与阻尼滑块352抵接的阻尼器354，第二立板35和活动板37的铰接轴353上分别铰接连接有一个固定连杆355的一端，两个所述固定连杆355相互交叉，另一端铰接至所述阻尼滑块352上形成剪叉结构，必要时，两个所述固定连杆355的中心点也可以铰接固定在一起，为保持平衡，所述第二立板35和活动板37上分别设置两个滑道，形成两组剪叉结构进行支撑。

本实施例的工作过程为：在设备振动比较强烈的时候，第一平台22向远离磨具11的方向运动，从而挤压力传感器32和柔性加载机构31，活动板37被压缩靠近第二立板35，从而驱动剪叉结构上的两个连杆355压缩打开，向外侧挤压所述阻尼滑块352，在阻尼器354的作用下进行减震缓冲，可以有效减小机械装置在工作中出现的振动冲击和碰撞，使机械动作稳定。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种柔性加载装置，其特征在于，包括加工固定机构和滑动机构所述加工固定机构上安装有能够转动的工件，所述加工固定机构沿第一方向滑动设置在滑动机构上，所述加工固定机构背向工件的一端通过柔性加载机构与所述滑动机构连接，所述柔性加载机构与所述加工固定机构通过力传感器连接。

2.根据权利要求1所述的一种柔性加载装置，其特征在于，所述滑动机构包括与所述加工固定机构滑动配合的第一滑台，和与第一滑台滑动配合的第二滑台，所述第二滑台上设置有第一电机，所述第一电机通过丝杆螺母副结构与所述第一滑台连接，所述第一滑台与第二滑台沿第一方向滑动；所述第一滑台上通过滑轨和滑块结构与所述加工固定机构滑动配合。

3.根据权利要求2所述的一种柔性加载装置，其特征在于，所述加工固定机构包括与所述第一滑台滑动配合的第一平台，所述第一平台上方固定安装有第一伺服电机和中空动力头，所述中空动力头上安装有动力头轴系，所述动力头轴系的一端设置有法兰盘，所述工件与所述法兰盘固定配合，所述第一伺服电机的输出端与所述动力头轴系传动配合。

4.根据权利要求3所述的一种柔性加载装置，其特征在于，所述法兰盘同轴固定有一微孔陶瓷吸盘，所述动力头轴系的另一端固定连接有高速旋转接头，所述动力头轴系内部为中空结构，所述高速旋转接头连接至真空***。

5.根据权利要求4所述的一种柔性加载装置，其特征在于，所述法兰盘与微孔陶瓷吸盘通过螺栓可拆卸固定。

6.根据权利要求5所述的一种柔性加载装置，其特征在于，所述法兰盘通过所述螺栓固定连接修整盘。

7.根据权利要求4所述的一种柔性加载装置，其特征在于，所述真空***包括与高速旋转接头通过管道连接的真空泵，所述管道上还分别设置有节流阀和真空度计。

8.根据权利要求3所述的一种柔性加载装置，其特征在于，所述第一平台上背向工件的一端设置有第一立板，所述第一滑台上设置有第二立板，所述力传感器固定在所述第一立板上，所述柔性加载机构的两端分别与力传感器和第二立板固定配合。

9.根据权利要求8所述的一种柔性加载装置，其特征在于，所述柔性加载机构为固定在所述力传感器和第二立板之间的阻尼器。

10.根据权利要求8所述的一种柔性加载装置，其特征在于，所述柔性加载机构包括与第二立板平行的活动板，所述活动板能够沿第一方向在第一滑台上滑动，所述活动板与所述力传感器固定连接，所述第二立板和活动板相对的侧面上分别沿水平方向设置有至少一个阻尼滑道，所述阻尼滑道上滑动设置有阻尼滑块，所述阻尼滑道的两端分别设置有铰接轴和与阻尼滑块抵接的阻尼器，所述铰接轴分别铰接固定连杆的一端，两个所述连杆交叉铰接连接至所述阻尼滑块上形成剪叉结构。