纳米级超精密抛光机智能控制系统的研究.pdf

2002 年(第十届)全国机床专业学术会议 浙江省自然科学基金（501097，501096）和浙江省自然科学基金青年科技人才培养项目资助 纳米级超精密抛光机智能控制系统的研究纳米级超精密抛光机智能控制系统的研究 赵文宏 袁巨龙 吕冰海 常敏 邢彤 (浙江工业大学，浙江杭州 310014)摘要：摘要：本文介绍了纳米级超精密平面抛光机的工作原理，对其实现方法进行了研究，分析了智能控制系统的组成，提出并建立了基于专家控制系统的解决方案。采用Windows CE 软件平台，图形化界面功能指示，以及采用高可靠性的实时操作系统、超级数模混合 RISC 嵌入式处理器、高精度光栅传感器、无级调速、无刷直流电机驱动等技术，实现对抛光机的智能控制。关键字：关键字：超精密抛光 平面抛光 专家控制 嵌入式处理器 0 前言前言 功能陶瓷的超精密加工技术是一门新兴的综合性加工技术。它集成了现代机械、光学、电子、计算机、测量及材料等先进技术，已成为国家科学技术发展水平的重要标志。为了获得各种元器件及装备的高性能，要求元件和零件的加工精度越来越高，有的甚至要求达到纳米级或更高的加工精度和无损伤的表面加工质量。目前只有日本和美国能够生产非智能型的纳米级超精密平面抛光机，且价格昂贵。为了减少人为因素的影响，并保证加工质量及一致性，提高加工效率，迫切需要研制一种具有智能控制系统的纳米级超精密平面抛光机。纳米级超精密平面抛光机智能控制系统的研制成功，将对超精密加工装备智能化和国产化，以及提高我国电子元件产品的加工水平具有重要意义。1 纳米级超精密抛光机的工作原理纳米级超精密抛光机的工作原理 高性能元器件要求具有很高的尺寸精度，低的表面粗糙度和表面缺陷。目前基本上都采用超精密抛光作为最后的加工工序来达到这些要求。超精密抛光的加工环境、温度、加工压力、研磨速度抛光液供给以及抛光工具等情况都对抛光精度有着直接影响。为了进一步提高加工质量和加工效率以及一致性，我们在原有修整环型超精密研磨机的基础上研制一种智能型纳米级超精密平面抛光机。如图 1 所示，它采用了在加工中可在线修整抛光盘平面度的修整环系统。在设计原理上，使工件加工表面各点相对于抛光盘的线速度相等，且工件表面各点运动轨迹不重复。同时采用标准砝码加载实现抛光压力的稳定性，加载简便、精确；采用偏心载荷，修正工件的平行度，保证工件获得极高的平面度。为真正实现加工余量稳定地以纳米级水平去除，对控制系统提出的主要要求有：（1）为保证加工余量去除的一致性，必须将抛光盘总转数控制在一定的精度范围内（1），以2002 年(第十届)全国机床专业学术会议 浙江省自然科学基金（501097，501096）和浙江省自然科学基金青年科技人才培养项目资助 保证加工路径（去除余量与加工路径成正比）的总误差，使工件加工总误差在 1nm 以内；（2）为保证工件获得完美的加工表面质量，必须采用合理的“起动提速加工修整停止”的抛光盘速度控制模式，避免加工速度变化过大对工件造成的冲击损伤，从而获得完美的加工质量和 2nm 以下（最高可达 0.2nm 以下）的表面粗糙度；（3）为减少加工过程中所产生的热量对工件及机床本身的不利影响，必须控制加工环境的温度，具备高精度的抛光液温度检测补偿控制；（4）为排除操作人员人为因素对加工质量的影响，必须采用最佳加工工艺参数专家数据库系统控制设备的操作，进而保证高水平的稳定一致的加工质量。图 1 修正环型抛光机原理示意图 1.载物孔 2.环状工作面抛光盘 3.滚动轮 4.修正环保持架（可调）5.修正环 6.载物环 2 实现纳米级超精密抛光机智能控制的关键因素及实现方案实现纳米级超精密抛光机智能控制的关键因素及实现方案 为兼顾抛光效率及针对不同加工晶片材质的加工机理，抛光机的各项运作参数都有所不同，对控制系统提出了很高的技术要求。通过以上分析，其中关键性因素有：（1）磨盘停止精确定位；（2）磨盘稳态运行平稳度；（3）抛光液温度的实时检测和流量的模糊控制；（4）具有学习推理功能的专家智能子系统的实现。针对以上技术难点提出实现方案如下：采用 Windows CE 软件平台，图形化界面功能指示，以及采用高可靠性的实时操作系统、超级数模混合 RISC 嵌入式处理器、高精度光栅传感器、无级调速、无刷直流电机驱动等技术，实现对抛光机的智能控制。3 专家智能控制系统的设计专家智能控制系统的设计 图 2 所示为抛光机智能控制系统框图，它由数据库、知识库、推理机、黑板、学习机和修正环节及被控对象组成。被控对象即为纳米级超精密抛光机。2002 年(第十届)全国机床专业学术会议 浙江省自然科学基金（501097，501096）和浙江省自然科学基金青年科技人才培养项目资助 图 2 抛光机智能控制系统框图 3.1 专家控制的软件框图专家控制的软件框图 专家控制的软件如图 3 所示。图 3 专家控制的软件框图 3.2 数据库数据库 数据库由以下几部分组成:(1)待加工工件描述库:存放各类型功能材料的特征信息。如硬度、熔点、厚度等。(2)过程变量库:存放研磨抛光过程需调节的变量及工艺约束参数。如研磨温度及研磨速度。(3)控制模式库:存放各类型功能材料对应的控制模式，以及控制模式对应的产生式规则的序号及其加权系数。3.3 知识库知识库 知识库中存放研磨抛光过程的领域专家的知识和人工操作专家的经验、技能（加工工艺参数、加工环境的设置等），由产生式规则描述。规则集分两部分：一部分产生静态的指导性数据，如工件加载压力、工件尺寸等参数，指导操作人员对这些参数进行设置；另一部分2002 年(第十届)全国机床专业学术会议 浙江省自然科学基金（501097，501096）和浙江省自然科学基金青年科技人才培养项目资助 产生控制模式，与学习机配合，修正控制量。3.4 推理机和黑板推理机和黑板 知识库中的产生式规则是按顺序排列的，当系统获得偏差和偏差变化量后,借助黑板进行正向推理，顺序搜索知识库中的控制模式，一旦找到，随即写入黑板，通过学习机可对控制量进行求解。黑板是求解问题的框架，存放学习过程中的动态数据，黑板上的控制量一旦产生就保持不变，直到下次学习过程中被擦掉，为新的数据所取代。采用黑板法，把学习过程中的数值计算和动态数据的存取集中在一块黑板上进行，减少了推理过程中对知识库、数据库的搜索量，并使控制器各功能模块的结构清晰合理、便于调试。3.5 学习机学习机 采用奖罚式学习算法。通过修正规则加权系数，对产生的控制量随环境和控制效果的变化做出修正，实现学习功能。例如，若某次学习结果中偏差变化量 E(K)为负，则对导致该变化的规则进行奖励，其加权系数乘以一个大于 1 的数，使其控制量增强；反之，其加权系数乘以一个小于 1 的数，使其控制量减弱。为此，可构造一个评价函数 F(K):F(K)=1|E(K)|/(A+B)来实现修正。式中 A、B 分别为 E(K)、E(K-1)所处偏差模式区间端点数据的绝对值。式中符号奖励时取“+”、惩罚时取“一”。4 专家控制系统的工程实现 4 专家控制系统的工程实现 4.1 嵌入式处理器的功能设计嵌入式处理器的功能设计 图 4 为基于专家控制的智能超精密抛光机控制系统的原理框图，它由嵌入式处理器、LCD 显示模块、电源管理模块、速度、电流、温度及压力检测模块、直流无刷电机等组成。其中嵌入式处理器为控制系统的核心部分。图 4 基于专家控制的智能超精密抛光机原理框图 本系统采用的嵌入式处理器为 TI 公司出品的超级数模混合 RISC 嵌入式处理器MSP430。它采用的是 von-Neumann 结构，程序、数据存储器和外设统一编址，控制实现灵活；低功耗(标准功耗小于 400s)和快速响应（唤醒时间6s）技术能够真正实现实时控制；丰富的外设资源包括 12 位斜坡 A/D、具有捕获和比较功能及 PWM 输出的多功能定时器、片内时钟、硬件乘法器、WDT 定时器及可灵活定义的 I/O 口等，为片内系统设计提供了多重选择；27 条核心指令 RISC 指令集及 60K 的 OTP 存储空间提供更为简单的灵活的编程方2002 年(第十届)全国机床专业学术会议 浙江省自然科学基金（501097，501096）和浙江省自然科学基金青年科技人才培养项目资助 式。此款嵌入式处理器足以满足高精度控制的要求。使用多功能定时器的 PWM 功能进行直流电机的电流控制，片内时钟提供参考频率信号与测速负反馈构成闭环控制。12 位斜坡 A/D 用于温度、压力等信号采样；多用途 I/O 口用于 LCD 显示、键盘输入、输出保护和中断申请等。WDT 定时器用于软件保护。4.2 研磨盘速度及位置的精确控制研磨盘速度及位置的精确控制 抛光机的主电机采用的是直流无刷电机，通过减速机构带动研磨盘运动。这里我们采用PLL（锁相环）技术来控制电机运动，其速度的精确控制采用三闭环控制的方法。内环为电流环，采用 PI 调节器，通过实验和仿真选择合适的参数以抵消电枢中的大惯性，从而提高系统的快速性，同时又能抑制负载扰动对系统的影响。次外环为转速微分环，改善系统动态特性。最外环为相位环，采用 PI 调节器，以改善系统的稳态精度，并使系统对给定信号有较好的跟踪特性。速度控制框图如图 5 所示。图 5 直流电机速度控制框图 实验测试表明电机的平稳调速范围为 1：60，稳态精度达2 r/min，启动平稳，可在整个速度范围内实现无级调速；低速运行时稳定，无抖动，基本符合控制要求。通过光栅计数及倍频可实现对研磨盘位置的精确控制，实验误差为1 度。4.3 抛光液流量的模糊控制抛光液流量的模糊控制 抛光液流量供给的流速及供给的稳定程度对磨粒在研磨盘表面均布、工件表面温度及加工质量有着至关重要的影响作用。抛光液的供给方式为由液压泵产生恒压，由嵌入式处理器输出控制信号控制阀门的开度，达到对流量的精确控制。由于研磨液流量大小与管径内的压力与阀门开度等有着复杂的耦合关系，而不同加工工件对抛光液流量的需求又有所不同，在大多数情况下靠人们的经验进行操作，所以采用模糊控制方式实现对阀门流量特性的补偿，以达到控制精度要求。其控制器图如图 6 所示，压力检测及研磨盘温度信号的输入为参考输入信号，执行机构为电机通过减速机构控制阀门开度。图 6 模糊控制器图 知识库模糊化模糊推理清晰化阀门参考输入输出鉴相器相位调节器速度调节器电流调节器移相触发整流电路直流电机光栅传感器倍频电路测速电路微分反馈电流反馈FrFp2002 年(第十届)全国机床专业学术会议 浙江省自然科学基金（501097，501096）和浙江省自然科学基金青年科技人才培养项目资助 5 展望（结束语）展望（结束语）上述纳米级超精密抛光机控制系统已研制成功，其主要性能指标如下：抛光盘最低稳态转速精度：2 r/min 抛光盘定位精度：0.4 抛光液稳态流量精度：0.02L/min 抛光液温度控制精度：1.5 上述纳米级超精密抛光机控制系统，作为纳米级超精密抛光机的配套产品，可广泛用于大规模集成电路的硅片、水晶振子基片、铌酸锂基片、钽酸锂基片、计算机硬盘等基片的制造，必将在信息、机械、航空航天、光学和办公自动化等行业发挥重要作用。参参 考考 文文 献献 1 袁哲俊，王先逵：精密与超精密加工技术，机械工业出版社，1999 2 袁巨龙：功能陶瓷的超精密加工技术，哈尔滨工业大学出版社，2000 3 易继锴，侯媛彬：智能控制技术，北京工业大学出版社，1999 Research of Intelligent Control System of Ultraprecision Polishing Machine at Nanometer Level Zhao Wenhong,Yuan Julong,L Binghai,Chang Min,Xing Tong Abstract:An ultraprecision polishing machine is developed to polish kinds of functional ceramic wafers.The paper introduces the working principle of the ultraprecision planarization machine,and the intelligent control system,and discusses the realizing approach,establishes a intelligent control system based on expert database.Windows CE software,function indication based on graph interface,high reliable real time operation system,super RISC embedding processor,high precision rotary encoder,stepless and non-brush direct current electromotor driving technologies are adopted to realize the intelligent control of polishing machine.Keywords:ultraprecision polishing,planarization,expert control system,embedding processor 作者简介作者简介：赵文宏，男，1969 年 4 月生，浙江工业大学职教学院高级工程师，研究方向为机电控制