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自旋转精密磨削过程磨削力控制策略和控制系统研究

作　者: 羽家平
导　师: 魏昕
学　校: 广东工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 自旋转磨削磨削力控制单晶硅片模糊PID控制
分类号: TG580.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

硅片不断向着大尺寸方向发展对硅片磨削技术提出了更高的要求。目前先进半导体磨削技术与设备被发达国家及跨国公司所垄断,严重制约了我国半导体制造业的发展。国内学者对大直径硅片加工技术进行了较细致的研究,主要集中在硅片磨削去除机理方面,而对磨削力控制方面的研究却非常少。在硅片磨削过程中,磨削力是一个很重要的因素,其大小将直接影响硅片表面质量的好坏,因此有必要对磨削力进行实时控制。首先,本文分析了影响磨削力大小的因素,主要的因素有：砂轮轴向进给速度、砂轮转速、硅片自旋转速度、砂轮粒度等。提出通过调节影响磨削力最大的砂轮轴向进给速度来控制磨削力。然后,结合硅片自旋转磨削的特点分析比较了常用控制方法的优缺点,选取了合适的控制方法及制定了分阶段进给的磨削力控制策略,同时设计了磨削力控制系统的总方案。在此基础上,根据控制系统的性能要求对系统的各个部分进行分析、设计及选型,按照磨削力控制系统构成原理对其进行数学建模,求出了控制系统的开环传递函数,并使用之前选取的控制方法设计出磨削力控制器与系统的开环传递函数一起进行了全闭环仿真实验。最后,使用LabVIEW软件开发环境编写出了磨削力控制系统软件,还根据磨削力形成及磨削力控制的原理构建磨削力控制策略验证系统,对所设计的控制策略及控制系统进行了验证。主要研究结果如下：(1)调节砂轮轴向磨削进给速度可以实现控制磨削力大小的目的,从而改善硅片磨削的表面质量。(2)根据磨削力控制的要求,设计出磨削力控制系统,并完成系统各部分的数学建模,得到了系统的开环传递函数。(3)比较常用控制方法优劣后,选取模糊PID方法对系统进行了全闭环仿真,仿真结果表明其控制效果良好,可以很好地满足系统的要求。(4)使用LabVIEW开发工具及相关软件开发包编写了控制系统软件,实现了磨削力采集和磨削力控制等功能。(5)构建了磨削力控制策略实验验证系统,验证了该磨削力控制系统及控制策略的有效性。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
符号说明  8-11
目录  11-14
CONTENTS  14-18
第一章绪论  18-27
  1.1 研究背景及意义  18-20
  1.2 超精密磨削技术  20-21
  1.3 磨削力控制相关技术国内外研究现状  21-25
    1.3.1 自旋转磨削力控制的研究现状  21-23
    1.3.2 磨削力控制方法的研究现状  23-25
  1.4 课题来源  25-26
  1.5 主要研究内容  26
  1.6 本章小结  26-27
第二章硅片自旋转磨削的磨削力控制策略研究  27-36
  2.1 硅片自旋转磨削的形式及磨削力特点  27-29
  2.2 硅片自旋转磨削力控制方法的研究  29-33
    2.2.1 自动控制理论的发展及应用  29-30
    2.2.2 磨削力控制方法的选择  30-33
  2.3 自旋转精密磨削过程磨削力控制策略  33-34
  2.4 硅片自旋转磨削力控制系统总体方案  34-35
  2.5 本章小结  35-36
第三章硅片自旋转磨削力控制系统硬件设计  36-49
  3.1 硅片自旋转磨削力控制系统总体性能要求  36-38
  3.2 磨削力采集部分硬件设计  38-41
    3.2.1 磨削力分析及测力仪选型  38-40
    3.2.2 数据采集卡的选型  40-41
  3.3 精密进给部分设计  41-48
    3.3.1 精密进给运动的计算  41-42
    3.3.2 伺服电机的选型  42-44
    3.3.3 齿轮减速器的分析及设计  44-45
    3.3.4 滚珠丝杠的分析选型  45-47
    3.3.5 运动控制卡的选型  47-48
  3.4 本章小结  48-49
第四章硅片自旋转磨削力控制系统的建模及仿真  49-80
  4.1 磨削力控制系统的原理  49-50
  4.2 精密磨削进给电气部分建模  50-62
    4.2.1 伺服电机建模  50-51
    4.2.2 电流环数学建模  51-54
    4.2.3 速度环数学建模  54-57
    4.2.4 精密磨削进给部分的计算及仿真  57-62
  4.3 磨削进给机构数学建模  62-69
    4.3.1 机械进给机构模型  62-64
    4.3.2 进给系统传递函数计算  64-69
  4.4 砂轮轴向进给速度与磨削力关系  69-70
  4.5 磨削力控制系统开环传递函数  70-72
  4.6 磨削力控制系统闭环仿真实验  72-79
    4.6.1 磨削力控制器设计  72-77
    4.6.2 磨削力控制系统闭环仿真及分析  77-79
  4.7 本章小结  79-80
第五章自旋转磨削力控制系统的软件设计  80-96
  5.1 磨削力控制系统软件的总体设计  80-83
    5.1.1 软件设计的一般原则  80-81
    5.1.2 磨削力控制流程  81-82
    5.1.3 磨削力控制软件总体结构  82
    5.1.4 磨削力控制软件开发环境选择  82-83
  5.2 磨削力控制系统软件的功能  83-87
    5.2.1 初始参数设置模块界面  83-84
    5.2.2 磨削力测量模块  84-85
    5.2.3 磨削力控制模块  85-86
    5.2.4 磨削力数据回放  86-87
  5.3 磨削力控制系统软件功能的实现  87-92
    5.3.1 数据采集及运动控制功能的实现  87-91
    5.3.2 控制算法及滤波算法的实现  91-92
  5.4 软件执行效率分析  92-95
    5.4.1 读/写操作效率分析  92-93
    5.4.2 界面刷新速度与效率  93-94
    5.4.3 执行系统及优先级的分配  94-95
  5.5 本章小结  95-96
第六章自旋转磨削力控制系统验证实验  96-107
  6.1 自旋转磨削力控制系统的构成  96-97
  6.2 自旋转磨削力控制策略验证系统  97-98
  6.3 自旋转磨削力控制策略实验验证  98-106
    6.3.1 实验方案设计  98-101
    6.3.2 实验结果与分析  101-106
  6.4 本章小结  106-107
结论与展望  107-109
参考文献  109-113
攻读硕士学位期间发表的论文  113-115
致谢  115

自旋转精密磨削过程磨削力控制策略和控制系统研究

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