一种毫米级硅球超光滑表面的化学机械研抛协同控制方法与流程

本发明涉及协同控制，尤其涉及一种毫米级硅球超光滑表面的化学机械研抛协同控制方法。

背景技术：

1、毫米级硅球广泛应用于高精度轴承、惯性器件、精密光学、半导体装备以及高端计量领域，其表面质量直接影响零部件的配合精度、摩擦磨损性能及服役稳定性，为获得纳米级表面粗糙度和高球度，通常采用化学机械研抛工艺完成最终超精密加工，该工艺利用化学反应软化硅球表层材料，再通过抛光垫、磨粒及硅球之间的相对运动实现材料去除。

2、在实际加工过程中，抛光垫表面分布有大量微孔，微孔边缘在长期受压和磨损作用下容易形成局部微凸结构，当待研抛硅球与抛光垫持续接触并发生相对运动时，局部微凸结构会周期性扫过硅球球面，仅在局部接触区域形成间断分布的短弧状研抛痕迹，而相邻两段短弧之间存在未被局部微凸结构覆盖的球面间隔区域，使多个断续短弧沿同一球面延展方向形成具有连续趋势但并不连续的球面作用轨迹，随着研抛过程不断进行，该类球面作用轨迹会逐渐累积，并对硅球超光滑表面的形成过程产生持续影响。

3、现有化学机械研抛方法主要依据研抛压力、转速、研抛时间以及材料去除量等宏观工艺参数调整加工过程，或者依据整体表面形貌结果进行反馈修正，而较少关注抛光垫微孔边缘局部微凸结构在硅球表面形成的断续短弧之间所对应的球面连续关系，因此，当局部微凸结构多次扫过硅球球面后，相邻断续短弧之间形成的空缺球面区域无法得到有效识别和针对性补偿，导致后续运动轨迹容易偏离已有球面作用轨迹，在非目标区域形成重复研抛，而原有空缺球面区域仍然得不到充分覆盖，使局部材料去除分布不均匀，最终影响毫米级硅球超光滑表面的均匀性和加工稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的影响毫米级硅球超光滑表面的均匀性和加工稳定性的缺点，而提出的一种毫米级硅球超光滑表面的化学机械研抛协同控制方法。

2、为了解决现有技术存在的问题，本发明采用了如下技术方案：

3、一种毫米级硅球超光滑表面的化学机械研抛协同控制方法，包括：

4、s1、对待研抛硅球执行短程显影式化学机械研抛，以采集待研抛硅球的全表面三维形貌数据；依据全表面三维形貌数据生成短弧对象；

5、s2、依据短弧对象对应的短弧延伸方向，将具有相同延伸趋势的短弧对象归入同一短弧组；依据同一短弧组内的短弧对象、球面路径顺序和空缺弧段，生成母弧系集合；

6、s3、基于化学机械研抛装置的可执行动作集合和母弧系集合，构建初始粒子群；对初始粒子群进行迭代更新，以得到目标借位续写序列；

7、s4、根据目标借位续写序列，对待研抛硅球与抛光垫进行协同运动控制，以生成位姿运动组合结果；

8、s5、依据抛光垫的局部微凸结构，定义孔缘断续弧痕；根据位姿运动组合结果，得到孔缘断续弧痕对应的协同控制序列码，并对载球机构、待研抛硅球和抛光垫进行协同控制。

9、优选地，采集待研抛硅球的全表面三维形貌数据，包括：

10、确定抛光垫中微孔边缘的局部微凸结构；

11、装夹待研抛硅球，并控制待研抛硅球与抛光垫接触，对待研抛硅球执行短程显影式化学机械研抛，以使局部微凸结构在待研抛硅球表面形成断续短弧；

12、在短程显影式化学机械研抛结束后，采集待研抛硅球的全表面三维形貌数据。

13、优选地，生成短弧对象，包括：

14、从全表面三维形貌数据中提取断续短弧的球面位置数据、弧向数据和球心角数据；

15、获取待研抛硅球的硅球半径；

16、根据硅球半径和断续短弧的球心角数据，计算断续短弧的弧长数据；

17、将球面位置数据、弧向数据和弧长数据关联为短弧对象。

18、优选地，将具有相同延伸趋势的短弧对象归入同一短弧组，包括：

19、汇集所有短弧对象，为短弧集合；

20、根据短弧对象的球面位置数据，在待研抛硅球的球面坐标中确定短弧对象对应的短弧起点和短弧终点；

21、根据短弧对象的弧向数据，确定短弧对象对应的短弧延伸方向；

22、根据短弧起点、短弧终点和短弧延伸方向，将短弧集合中具有相同延伸趋势的短弧对象归入同一短弧组。

23、优选地，生成母弧系集合，包括：

24、根据同一短弧组内各短弧对象的短弧起点和短弧终点，对同一短弧组内的各短弧对象进行球面路径顺序排列，得到球面路径顺序；

25、根据同一短弧组内相邻两个短弧对象的短弧终点和短弧起点，生成相邻两个短弧对象之间的空缺弧段；

26、将同一短弧组内的短弧对象、球面路径顺序和空缺弧段，关联为母弧系；

27、将全部母弧系组成母弧系集合。

28、优选地，构建初始粒子群，包括：

29、获取化学机械研抛装置的可执行动作集合；其中，可执行动作集合包括载球姿态切换动作、硅球自转方向交替动作和盘球相对运动方向轮换动作；

30、基于可执行动作集合，构建候选借位续写序列；

31、将候选借位续写序列，作为粒子群算法中的粒子；

32、通过候选借位续写序列中各动作的执行次序，确定粒子的初始位置；

33、通过母弧系集合中的空缺弧段和候选借位续写序列中各动作的执行次序，确定粒子的初始速度；

34、基于粒子的初始速度和粒子的初始位置，构建初始粒子群。

35、优选地，得到目标借位续写序列，包括：

36、根据母弧系集合中的空缺弧段，获取候选借位续写序列对应的空缺弧段覆盖长度；

37、根据母弧系集合中的球面路径顺序，获取候选借位续写序列对应的旁逸弧段长度；

38、根据空缺弧段覆盖长度和旁逸弧段长度，计算候选借位续写序列的评价量；

39、依据评价量，确定个体最优位置和全局最优位置；

40、通过个体最优位置和全局最优位置，对初始粒子群进行迭代更新，得到迭代结束后的粒子群；

41、依据迭代结束后的粒子群，得到目标借位续写序列。

42、优选地，生成位姿运动组合结果，包括：

43、按照目标借位续写序列中载球姿态切换动作的执行次序，控制待研抛硅球相对于抛光垫切换接触姿态；

44、按照目标借位续写序列中硅球自转方向交替动作的执行次序，控制待研抛硅球切换自转方向；

45、按照目标借位续写序列中的盘球相对运动方向轮换动作的执行次序，控制待研抛硅球与抛光垫切换相对运动方向；

46、将接触姿态的切换结果、自转方向的切换结果和相对运动方向的切换结果，关联为位姿运动组合结果。

47、优选地，对载球机构、待研抛硅球和抛光垫进行协同控制，包括：

48、从位姿运动组合结果中提取载球姿态切换动作的执行次序、硅球自转方向交替动作的执行次序和盘球相对运动方向轮换动作的执行次序；

49、将局部微凸结构在待研抛硅球表面形成的断续短弧，定义为孔缘断续弧痕；

50、对载球姿态切换动作的执行次序、硅球自转方向交替动作的执行次序和盘球相对运动方向轮换动作的执行次序进行顺序编码，得到孔缘断续弧痕对应的协同控制序列码；

51、根据协同控制序列码，对载球机构、待研抛硅球和抛光垫进行协同控制。

52、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

53、1、本发明通过识别待研抛硅球表面的断续短弧，并构建母弧系集合，将离散分布的弧痕关联为连续球面路径，准确表征相邻断续短弧之间的空缺球面区域，为后续借位续写序列的生成提供依据，提高空缺区域的识别准确性。

54、2、本发明依据空缺弧段覆盖长度和旁逸弧段长度计算候选借位续写序列的评价量，并利用粒子群算法进行迭代优化，使目标借位续写序列能够优先覆盖空缺球面区域，减少偏离既有球面路径的无效研抛，提高材料去除均匀性。

55、3、本发明依据目标借位续写序列生成协同控制序列码，对载球姿态、自转方向及盘球相对运动方向进行协同控制，引导局部微凸结构沿母弧系对应球面路径完成续写，降低重复研抛，提高毫米级硅球超光滑表面的加工稳定性和表面质量。