超精密研磨和抛光专家系统的研究

摘要：针对超精密研磨和抛光加工过程中出现的问题，设计出指导研磨和抛光加工过程的专家系统。该系统不仅能根据待加工材料的名称、性能以及加工后所达到的精度要求等输入参量，运用已有的工艺数据库自动给出加工工艺的参数，而且具有较强的状态监控能力，能自动控制研磨和抛光加工的过程。
关键词：超精密研磨；抛光；专家系统；精密研磨；研磨抛光
中图分类号：TG356．28    文献标识码：A

Research on the Expert System for Super Precise Lapping and Polishing
YANG Jie1,DAI Yong2

Abstract：To tackle the problem in the course of super precise lapping and polishing，the expert system to direct the operation of Super precising lapping and polishing is designed．It can give Out the parameters of super precising lapping and polishing by use of The experience database，according to the importing parameters，which are the name of material，the property of material and there quest precision．Furthermore，the system has better state supervising ability，and the process of super precise lapping and Polishing can be controlled automatically．
Keywords：super precise lapping；polishing；expert system
 
引言
 
   超精密研磨和抛光技术采用“进化”加工原理，可获得很高的精度和接近几何学形状的超光滑完美表面，在现代材料加工中有着很广泛的应用。随着材料科学技术的发展，新材料在各种元器件中得到了越来越广泛的应用，人们对加工精度的要求也越来越高。为了获得电子、光学、计算机元件的高性能，制造大规模集成电路的硅片、水晶振子基片、铌酸锂基片、钽酸锂基片等晶体基片，不仅要求材料有极小的不平度、极小的表面粗糙度、超平滑的表面，还要求材料两端面严格平行、无晶向误差、表面无变质层等，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。因此，这些元件基片的最终加工均采用超精密平面研磨和抛光技术。
   经过数十年的发展．现在超精密研磨和抛光技术已不仅仅是一种孤立的加工方法和单纯的工艺问题，而成为一项包含内容极其广泛的系统工程。它不仅需要超精密的设备和工具、超稳定的环境条件，还需要有经验的工人和熟练的加工技术。只有将各个领域的技术成就集结起来，才有可能达到材料加工的高要求。现在，针对对高技术水平的工人过于依赖这个问题，本文对超精密研磨和抛光专家系统进行了研究。
 
1 超精密研磨和抛光的基本原理
 
   超精密研磨和抛光技术是特别指选用粒径只有几纳米的研磨微粉作为研磨磨料，用注入磨料的研具来去除微量的工件材料以达到高级几何精度（优于0.1μm）和优良表面粗糙度（Ra≤0.01μm）的方法，它可以实现镜面加工和高精度加工。其技术目标主要有两类，一类是为降低表面粗糙度或提高尺寸精度，另一类是为实现功能材料元件的功能，要求解决与高精度相匹配的表面粗糙度和极小的变质层问题3。
 
2 专家系统
 
   随着人工智能技术和传感器技术的发展，智能化成为研磨和抛光的一个重要的研究方向，由计算机取代或延伸加工过程中人的部分脑力劳动，实现加工过程中的决策、监测与控制的自动化。专家系统就是一个具有智能特点的计算机程序，它的智能化主要表现为能够在特定的领域内模仿人类专家思维来求解复杂问题。因此，专家系统必须包含领域专家的大量知识，拥有类似人类专家思维的推理能力，并能用这些知识来解决实际的问题4。
   专家系统的第一个重要组成部分是知识库，用于储存从专家那里得到的专门知识；第二个重要组成部分是推理机，它具有推理的能力，能够根据知识导出结论。专家系统基本构成见图1。其工作过程可以描述为：系统根据用户要求输人信息，在控制策略的指导下，运用专家知识进行逻辑推理，对原始数据进行合理的处理，选择适当的模型进行推算，对定量计算结果加以评价、调整和解释，得到最终相应的答案。并且在系统运行过程中．还可以通过案例不断总结经验，丰富系统专家知识，提高系统的实用性和可靠性5。

3 超精密研磨与抛光技术的专家系统
 
   近年来，通过对研磨过程和研磨机理认识的不断深人，我们已经积累了大量可靠的工艺实验数据，可以建立有实用价值的知识库与数据库，再利用有关加工过程的先验知识和模型．进一步建立专家系统，指导实际加工，向研磨和抛光的智能化控制方向发展。加工系统的整体结构见图2。

 

   专家系统由总数据库、产生式规则和控制策略3部分组成，它们的关系见图3。

 

3.1 总数据库的建立
   总数据库是本专家系统的最主要组成部分。到目前为止，国内还没有关于超精密研磨和抛光专家系统有关知识的现成资料，只有通过大量的实验获取数据，然后应用数理统计的方法对实验数据进行综合分析、归纳整理，得出超精密研磨和抛光的工艺参数与表面粗糙度之间的经验关系作为加工的依据。
   超精密研磨按加工方式可以分为单面研磨和双面研磨，按驱动方式可以分为手动、机械驱动；按加工的运动方式可分为旋转和往复摆动。
   影响超精密研磨与抛光的工艺参数包含很多内容，表1列出了影响和制约其加工质量的主要因素。nextpage

表1 影响超精密研磨的主要因素

项目

因素

研具材料硬质、软质（弹性、黏弹性）形状平面、球面、非球面、圆柱面表面状态有槽、有孔、无槽磨粒种类金属氧化物、金属碳化物、氮化物、硼化物材质形状硬度、韧性、形状粒径几十微米至几十纳米加工液水质酸碱性、界面活性剂油质界面活性剂加工参数研磨速度lm/min-100m/min研磨压力0.01N/cm²-30N/cm²研磨时间约10h 环境温度室温变化±0.1C 尘埃利用洁净室、净化工作台

   我们通过大量实验研究及总结，发现其中研磨速度、研磨压力和研磨液浓度不仅影响着工件加工后的表面状况，还影响着研磨效率（也称材料去除率，以单位时间内材料去除层厚度或被去除的质量来表示）.
   （l）研磨速度是指材料与研具的相对速度。研磨速度增大使研磨效率提高。但当速度过高时，由于离心力作用，使研磨剂甩出工作区，研磨运动平稳性降低，研具磨损加快，从而影响研磨加工精度。一般粗研多用较低速、较高压力；精研多用低速、较低压力。
   （2）将研具单位面积上的研磨痕数量与留存的磨料粒子数量之比称为磨料作用率。磨料作用率与研磨压力之间的关系是：随着研磨压力的增加，磨料作用率增加。亦即，单颗磨粒作用在材料表面上的力增加，使得在材料表面上产生的裂纹长度增加，进而引起材料的表面去除率增加。一方面，在一定范围内增加研磨压力可提高研磨效率，但当压力大到一定值时，由于磨粒破碎及研磨接触面积增加，实际接触点的接触压力不成正比增加，研磨效率提高并不明显；另一方面，对于同样的磨粒，研磨压力减少对降低表面粗糙度有利。因此，在有些时候，采用仅靠材料自重进行悬浮抛光，即可获得较好的表面质量。
   （3）研磨液也是加工中的一个重要的工艺因素。因为研磨和抛光时的发热，不仅会导致材料和研具产生热变形，同时在局部的磨粒作用点上也会产生相当高的温度，这会产生研磨加工变质层，造成产品不合格。加工过程中加入的研磨液（抛光液）具有供给磨粒、排屑、冷却和润滑效果。研究表明，若能适当地供给研磨液，控制研磨液的浓度、流量就可以保证研具有良好的耐磨性，同时也能保证工件的形状精度1 2。
   综上所述，在研磨机、研具和磨料选定的条件下，研磨速度、研磨压力和研磨液流量的确定是保证加工质量和加工效率的关键。

3.2 产生式规则
 
    如前所述，表面质量是超精密研磨和抛光所要达到的要求。表面质量越高，越能满足加工的要求。工件在加工过程中，研磨速度、研磨压力、研磨液浓度等因素对工件的粗糙度、平面度等表面情况会有所影响：又由于磨粒尺寸的不一致性及加工中磨粒的分散性，可能导致表面出现较大划痕的情况。因此，本系统中，我们用加工表面粗糙度Ra来表示加工前后的表面情况，并引人最大压入深度H，作为对划痕情况的一个判断。
   假设材料加工后所要达到的表面粗糙度为Ra₀，实际测量的表面粗糙度为Ra，最大压入深度为H_y。当H_y≤Cra₀（C可以取0.618)，且Ra成Ra₀的时候，我们认为达到加工要求。那么超精密研磨和抛光的产生式规则即为：
   如果Ra>Ra₀或H_y>CRa₀，那么必须继续加工，
   如果H_y≤CRa₀ ，且Ra≤Ra₀ 满足要求，加工结束。
 
3.3 控制策略
 
   控制策略的作用是对于某一待加工的工件，应该选用什么规则才能使得工件表面状况达到所要求的精度。由于超精密研磨和抛光加工过程中影响因素特别多，因此在大多数情况下，一个工件的加工需要采用多次测量，考虑研磨速度、研磨压力、研磨液浓度和表面粗糙度、去除率的关系，分析磨粒尺寸不一致性和磨粒分散情况和划痕产生的情况，不断和工艺数据库中的数据比较，得出最适合该材料的研磨速度、研磨压力和研磨液浓度，再反馈到加工过程中，从而达到最终要求的表面状况。并且，在加工过程中，要求专家系统根据材料的具体情况，选择优先级的参数，对各参数进行排序，确定最优的参数组合，以达到最优加工的目的，并最终得出研磨速度、研磨压力、研磨液浓度对不同材料的表面粗糙度、去除率的影响。

   图4～图6是一个简单的操作实例，首先输人材料名称和所要达到的表面粗糙度；经过专家系统的推理策略，得出一个推荐的工艺组合和具体的参数值。当然，随着加工的进行，其参数还会根据具体情况，在专家知识库的指导下有所改变。
   此外，为了提高研磨抛光加工的成功率，专家系统应具有自学习能力。在运行过程中，根据实际情况对数据库进行修改，即将生产加工中的实例不断地动态补充到数据库中，去掉数据库中不理想的数据，使系统具有一定的自适应能力，更有效地指导整个加工过程1。

结论
 
   当今社会日新月异，继机械化、自动化之后，智能化作为自动化的发展趋势和人类生产和生活的又一技术特征。超精密研磨和抛光专家系统就是传统研磨抛光技术和智能化技术的结合，它是超精密加工技术领域内的一个具有研磨与抛光相应知识和经验的程序系统。它应用人工智能技术，模拟专家的思维过程，在材料加工过程中脱离对人的依赖，可自动求解研磨抛光中的一些问题并对工艺参数进行优化。