本发明涉及磨削和抛光机床以及磨削和抛光圆盘的方法，该圆盘 用在半导体装置结构中的硅圆片以及玻璃或其它脆性材料的圆盘，磁 性材料可覆在其上从形成用于计算机磁盘驱动器和类似装置的存储 磁盘。

本发明的背景

当磨削上述任一用途的圆盘时，圆盘外经应加工成高精度的并常 常是特殊的横截面形状是很重要的。对于存储磁盘，也要精确控削其 盘圆孔的直径和圆度。对于硅圆片，后面加工工序中的对准需要对准 装置，以完成圆盘周缘的成形例如平周缘和凹口周缘。

传统的周缘磨削和抛光机体的所有轴线均为直线导轨。当磨削和 抛光脆性材料时，无论是装有循环滚动元件的支承还是空气支承，所 有这样的轴线共有常见的失效，即这些轴线允许砂轮和零件间较大相 对运动。因而需要砂轮的正交运动，其通常由一线性轴线叠在另一轴 线上而获得此运动需要硬的耐磨砂轮以将由于砂轮磨损而造成的成 形损失减至最小，但这样的砂轮会磨削出有深度损伤的劣质表面。

当磨削硅圆片时，磨削时造成的表面下损伤的深度应在后续加工 工序中减至最小，圆片交货时必须是零损伤。当表面下损伤已造成 时，就意味着磨削后要进行酸洗及抛光。这两个工艺均很昂贵，损伤 越小所需的抛光时间就越短。

本发明特点的概要

机床结构

根据本发明的一个方面，上述磨床包括一个刚性平台，工件主轴 和砂轮主轴安装在该平台上。在该磨床上，砂轮主轴装在部件上，该 部件通过挠性件安装在平台上，挠性件允许该部件在通常平行于砂轮 前移的方向上作有限的运动，砂轮前移以对装在工件主轴上的工件进 行磨削或抛光。挠性件通常禁止该部件在所有其它方向上的运动。

两个砂轮装在平台上，最好有两个部件，此两个砂轮分别装在两 个部件上。每个部件通过上述挠性件安装在平台上。

磨削圆盘或圆片周缘时，由于磨削轴在停磨后反向，轴的换向滞 后会造成工件的损伤。将部件装在挠性件上可提供平稳的运动并只允 许一个方向的运动，轴的换向滞后比使用传统的线性轴的情况要小得 多。

根据本发明的另一个特征，选择将该部件装在机床底座上的挠性 件的位置，以减少由于使用挠性件安装该部件造成的机床内扭转振动 的影响。

挠性件最佳安装处通常最好是机床的中央，最好位于机床中心线 的两侧并靠近机床中心线。

根据本发明的另一个特征，安装部件的挠性件本身可装在一个实 体件上，最好实体件含有聚合物混凝土，并且最好该实体件构成机床 底座的一部分。这样，主轴支该部件的任何运动都是高阻尼的。

根据本发明进一步优选的特征，在机床选定件的空腔中可充填或 至少部分充填聚合物混凝土以便为提供具有阻尼/加固材料最佳分布 的最小质量提高机床零件的自然振动频率。

挠性件通常是消除内应力的钢连接件，其一方面直接连接在平台 上，另一方面直接连接在主轴支承组件上。

主轴安装

砂轮主轴和工件主轴最好装在空气轴承上。

工作台安装

工作台最好装在由伺服电机驱动的预紧导轨上，并装配有高分辨 率位置编码器。

支承组件装在机床底座的水平延伸部分上，靠近机床大部分的一 端。装在水平延伸部分和机床其余部分之间的刚性支架可提高水平延 伸部分的刚度。

两个支承组件相对于底座中心线对称安装，其间隔着支架，支架 直接装在机床中心线上。

所谓干摩擦阻尼通过由三件构成并固定在一起的支架而获得。

平台的安装

在优选设计中，平台本身通过减振装置装在固定的机床底座上。

机床底座可以是单件结构，但为隔振最佳其可由两件构成，两件 间有减振装置。

在两部分的结构中，其中一部分通过隔振(减振)装置装在另一 部分之上，两部分中上面一部分是金属结构，其含有或至少部分地由 聚合物混凝土形成，以给驱动主轴的凸轮、支承组件、工作台主轴导 轨的固定件之间提供一个直接的、高阻尼的连接结构。

最好将砂轮及其支承组件安装在机床底座的中央位置而减少机 床底座扭转振动对砂轮稳定性的影响。为此，机床底座内最好有可给 支承组件提供高阻尼的聚合物混凝土的部分。

部件驱动装置

根据本发明的另一特征，驱动装置可使支承组件运动以使砂轮主 轴向前靠近工件主轴或后退远离工件主轴。驱动装置包括凸轮装置。

最好使用实体凸轮。

凸轮装置可只在一个方向起作用，在此情况下，使用复位弹簧装 置可以提供相反方向的恢复力。

在另一种方案中，凸轮装置可在两个方向起作用，以便提供可靠 驱动使支承组件前移靠近工作台主轴和后退远离工作台主轴。

在一种设计中，两个支承组件被弹簧隔开，磨削进给通过凸轮臂 的向内运动提供磨削进给。本发明的这个特点可完成对硅圆盘平周缘 的圆角的迅速插补，因为部件的最大加速度力朝着凸轮向外作用。

传统机床使用滚珠丝杠进给装置，当循环滚珠接触或离开滚珠固 定件时有特有的噪音。当磨削过程有缺陷时，噪音就出现。当通过实 体凸轮驱动支承组件并将凸轮安装在两副高精密角接触轴承之间 时，增加了此部件的刚度。这种结构的机床，磨削时将不会产生机械 噪音。

将凸轮紧靠工作台主轴支承导轨安装并直接用聚合物混凝土连 接两者，形成坚固的高阻尼的刚性回路。

当机床相对移动件的驱动由滚珠丝杠实现时，如果将位置控制改 为力控制，例如，要实现与磨削不同的抛光，就必须断开上述传动， 才能接通副机构。然而本发明下述特点就具有优越性，通过凸轮驱动 支承部件时，因为凸轮可被反驱动，电机驱动可在位置控制和扭矩控 制间变换，无需断开任何传动。因能允许磨床作为抛光机使用，除了 改变凸轮的传动无需作任何调整，是个显著的优点。

组合凸轮驱动和挠性件安装

根据本发明，使用凸轮驱动部件，该部件装在挠性件上，挠性件 装在一个上述普通平台上，砂轮和工件之间产生了一个刚性短回路， 减少了机加工期间砂轮和工件之间相对运动的危险。

砂轮选择和修整

通常加工圆盘周缘为的是产生一般三角形的或不规则梯形的圆 盘周缘轮廓。为达到此目的，砂轮表面成形时采用互补方法以便当砂 轮与工件接触时，在工件周缘产生互补形状。

只有砂轮的互补形状保持不变，才能精确地加工出工件周缘轮 廓。当砂轮磨损严重时，工件周缘轮廓将会改变，这样的砂轮必须周 期地再成形，对于树脂粘结剂砂轮的再成形，使用适当的成形轮，对 于金属粘结剂砂轮的再成形，使用适当的电火花腐蚀。迄今至少互补 砂轮轮廓的最初成形一直是“离开机床”进行，因为常采用耐磨硬质 砂轮。

根据本发明制造的磨床，即使不消除工件和砂轮之间不必要的相 对运动，结果还是限制了此类运动，已发现此磨床能使用较软砂轮。

尽管使用较硬磨削法可获得最佳效率，例如金属粘结剂立方氮化 硼砂轮或金属粘结剂金刚石砂轮用于初步粗磨加工，然后使用较软砂 轮进行精磨，还是可使用树脂粘结剂立方氮化硼砂轮或树脂粘结剂金 刚石砂轮。不同的砂轮片当然能全装在同一个主轴上。

每个砂轮可有多个砂轮槽，由于每个砂轮槽会依次磨损，可依次 使用这些砂轮槽，直至所有的砂轮槽均需再次成形。

已发现树脂粘结剂砂轮用于磨削周缘形状，只产生很小的表面下 损伤，并可在原位用适当的成形轮进行成形。

所以，根据本发明制造的磨床最好至少安装一个成形轮，以便能 与主砂轮接触，从而，使后者的砂轮槽成形，并根据需要再成形。

这就避免了砂轮最初成形离开机床和/或为了再成形必须拆卸砂 轮所能造成的问题。

成形轮/修整轮的位置

根据本发明的另一个特点，成形轮最好能装在工作台主轴上，通 常在工件支承的后面。

两个成形轮装在工作台主轴上，一个用于新砂轮砂轮槽的成形， 另一个用于现用砂轮砂轮槽的成形。在机床上进行砂轮槽的成形和再 成形并将成形轮装在工作台主轴上使砂轮的径向跳动减至最小，减小  了砂轮的颤振，并且即使安装不当也能保证砂轮所磨出的是真正的圆 盘，因为成形轮、再成形轮都象工件一样装在同一个轴上。

一个成形轮用于粗磨砂轮成形，一个成形轮用于精磨砂轮成形， 以便在粗磨砂轮和精磨砂轮上均加工出形状相同的砂轮槽，将精磨砂 轮形状的非对称磨损减至最小。

使用两个形状稍有差别的形成轮，以保证精磨时沿工件周缘轮廓 的材料去除的深度为常量。

安装两个有完全不同形状的成形轮，允许在一种形状成形轮和另 一种形状成形轮之间迅速更换，无需更换成形装置。

为粗磨上述圆盘工件而采用树脂粘结剂立方氮化硼砂轮代表了 本发明一个重要的优点，如果所用的是粗粒金刚石砂轮，那么使用金 刚石砂轮使其成形或再成形实际上是不可能的。

粗粒或中粒立方氮化硼用金刚石成形轮很容易使其成形。可是细 粒立方氮化硼，假如要用作精磨砂轮，不能用来磨削硅材料。所以精 磨最好用细粒金刚石砂轮进行，其可用金刚石成形轮进行成形和再成 形。

因此，本发明还在于砂轮和工件支承的坚固刚性回路及使用相对 柔性的树脂粘结剂砂轮，以及可装在工件主轴上，需要时才起作用的 成形轮三者的综合作用。综合了这些特点，才能在工件上磨削周缘时 获得高的表面精度和低的表面下损伤。

周缘磨削环境的保护

根据本发明的另一个方面，砂轮和工件可分别位于两个护罩内， 两个护罩磨削时封闭，形成一个密封的护罩。

两个护罩最好用透明的塑料(例如聚碳酸酯)制成，以便观察磨 削过程。

两个护罩最好用一个可膨胀的密封环密封，密封环位于两个护罩 接合处周围以形成一个密封体。

两个护罩封闭及密封后，形成一个密封体，至少磨削时，砂轮和 工件位于该密封体之内，两个护罩最好装在导轨上，并可在与砂轮旋 转细线平行的方向移动，以便工作台需一个砂轮槽和另一个砂轮槽之 间移动时，或需移动以使成形轮与砂轮接触时，可以轴向移动，而无 需排气打开护罩及再膨胀以密封护罩。此特点减少了磨削加工的循环 时间。

排屑

根据本发明的另一个方面，当工件仍在旋转时，可有装置使清洗 液喷嘴对准工件的外缘。这避免了将工件从支承件上卸下时，磨屑进 入工件的背面。

在密封的护罩中磨削时，清洁液的喷嘴最好在护罩内，只有护罩 封闭后，清洁液喷嘴才能工作。

本发明进一步优选的特点是，抛光盘也可装在周缘磨削主轴上。

一台机床结合了上述便利条件，无需卸下工件，就可在同一台机 床上完成三个工步即粗磨，后面是精磨，继之以抛光。

周缘磨削法

本发明另外提供了磨削圆盘周缘的一种方法，包括以下步骤：将 砂轮和成形轮装在刚性固定件上，移动砂轮和成形轮使两者接触以便 在砂轮周缘形成砂轮槽，横截面上的砂轮槽形与磨削时圆盘周缘应形 成的形状互补，使砂轮与圆盘接触，该圆盘也相对于砂轮刚性安装， 将砂轮周缘磨削成所要求的形状；在已磨削过圆盘周缘后(或已磨削 过一系列圆盘周缘后)，砂轮和成形轮再次接触进行砂轮槽的再成形 以修整磨损的砂轮。

磨削硅圆片工件周缘的磨削方法可包括两个工步，第一个工步是 金属或树脂粘结剂立方氮化硼砂轮前移以粗磨工件周缘，第二个工步 是树脂粘结剂立方氮化硼砂轮或最好是树脂粘结剂金刚石砂轮前移 以精磨工件周缘，不过，本发明不限于此种方法和任何数目的不同磨 削工步。这些工步可加入用于磨削任何特殊工件的方法中。

本发明的方法也包括。通过在每个砂轮的周缘切入磨削出要求的 形状，在机床原位置上成形再成形两个砂轮的步骤。

内经和外径均要精磨时，两工步磨削法可用于内圆磨削和外圆磨 削，用预成形的金属粘结剂砂轮进行粗磨，之后用已成形的树脂粘结 剂立方氮化硼砂轮进行精磨，后者在机床原位置上进行成形和再成 形。

用于周缘磨削的设备

本发明还在于实现上述方法的设备，包括：砂轮及其驱动装置； 成形轮；限制砂轮和成形轮之间不必要相对运动的刚性支承装置；用 于轴向移动砂轮与成形轮对正的装置；实现砂轮与成形轮之间相对运 动的装置，该装置切入磨削砂轮周缘以形成有精确横截面的砂轮槽； 工件主轴，圆形工件能安装在其上，该主轴也安装在刚性支承装置 上；用来使砂轮朝着工件主轴运动及远离工件主轴的驱动装置，该装 置使砂轮与装在工件主轴上的圆形工件的周缘接触以对二件进行周 缘磨削；以及用来使工件主轴旋转的驱动装置，成形轮也装在工件主 轴上与其一起旋转。

工件主轴最好有个可将圆形工件安装其上的真空吸盘。

最好有用于圆形工件定心的装置，以便工件中心与工件主轴轴线 对中。

工件定心装置最好远离工件主轴，其包括：对中真空吸盘及有关 检测系统，其能使工件旋转，通过检测工件旋转时由于与该对中真空 吸盘不对中导致的偏心，确定工件的真正中心；机器人臂拾取和放置 的装置，它有移动式真空吸盘；机器人驱动装置，它使移动式真空吸 盘靠近对中真空吸盘定位，以便将工件从一个吸盘输送至另一个吸 盘，并且使移动式吸盘和工件沿一个或多个已知轴线移动过已知的精 确距离，以便使工件靠近工件主轴上的真空吸盘定位并输送到其上， 移动式吸盘的移动由控制系统控制，控制系统内存有程序的对中吸盘 轴线和工件主轴轴线的坐标，以便允许移动式吸盘在两坐标间进行精 确的移动，控制系统计算移动式吸盘移动距离时考虑了由检测系统检 测出的对中吸盘上工件中心的偏心，在移动式吸盘处于工件主轴吸盘 前面的最终位置前，进行校正，从而使工件相对于工件主轴轴线能精 确定心。

检测系统可包括：用于从切线方向拍摄圆盘周缘的视频摄像机； 接收视频摄像机输出信号的信号处理及计算系统；以及可视显示器， 例如阴极射线管，其用来产生工件周缘轮廓的放大图像；和/或数据 存储装置，其内存与要求的工件周缘轮廓有关的数据，将这些数据与 从工件周缘实测出的同类数据进行比较后，就产生合格信号或不合格 信号或形状质量信号。

平周缘磨削/凹口周缘磨削

本发明也应用于能在圆形工件周缘上磨削对正区域例如平周缘 或凹口周缘的磨床。

平周缘是很容易形成的周缘形状，在计算机控制下，使砂轮主轴 在工件旋转时与其同步移动，则每转期间，相同的周缘区域受到不同 的磨削以便去除更多的余量成为非圆直线区域。

适于磨削凹口周缘的磨床还要安置一个安装小直径可旋转磨削 装置的砂轮主轴，在数字控制/计算机控制下，当其旋转时与圆形工 件周缘的一部分接触，在其间磨出凹口。

工件输送和检验

最好设置机器人工件输送装置，它用待磨削的另一个工件更换下 已加工完毕的成品件。

可设置用来检测砂轮成形槽磨损的装置，它可中断工件磨削，以 进行砂轮槽的再成形。为此，设置响应磨损检测结果的驱动装置，它 轴向移动工件主轴，然后使其前移，以便在工件主轴之上并在工件之 后的成形轮进行砂轮周缘磨削槽轮廓的再成形。

当砂轮朝工件前移时，根据接地发生的位置，很容易确定砂轮直 径的磨损。电子和/或声频传感器可用于此目的，其与位置传感器相 连接以便当砂轮朝工件前移时，产生与砂轮位置有关的信号，传感器 测出接地时就输出砂轮的位置信号。

其它类型的磨损可通过磨削后检测工件周缘来检测。根据周缘轮 廓的尺寸和/或形状确定是砂轮槽需要再成形还是工作台需要轴向移 动，以便对圆盘周缘横截面轮廓进行再确定。

因此，在用于磨削硅圆片的机床上，最好设置能在线检测圆片周 缘横截面形状的周缘检验装置。

周缘检验可在每个圆盘上进行，或每磨削n个圆盘检验一次。

周缘检验装置最好是光电装置并产生电子信号以供处理和/或在 数字显示器和/或阴极射线管或类似仪器上显示，以便给操作者显示 加工完毕圆盘周缘轮廓的尺寸和/或形状。

圆盘周缘轮廓的光学检验最好在圆盘装在一个可旋转件(通常是 真空吸盘)的垂直面上时进行。

通过将光学检验装置靠近工件主轴定位，就可检验被磨周缘的周 缘轮廓而不必将工件从主轴卸下，从而如果有砂轮槽磨损，和/或不 允许的损伤/不正确的周缘轮廓，无需从工件主轴上卸下工件，就可 使砂轮槽再成形及再次磨削工件周缘。

周缘数据可与从一个基准工件周缘采集的一系列周缘轮廓数据 比较(或先存储，以后再比较)。

光学检验装置(无论在线或离线)可包括产生待处理视频信号的 视频摄像机，摄像机被定位以便从大体切线方向拍摄工件周缘处，通 常摄像机被定位从使其光轴与圆盘的周缘相切，并使周缘轮廓的横截 面形状的顶部位于摄像机视野的中部。

如果这导致占据视野的轮廓太小，可从原位移动摄像机以使轮廓 顶部在视野中移动，最后使光轴与圆盘相交。

周缘检验可自动处理来自拍摄工件周缘的摄像机的信号，在将其 与存储数据比较后自动产生控制信号，例如产生警告信号和/或开始 再成形工步。

参见附图，现通过实施例描述本发明，其中：

图1是实施本发明磨床的透视图(未按比例)，是从操作者通常 所站位置的视角观看。

图2是图1中所示磨床的侧视图(也未按比例)，也是从操作者 通常所站一侧的视角观看。

图3是图1和图2中所示磨床的端视图。

图4是从图3端面的视角观看的横截面图(比例稍大)，所示为 通过挠性安装的部件。

图5是图4中可见的两个挠性件的放大比例图。

图6是图4右上角的放大比例横截面图，所示为凸轮主动件、随 动件及部件的承载弹簧。

图7是图2中所示磨床部件一端的放大比例侧视图(其中部分是 剖面图)。

图8是上下料机构的透视图，其装在图3中所示磨床一端的右 侧，图3中所示的磨床一端在图8中部分可见。

图9是图8中工件输送装置另一侧的透视图，该图也表示出圆盘 检验装置和图2中所示的磨床右端。

图10是图9中所示的圆盘检验装置另一侧的透视图(放大比 例)。

图11是监视器屏幕上显示的摄像机234所摄凹口周缘。

图12是监视器屏幕是显示的摄像机234所摄圆盘上的平周缘。

图13是图10中部件后面的侧视图，显示电机和真空吸盘之间的 传动装置，也显示出将圆片输送到工件主轴之前确定其厚度的测厚测 头的位置。

图14是复式砂轮部件的两侧视图，复式砂轮部件可用在图1及 其它各图中所示的磨床上。

图15是用在该磨床上的凹口砂轮的侧视图。

图16是工件真空吸盘和修整轮部件的侧视图。

图17是清洗工位的侧视图，该工位也可用于圆片的中间存贮。

有关附图的详细描述

图1、图2和图3显示了用于硅或类似材料圆盘(图片)周缘磨 削的整台磨床的一部分。工件输送检验和定心装置也是整台磨床的一 部分，但将结合后面的图加以说明。

图1至图3所示的磨床包括控制柜10和床身12。床身12上装有 平台14。平台14装在三个减振支承上。减振支承之一即图1中可见 的件16，第二个减振支承18装在底座区域22的中心，图1中用虚线 显示其轮廓，第三个减振支承20可在图3中见到。

平台14上装有整体支承结构或底座22，底座22上装有工作台 24。工作台24可沿装在底座22上面的导轨26轴向滑动。工件主轴 24包括主轴驱动电机28和安装待磨圆片的真空吸盘30。

周缘磨削通过砂轮32完成。砂轮32上有许多环槽例如34，用于 与图2中圆片工件36的周缘接触。

主轴部件38中的砂轮主轴(图中未示出)，由电机40带动旋转。

主轴部件38和电机40装在支承件42上。支承件42靠近平台14  的中心线装在刚性的加固板44的一侧；沿加固板44的底边通过翼缘 用螺栓将其固定在平台14上；在加固板44的上端通过另一个突出部 46用螺栓将其固定在磨床底座22上；加固板44的功能是增加平台 14相对底座22的刚度。并承受其它可能会引起的横向振动。

与加固板44等距，且在其另一侧的是第二个支承件48。支承件 48上装有导轨50，导轨50上装有第二个主轴部件52，该主轴部件用 于凹口磨削。主轴部件52的轴向运动由动力头54驱动(见图2)。 主轴部件52也可用于环形圆盘内孔的磨削。

工作台主轴、周缘磨削主轴和凹口磨削主轴均装在空气轴承上。 工作台主轴的速度范围一般为每分钟2转至1000转；周缘磨削主轴 的速度范围一般最高可达每分钟6000转；凹口磨削主轴的速度范围 一般最高可达每分钟70,000转。

在图2中可见到的成形轮56和58装在工作台主轴上、吸盘的后 面。工作台24在图2中箭头60方向上的移动，使得圆盘工件36可 与砂轮32的砂轮槽之一(例如34)接触。工作台24在箭头60方向 上的进一步移动使圆盘36脱离砂轮部件的端面62，并使成形轮56 和58与砂轮32的相应槽接触。

砂轮或凹口砂轮所作的横向运动，通过相对于平台14适当倾斜 支承件42和48实现。为此，两个支承件42和48可枢轴转动地装在 平台14的中心线附近，(下文将结合后面的图，更详细地描述)。 两个止动件64和66(见图3)分别防止两个方向的向外摆动超程。

根据本发明，枢轴转动由挠性件提供(下文将描述)。挠性件允 许围绕靠近平台14中心线的两个平行轴线作摆动运动，使得支承件 42的运动轨迹为箭头68所示的小圆弧；支承件48的运动轨迹为箭头 70所示的小圆弧。

实现摆动运动的驱动装置将结合后面的图加以描述。

直线型的聚碳酸酯透明护罩72固定在底座22上，砂轮主轴从护 罩72伸出。在护罩72的前端面上，有个通常为椭圆形的大开口74。 当工作台24在上述箭头60的方向上适当向前运动时，装在工作台24 上的类似形状的护罩76可进入并密封开口74。

护罩76周围的可膨胀的密封环78(或者在开口74的内缘周围) 在护罩76和开口74之间提供密封，防止液体渗漏。

护罩72可相对底座22滑动，因此在护罩76和开口74之间已密 封后，由伸缩管80和82分别提供护罩72与主轴部件38和52之间 的密封。实际上，护罩72与工作台部件24一起轴向运动。伸缩管后 有足够的间隙允许护罩72在箭头60的方向上连续移动，以便于砂轮 上磨削槽的成形。伸缩管80和82也允许封闭的护罩72在与箭头60 相反的方向上移动，使得工作台24也能在与箭头60相反的方向上移 动，因而圆盘36的周缘可与砂轮的磨削槽之一(例如34)接触。

冷却液通过喷嘴84和86喷在工件上，需要时，还可通过类似的 喷嘴将类似的冷却液喷在成形轮上。设置互锁装置保证护罩72被护 罩76封闭和密封后才喷出冷却液。

完成磨削加工并用液体进行最后清洗后，通过给边缘密封环78 排气可打开护罩72，工作台24在与箭头60相反的方向上退回至图2 中所示位置，然后将成品36卸下并安装一个待磨削工件。

砂轮的成形/修整

砂轮最初成形可在安装任何工件前完成，在真空吸盘30上没有 先安装一个工件(例如36)的情况下，护罩72经工作台24和护罩 76的适当运动封闭。砂轮成形由工作台24的适当轴向运动和支承件 42的横向运动完成，从使适当的成形轮例如56或58依次与每一砂轮 槽例如34接触。在砂轮成形操作期间，使用冷却液。

在砂轮最初成形后，通过前述的密封环78可分开此部件，安装 工件36后，该部件可再次封闭，并用前述方法进行磨削。

通常砂轮槽的再成形在卸下一个工件后，安装下一个工件前的机 床停机期间完成，但在该机床的改进型中，工件36的周缘轮廓检验 在工作台的原位上进行，这可有利于在工件适当的情况下进行砂轮的 再成形。

凹口磨削

如果要对工件进行凹口磨削，横向移动支承件42使砂轮与工件 脱开，并横向移动支承件48使工件36的周缘与凹口磨削主轴(图中 未示出)接触。凹口磨削后，支承件48向相反方向移动以便凹口磨 削主轴与工件脱开。

抛光

在另一种设计中，除了带槽的砂轮外，抛光轮也可装在砂轮主轴 上，通过轴向移动工件主轴，使抛光轮能与工件36的周缘接触。

设置使工作台24沿导轨26移动的驱动装置88。

如图3所示，排液管90将液体从护罩72内输送至贮液箱92中， 泵(图中未示出)用于使液体自贮液箱开始循环。可在贮液箱中或贮 液箱和泵之间的管路中提供过滤器。

控制柜包括电视显示器94、键盘96及经悬空导线100接在插头 102上的手动控制装置98。操作者可移动手动控制装置98并手握其 走向机床，通过按下适当的按钮操纵或中断机床的操作。控制柜10 内有计算机控制系统，其发出控制信号，给机床中的驱动装置提供动 力，从机床上的转换器、开关和其它位置/操作/接触等产生信号的传 感器接受信号。

计算机键盘和显示器可用于为最初确定机床功能，输入数据及为 确定主轴转速、进给量、行程和工作顺序输入数据。

因为要求清洁的车间环境，整台机床除包括计算机荧光屏和键盘 的控制装置一角外，可罩在一个外罩内。外罩未在图中示出。

工作台在其上滑动的导轨26是预紧的，工作台由伺服电机驱动 并装有高分辨率的位置编码器以在轴向插补运动时提供平稳的运 动。

如前所述，切入磨削根据要求通过倾斜支承件42或48实现，以 使其上的磨削部件与工件36的周缘接触。虽然运动轨迹并不是真正 的真线，而是弧形，但是可由控制柜10内的控制系统产生的控制信 号调整。

磨削时喷嘴例如84和86可用于提供切削液，84、86或其它喷嘴 可用作磨削后工件仍旋转时对准圆片工件外伸边缘处的清洗液喷 嘴。这避免了将工件从真空吸盘上卸下时，磨屑进入工件的背面。

磨削工艺

通常用两工步磨削工艺磨削工件周缘，即先采用切入式磨削粗 磨，第二工步采用切入式磨削精磨的加工循环，加工循环包括砂轮快 进至接触式传感器检测出与圆盘工件接触为止。采用砂轮轴位置接地 以监测砂轮磨损情况并保证每个精磨工步切除的余景为常量。为保持 砂轮形状，使用永久地装在工件主轴吸盘上的金属粘结剂金刚石成形 轮。再成形过程可以全部自动化并可用程序控制以便每磨削几个圆盘 进行一次，或当已磨削的周缘轮廓不合格时(根据圆盘周缘轮廓的光 学检验确定)或当接地点表示砂轮过度磨损时进行。

阻尼

为了减少不必要的振动并将造成的磨削损失减至最小，磨床的支 承件至少部分充填聚合物混凝土，特别是底座22和床身12，如果需 要也包括平台14。

部件的挠性安装

图4和图5说明如何安装两个支承件42和48，以便其铰链转动 并允许砂轮切入。如图4所示，两个支承件42和48内侧边缘通过挠 性件与平台14连接，其中两个挠性件即图中所示的102和104(有时 称作支板铰链)。与图4中所示的两个挠性件处于一条直线上的第二 对挠性件位于机床底座22附近支承件42和48的另一端。

如图5的放大比例图所示，每个挠性件是金属板，其中间部位变 窄形成收缩宽度的部分，挠性件102的收缩宽度部分是106，挠性件 104的收缩宽度部分是108。

每个挠性件较宽的上端和下端，挠性件102的上、下端分别是110 和112，挠性件104的上、下端分别是114和116，通过螺栓，例如 挠性件102上的螺栓118和120，上端固定在构成支承件整体一部分 的凸缘上，对于挠性件102，上端固定在支承件42的凸缘122上，下 端固定在金属块124上，金属块124用螺栓，例如126和128固定在 平台14上。

挠性件104以同样方式固定在凸缘126上，它自支承件48延伸 置构成支承件48的整体的部分。

金属块124垂直隔开凸缘122和126，而两个挠性件的收缩部分 106和108使得支承件42和48可分别绕收缩部分106和108摆动， 挠性件支承着平台14上的结构。

挠性件102和104允许两个主轴支承件分别在图5中箭头130和 132的方向上倾斜，其一般不允许支承件42和48相对平台14围绕其 它任何轴线进行其它任何运动。因此，除了收缩部份106、108等产 生的铰链轴线外，支承件42和48与平台14在所有方向的连接刚度 都很高。

驱动部件横向进磨

支承件42和48的运动通过凸轮及随动件装置实现，该装置是在 固定于平台14上和机床底座22一端的主支承组件和刚性部件之间起 作用。一个这样的驱动装置如图4所示装在支承件42内。凸轮134 装在轴136上，轴136支承在轴承138和140上，电机142通过扭转 刚性联轴节144驱动凸轮134。随动件146装在一根轴上(图中未示 出)，该轴由轴承148和150支承，装在支承件42上。

包括凸轮134的驱动和轴承部件支承在一个刚性框架部件152 内，它与支承件42的其余部分隔开的独立部件，所以，后者能在凸 轮134和随动件146的运动控制下相对于部件152运动。

恢复力由弹簧装置提供，弹簧装置位于部件152和支承件42之 间。

支承件48由装在部件154内的相似部件用相同方式驱动，如图4 中支承件48的局部剖视图所示。

为简便起见，图中复位弹簧的结构只表示复位弹簧如何与支承件 48联接，而未表示出支承件42中的复位弹簧。图中，推杆156通过 螺纹紧固端件158固定在支承件48的框架160的内侧，弹簧162装 在部件154内形成的圆筒形内腔164中。部件154一侧的缩径端166 防止弹簧从内腔164中脱出，推杆156外端的止动垫片168保持弹簧 在位。支承件在箭头170方向的运动导致弹簧被压缩。当凸轮驱动力 消失时弹簧恢复力使支承件48复位到其正常的垂直位置。

图6所示为支承件42上端的放大比例图，图中相同数字用来表 示同一个零部件。

凸轮驱动

图7是机床一端的侧视图，其中部分是图4中的剖面，而比例稍 有缩小。与其它图一样，其中有局部剖视以便显示图4中未示出的支 承件48中的凸轮驱动装置170。在驱动装置一侧可见止动垫片168。

图7也显示了装在支承件48底部的两个挠性件，外侧的一个是 挠性件104，内侧的一个是挠性件172。

上述两个凸轮驱动装置分别装在刚性框架部件152和154内，后 者在图7中更清晰可见，因为部件154通过水平支架174固定在底座 22一侧的一个突出板上。

在图7中还可见驱动卡盘178的电机176，凹口磨削主轴180从 该卡盘处伸出。电机176装在前述主轴部件52内(参见图1)，主轴 部件52如前述可沿导轨50滑动。

图7显示装在主轴部件52上的伸缩管82，其密封护罩72的开 口，电机176和主轴从此口伸出。

工件输送

通常直径为100、200成300mm或更大的硅圆盘片由图8中所示 的机器人输送装置输送。机器人输送装置包括底座182和框架184， 该枢架向上延伸以对直线导轨186提供支承，滑座188可在箭头190 的方向上沿导轨186滑移。第二个导轨192在与导轨186垂直的方向 上从滑座188中伸出，滑座194在箭头196的方向运动。臂198从滑 座194中伸出，驱动装置200装在滑座194上，驱动臂198在箭头 202的方向上运动。驱动装置200和滑座188中驱动装置的电源经多 路电缆204提供，多路电缆204被保持在安全柔性束管206中，后者 装在直线导轨186上。

臂198的下端是真空吸盘208，通过滑座188、194及臂198的 适当运动，使真空吸盘208能位于圆片210的前面，圆片210垂直支 承在支垫212上。图中也示出空的支垫214，支垫214准备接收已磨 削的圆片。

底座182位于磨床床身旁，在图8中可见部分床身。加工完毕后， 护罩72的两部分如前所述分开(参见图1至图3)，露出完成的工件 36，其可由臂198和真空吸盘208拾取。为此目的，操纵图8中的输 送机构，以便使真空吸盘208与工件主轴上的圆片相对，以便取出完 成的圆片36并将其输送到空的支垫214上。

滑座194进一步向外朝着支垫212移动，使真空吸盘208位于未 磨削工件210的前面，将其拾取后，可将其输送至检验工位，之后再 输送至磨床的加工位置，以便装在真空吸盘30上，在前一个圆盘片 的位置上进行磨削。

可理解，轨道216上可有许多个支垫，装在支垫土的所有工件可 依次取走、定心、磨削、检验并放回。

如前所述，此磨床有整体外罩，工件输送装置及其底座182最好 位于此外罩之内，外罩上有个自封门，可打开允许放入或取走清洁的 工件。

圆片定心

作为磨削前和磨削后的中间步骤(最好在另一个圆片磨削期 间)，将每个圆片放在图9和图10所示的检验装置上，以便确定圆 片的圆心，使工件精确地定位在真空吸盘30上进行磨削减，磨削后， 在将工件放回支垫前检验圆盘的周缘轮廓。

工件检验

图9是总体视图，它显示检验装置相对于磨床和图8中的机器人 工件输送装置的位置。图中相同的数字用来表示的零部件如前。关于 机器人工件输送装置，在我们同时申请的共同待审英国专利申请中有 更充分的描述，参见我方参考号C403/W。

检验装置包括支架218，由底座220和垂直板222组成的支承架 装在支架218上。三角形加固板224从垂直板222后面伸出，垂直板 222和加固板224都焊在底座220及板226上。

与板222的垂直边228间隔的是支承托架230、灯和投影透镜装 置232支承在托架230的上端。有镜头236的第一摄像机234装在板 222上，以便拍摄圆盘238的边缘，圆盘238用灯232作背景照明。

在图9中可见电机240装在板222的后面。电机驱动真空吸盘(图 中不可见)，被检验的圆盘238由机器人臂198和真空吸盘208放置 在该真空吸盘上。

电机240的转动带动圆片238旋转，通过定位使圆片周缘与摄像 机镜头236的视野相交，取自摄像机输出的电信号经电缆242送给信 号分析装置(图中未示出)，以对从信号获得的数据进行处理。

第二个摄像机244装在支承板边缘228上，从圆盘238的切线方 向拍摄其周缘，以获得其周缘轮廓的信息。圆盘周缘由灯246进行背 景照明，摄像机244的信号由电缆248输送。灯232和246的电源分 别由电缆250和252根据要求输送。

来自摄像机234和244的信号输入计算机254，其分别经电缆242 和248返回信号控制两个摄像机，计算机254还分别经电缆250和252 返回信号控制摄像机的照明灯232和246。摄像机244的输入信号根 据要求可在监控器256上显示，圆盘238的周缘轮廓与计算机产生的 样板一起显示，260、262显示出圆盘周缘轮廓两侧的理想角度。

工件定心

工件定心使用我们同时申请的共同待审专利申请中描述的技 术，参见我方参考号C403/W，使用图8至图10中的机器人圆片输送 装置及来自摄像机234中的信号，信号是在圆形工件通过摄像机视野 旋转时得到的。

凹回周缘和平周缘的显示

图11是监控器256中的图像，此时显示的是来自摄像机234的 输出信号，当凹口的圆片在真空吸盘(图10中未示出)上时，圆片 238装在真空吸盘上随吸盘旋转以便凹口位于摄像机的视野中。可见 凹口264，同时也显示了计算机产生的样板(图中以虚线266和268 表示)，其与凹口的图像重叠，以表示凹口两侧所要求的角度。两条 附加的样板线270和272在凹口入口处显示出所要求的半径，另一条 样板线274显示出凹口底部所要求的半径。

图12是监控器256中的另一图像，此时显示的是摄像机234所 摄圆盘平周缘的一端。这里圆盘图像用276表示，平周缘用278表示， 平周缘端部所要求的半径用计算机产生的样板线280表示。

圆片厚度检测

图13显示的是图10中部件的后面，所示为垂直板222和经驱动 装置286驱动真空吸盘284的电机240。

管290与喷嘴292用于输送一股气流清洁和干燥圆盘238的周 缘，气流由阀294控制。

将圆片238装在工作台上的真空吸盘30上之前(见图1和图2)， 确定其厚度是重要的，以便工作台成工件主轴按要求进行轴向移动， 使适当的磨削槽与圆盘周缘精确地接触，轴向移动距离可由控制系统 确定，并产生适当的驱动信号使工件主轴移动所要求的距离。厚度用 测头296确定，测头装在主轴298上，主轴298可在导轨300、302 上滑动，测头296在经管304进入的空气压力的作用下，移动至与圆 盘238的表面接触。测头296从固定的原位开始所移动的距离被记 录。

通过无圆盘在位时完成相同距离运动的测量，给出从固定原位至 吸盘284端面的距离，因此当圆盘238面对该表面安装到位时，这两 个距离测量值之间的差值就等于工件的厚度。

测头移动的距离由一个精确的位置感应编码器测出，信号经电缆 306输送给计算机254，(如希望的话)工件厚度尺寸可显示在监控 器上。

计算机254可构成控制柜10(见图1)中计算机控制系统的一部 分和/或计算机254产生的信号可输送给控制柜10中的计算机控制系 统，所以厚度尺寸可通过控制工件主轴部件的轴向移动而获得。

复式砂轮部件

为了节省机床停机时间，砂轮可由几个不同砂轮片复合而成，其 中每个砂轮片用于一种特定用途。

图14所示的部件308，就是这种复式砂轮，如图所示，其由4 个砂轮件夹层复合而成。

主砂轮310是树脂结合剂立方氮化硼砂轮在其外圆柱表面上有6 个磨削槽，其中之一是312，此砂轮件用于在精磨前只要求切除少许 余量的圆片周缘磨削。

砂轮件314是有三个槽(其中之一为316)两金刚石砂轮件，其 用于精磨圆盘周缘。

可以理解，这两个砂轮件可有任意数目的槽-一般为1至10个 槽。

砂轮件318是金属粘结剂立方氮化硼或金属粘结剂金刚石砂轮， 只有一个槽320，其为备用砂轮，可在使用较软的树脂结合剂砂轮片 310磨削之前，粗磨圆片周缘。

砂轮件322也是备用砂轮片，通常为氧化铈砂轮，其可在用砂轮 件314精磨后，通过使砂轮主轴以适当转速旋转来抛光圆盘周缘。

凹口砂轮

图1 5所示的为以大致相似比例表示的装在主轴326端部的凹口 砂轮。其“凹”环状磨削表面通常是镀金刚石的。

砂轮修整步骤

如图16所示，当工件/圆片36装在真空吸盘30上时，修整轮/ 成形轮装在同一个主轴上。

通常修整轮/成形轮是两部分的部件：

(a)一个金属粘结剂金刚石砂轮328，用于图14中立方氮化硼

砂轮片310上砂轮槽的粗磨。

(b)一个金属粘结剂金刚石砂轮330，其含有很较小直径的砂

粒，用于图14中立方氮化硼砂轮件310内砂轮槽如312的

精磨。

立方氮化硼砂轮如图14中的砂轮310，通常供货时是没有砂轮槽 (如312)的，在安装新的立方氮化硼砂轮片310后，第一步就是加 工出砂轮槽(如312)。这是用图16中的砂轮328，然后用砂轮330 实现的。

当砂轮310上的砂轮槽磨损后，砂轮330根据要求用于砂轮槽的 修整和再次成形。

由两个成形轮可获得两个砂轮。一般，两个成形轮均用于使粗磨 砂轮(立方氮化硼)和精磨砂轮(金刚石)成形。

圆片中间存贮

如图17所示，在图13中所示测厚测头位置的下面，有个顶部敞 口的直线型箱体332，工件可由机器人臂198向下放入其中。

主轴334和真空吸盘336伸进箱休整，圆片工件可安装在真空 吸盘336上，由其带动旋转。对于主轴334的驱动可以电机(例如240) 获得。

喷嘴338伸进箱体332中，其可在压力下(如水压或气压)提供 流体，喷嘴对准装在吸盘上的圆片工件端面和周缘。一个这样的圆片 340如图所示。排出管342输送走任何剩余流体。

此箱体和真空吸盘为已经过周缘磨削，等待被放置在检验装置的 真空吸盘284上，进行周缘轮廓检验，或已经过检验等待回至图8中 其支垫(如214)上的工件提供一个有用的停放位置。