硅晶柱数控磨铣专机晶向测量系统设计与分析

安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共II页第I页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊硅晶柱数控磨铣专机晶向测量系统设计与分析机械设计制造及其自动化孙志超089054427指导教师：汪世益教授摘要本文根据用于太阳能的硅晶片加工要求，硅晶柱外圆磨削之后需要测量晶向，然后在特定的晶向铣扁。为了减少工件装夹次数、提高工件的定位精度和提高劳动生产率，本课题针对硅晶柱磨铣数控专机开发，设计了一套在加工过程中使用的晶向测量系统。本设计课题所完成的工作内容主要有：简要介绍了硅晶柱磨铣专机以及国内外现状，论证并确定了晶向测量系统的设计方案，对测量系统的主要零件进行了设计计算，完成了晶向测量系统的机械结构设计。应用三维设计软件对晶向测量系统进行三维造型设计，应用有限元分析软件对其进行静态分析和模态分析，考查了测量系统各阶固有频率，为掌握该测量系统在工作状态下的应力情况、优化机床结构以及避免机床振动提供了依据。关键词：硅晶柱磨床晶向测量三维设计有限元分析安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共II页第II页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊AbstractAccordingtotheprocessingrequirementsforsolarsiliconwafer,itisrequiredthatthemeasurementofcrystaldirectionaftersiliconcrystalcolumnexternalgrinding,theninaspecificorientationtothemillingflat.Inordertoreducethenumberoftheworkpiececlamping,improvethepositioningprecisionoftheworkpiecesandincreaselaborproductivity,thetopicisforsiliconcrystalcolumnmillingNCmachinedevelopment,designingasetofwafermeasuringsystemusedinprocessing.Thatthecontentofthedesigntaskhascompletedaremainly:abriefintroductionofthesiliconcrystalcolumnmillingmachineaswellasthedomesticandforeignstatusquo,argumentationanddeterminationofthecrystalorientationmeasurementsystemdesign,designandcalculationofmainpartsofthemeasurementsystem,completionofmechanicalstructuredesignofthecrystalorientationmeasurementsystem.usingthree-dimensionaldesignsoftwareforthecrystaldirectionmeasuringsystemfor3Dmodeling,usingfiniteelementanalysissoftwaretoperformstaticanalysisandmodalanalysisandexaminevariousfrequenciesofthemeasurementsystem.Theyprovidethebasistomasterthestressconditionofmeasurementsystemintheworkcondition,optimizemachinetoolstructureandavoidthevibrationofmachinetools.Keywords:siliconcylindricalgrinder,crystalorientationmeasurement,three-dimensionaldesign,finiteelementanalysis安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共48页第1页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第一章绪论1.1磨床概述1.1.1机床设计发展的几个阶段随着社会生产的发展和制造技术的进步，机床设计思想也在不断进步、发展和完善。现代机床设计思想的形成，主要经历了以下几个阶段：1.经验设计阶段：二十世纪40年代中期之前，机床设计思想的主要任务是解决加工与强度问题，即刀具与工件之间形成某种相对运动，以加工出一定形状的工件。同时机床零部件还应具有足够的强度，不受破坏。2.试验设计阶段：二十世纪40年代中期到60年代初期，随着科学技术的发展以及工艺水平的提高，机床设计的任务不仅要解决加工与强度的问题，更主要的是还要解决机床的精度及各种性能问题。如机床的运动精度、刚度、抗振性、更低速运动平稳性、热变形、噪声和磨损等问题。3.计算机辅助设计阶段：二十世纪60年代中期以来，科学技术的新成就为机床设计提供了大量的测试数据，理论研究也取得了更大发展，特别是电子计算机的出现和应用，使机床设计方法进入了一个崭新的阶段。在机床的设计阶段，CAD技术利用二维平面设计或者三维实体造型软件，对机床进行结构设计，设计过程中可以根据需求方便地修改几何参数，从而有效地减轻了设计人员的劳动强度、降低了设计费用。4.计算机辅助工程阶段：CAD技术在产品的设计阶段发挥了巨大的作用，但产品开发成败的关键在于产品的性能是否达到了功能要求，这就需要应用CAE技术队产品进行结构模拟分析和优化。CAE技术是一种十分有效的计算机数值仿真与优化设计技术，其核心为有限元技术与虚拟样机的动力学仿真技术。它能在产品设计阶段分析产品的精、动态特性，模拟产品在未来工作环境的工作状态和运行情况，在设计阶段发现设计中的缺陷并对其进行修改，并验证未来工程产品性能的可行性和可靠性。它对于提高产品设计水平和质量、降低生产成本和缩短设计周期等都具有重要的实际应用价值。经过几十年的发展，CAE软件分析的对象逐渐由线性发展到非线性系统，由单一的物理场发展到多场耦合系统，在各种工程领域都获得了成功的应用。随着计算机技术、CAD技术、CAPP技术和CAM技术的进一步发展，CAE技术逐渐与它们相互渗透，向多种信息技术的集成方向发展[1]。近来，随着对机床设计水平要求的提高，国内外出现了许多新型设计理念和方法，安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共48页第2页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊其发展趋势主要包括如下几个方面：设计对象系统化，即整体的、系统地对待设计对象，避免局部孤立地处理问题；设计问题模型化，模型是对设计问题高度的概括和抽象，有限元模型是适合与分析和研究的形式之一，可借助计算机对设计问题方便地进行处理；设计过程动态化，在机床的设计阶段就要对产品的性能进行预测和优化，然后用模型对其进行分析，通过修改参数，比较相应的结果，直至获得满意的设计方案。1.2.2国内外研究现状及存在的问题在经验设计阶段，机床结构的设计计算一直沿用一般的工程计算方法，如材料力学，结构力学以及弹性力学等提供的经验公式进行计算。得出机床在工况下危险点的应力和最大变形，改变机床的结构尺寸，使其不超过许用应力和许用变形即可。由于机床结构复杂，又在多变的动态条件下工作，上诉方法难以获得精确的应力和变形的数值，在设计时往往要参照前人的经验，人为地增加结构的尺寸，使结构重量增加，不能很好地发挥材料的潜力[2]。有限元法是力学、计算数学和计算机技术有机地结合在一起的技术，是解决工程实际问题的一种有效的数值计算方法。由于这一方法的灵活、快速和有效性，使其迅速发展成为求解各领域的数理方程的一种通用的近似计算方法。目前，它在许多学科领域和实际工程问题中得到广泛的应用。有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、按一定方式相互连接在一起的单元的组合体，在有限个节点上，施加与实际载荷等效的节点力，并根据其平衡条件进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元变形组合成整体进行综合求解[3]。目前，机床的结构分析主要以有限元法为主。一般采用工程有限元软件进行几何建模，并适当简化，建立有限元模型，结合实验测试数据确定模型的载荷，根据初步分析的结果，对结构尺寸进行优化设计，根据优化分析结果修正有限元模型，确定机床的最终结构尺寸[4]。东南大学机械工程系的倪晓宇、易红等利用有限元法对机床床身进行静、动态分析，并使用渐进结构优化算法对床身结构进行基于基频约束和刚度约束的拓扑优化，为ESO方法在机床大件结构拓扑优化中的应用做了有益的尝试[5]；内蒙古工业大学的杨明亚等建立立柱的三维有限元模型，利用大型有限元分析软件ANSYS对立柱部件进行了模态分析，得出了立柱前五阶固有频率和振型[6]；浙江大学现代制造工程研究所的杨晓京等基于ANSYS有限元分析软件对XK640数控铣床的立柱进行了结构优化，比较了四种结构形式的立柱的动力特性，确定了在XK640数控铣床中选用内侧加强筋结构立柱提高了机床设计水平[7]；东南大学机械工程系的伍建国等在对M2120A原机床床身动态测试的基础上，建立床身的有限元分析模型，并对床身进行有限元计算，找出原床身设计中的缺陷，从而对各种改进后的机床身再进行有限元分析，通过多方案的比较，得出最优设计方案[8]；东北大学机械工程与自动化学院的张耀满等在安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共48页第3页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊CHH6125卧式车削加工中心的研制开发过程中，在产品设计阶段对其采用有限元分析方法，对机床的原有结构进行动力学分析计算、对机床原有机构进行适当改进，提高机床的动力学性能，并对机床进行了试验，对分析结果进行验证[9]；西安工业大学机电工程学院的朱育权等通过ANSYS软件建立1CL50机床立柱的几何模型，采用四面体单元对立柱进行网格划分，分析了1CL50立柱的一阶、二阶和三阶振型，得出一阶振动为整机摇晃和横截面内弯曲振动，二阶振型为横断面内扭曲振动加垂直方向弯曲振动，三阶振型为横断面内弯曲振动加垂直面内弯曲振动，分析指出了加工过程中应该避开的激振频率，避免一阶振动应加十字型筋板，避免二阶振动应加对角交叉筋板，避免三阶振动应加菱形筋板[10]；文献[11]应用SolidWorks软件建立了数控平面磨床床身的模型，导入ANSYS软件后进行有限元分析，加载时考虑实际载荷的情况，将工作台、工件的总重量和磨削力以均布的形式施加到床身相应的位置，并忽略了磨削力对后床身的影响。简化后分析结果与前人的分析结果相比，床身的最大变形位置一致，且变形的数值相近，说明合理地简化磨削力载荷对分析结果的影响不大，也简化了分析过程。湖南大学赵小青等应用ANSYS软件对高速平面磨床进行了整机模态分析，识别了磨床结构的薄弱环节，并进行了相关的实验验证，采用实验手段与有限元分析的结合，两者的互补使分析结果更精确；文献[12]在原机床动态测试的基础上利用接触单元来描述导轨滑动结合面的动力学特征，并对机床整机结构进行了结构改进，改进后机床的一阶固有频率提高了17%，对应一阶振型的磨头与工件的模态相对位移降低了10%以上，达到了整机优化的设计要求。以上的分析采用了工程软件建模，利用ANSYS进行静态和模态分析，同时结合实验的结果，提高了分析的精度，有限元分析和实验手段的有机结合是较为完善的研究方法之一。文献[13]应用实验测试的方法对高精密磨床主轴的振动特性进行了研究。结果表明，砂轮接杆中心不对称引起的简谐振动是主轴振动的主要原因，重新设计砂轮接杆，与主轴采用较大的过盈配合，改进后主轴的最大振幅比改进前减少了200%，而且主轴运行平稳。MohammedAlfares等研究了磨床动载情况下，对