このプロジェクトでは、3自由度研磨システムの設計、組み立て、テストを含む目標はすべて達成されました。
トポロジー最適化アルゴリズムはPythonで作成されており、アクチュエーターと研磨ヘッドの剛性と動作範囲を指定できました。正確な剛性を確保するために、形状は単一の材料のインゴットからワイヤで切り出されました。次に、研磨ヘッドとトランスデューサを取り付けるための三角プレートとブラケットを製作しました。
研磨ヘッドの軸方向（Z)と半径方向（XY）の同時動作を可能にするために、コントローラーから3つのトランスデューサーに送信される２つの正弦波状の信号が追加とバイアスされる。機構先端のヒステリシス特性と変位が共焦点クロマティックセンサーで測定されました。軸方向に4µm/Vの滑らかな正弦波状の変位が見られた。 半径方向については5µm/Vのシーソー関数に似ていますが、 ベースラインとしては十分である（フィードバックループの改善は将来調査されます)。注目すべきは、軸方向と半径方向の間のクロストークがほとんどないことです。
ニッケルメッキされた平らなサンプルをダイヤモンド旋削によって準備し、初期表面粗さを測定したところ、0.24nm Raであった。次に、#30,000のアルミナ粒子を40g/Lの濃度で混合した50重量％濃度のせん断応力硬化スラリーを供給しながら、ワークピースを100RPMで5分回転させることにより、表面の溝を研磨した。１自由度と３自由度の条件で研磨されました。両方の場合、約10nmの材料除去深さが達成された。 以前の文献で報告された結果と同じで、1-DoF研磨後の表面にはかすかな切断線がまだ残っていますし、高密度のピットも注目され、表面粗さが0.51nm Raまで大幅に増加します。 比較すると、3-DoF研磨後の切断線は表面から完全に除去されました。初期の表面状態と比較すると、表面のピッチングは増加しておらず、表面粗さは0.37nm Raでした。
For this project, all goals were achieved, including the design, assembly, and testing of a 3-degree-of-freedom polishing system.
A topology optimization algorithm was created in Python, allowing the stiffness and operating range of the actuators and polishing head to be specified. To ensure accurate stiffness, the geometry was wire cut from a single ingot of material. Next, a triangular plate and bracket were fabricated to mount the transducers and polishing head.
To allow simultaneous axial (Z) and radial (XY) motion of the polishing head, two sinusoidal signals were added and biased from the controller to each of the 3 transducers. Hysteresis characteristics and displacement of the mechanism tip were measured with a confocal chromatic sensor. A smooth sinusoidal displacement of 4 μm/V was observed in the axial direction. For the radial direction, the displacement of 5 μm/V resembled a seesaw function, but that is sufficient as a baseline (improvement of the feedback loop will be investigated in the future). Notably, there is very little crosstalk between the axial and radial directions.
A nickel-plated flat sample was prepared by diamond turning and the initial surface roughness was measured to be 0.24 nm Ra. The cutting grooves were then polished by rotating the workpiece at 100 RPM for 5 minutes while feeding a 50 wt% concentration shear stress hardening slurry mixed with #30,000 alumina particles at a concentration of 40 g/L. The workpiece was polished under 1 DOF and 3 DOF conditions. In both cases, a material removal depth of approximately 10 nm was achieved. Consistent with results reported in previous literature, faint cutting lines still remain on the surface after 1-DoF polishing and dense pits are also noted, which significantly increase the surface roughness to 0.51 nm Ra. By comparison, after 3-DoF polishing the cut lines have been completely removed from the surface. Compared to the initial surface condition, there was no increase in surface pitting and the final surface roughness was 0.37 nm Ra.
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