孫棟 張萍 楊旭東 尹宏

摘? 要：由于光刻復(fù)制屬于精密加工，故在工作狀態(tài)下其對光柵尺擺放平臺的平整度具有較高要求。在自重和壓緊力作用下，結(jié)構(gòu)會發(fā)生自變形，從而影響加工精度。本文以某公司生產(chǎn)的某型號長光柵精密光刻復(fù)制機為研究對象，采用數(shù)值模擬方法將SolidWork軟件建立的三維模型，導(dǎo)入ABAQUS有限元分析軟件，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力與模態(tài)分析，在數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，從而提升整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、以及擺放平臺平面的均一性。

關(guān)鍵詞：長光柵光刻復(fù)制機;ABAQUS軟件;靜力分析;模態(tài)分析

中圖分類號：TH74? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）02-0000-00

0引言

現(xiàn)有計量長光柵精密光刻復(fù)制機主要由底座，支架以及放置母光柵及子光柵的加工座組成，用SolidWork軟件建立其三維模型如圖1所示。圖中1為橡膠壓板、2為工作臺、3為支架、4為曝光燈、5為底座。

曝光燈在底座的上表面的軌道上通過鋼絲的牽引做往復(fù)滑移運動，下表面裝有滾動軸承來完成與底座軌道的接觸，光刻復(fù)制機工作時，不僅受到靜態(tài)力的作用，同時還受到由于光源座滑移以及電機啟停而導(dǎo)致的大小及方向不斷變化的動態(tài)力作用，裝夾光柵尺的加工座以及與之連接的支架會產(chǎn)生不同程度的變形及振動。因此，有必要對支架結(jié)構(gòu)形式及位置布局進(jìn)行系統(tǒng)研究，這對提高光刻復(fù)制精度具有重要意義[1]。

1 建立有限元模型建立

在結(jié)構(gòu)上對于光柵加工精度的影響因素主要是為加工座上表面的平整度，由于底座材料為HT250，其在實際工作中與地面通過預(yù)埋螺栓固定，因此變形和位移量小，故在本文中忽略1、4、5結(jié)構(gòu)，單獨分析支架和加工座組成的裝配體。光刻復(fù)制機加工座總長為3384mm，高度為100mm，左右對稱布置，每邊分為兩節(jié)，每節(jié)長度為1682mm，每個支架寬度為103mm，支撐高度為300mm，單邊支架個數(shù)為5，平均布置。

由于實體結(jié)構(gòu)存在較多的尖角、倒角等微小結(jié)構(gòu)，但這些結(jié)構(gòu)對計算精度的影響可以忽略。因此，本文對三維模型進(jìn)行簡化[2]。

將簡化后的裝配模型導(dǎo)入ABAQUS軟件，定義加工座材料為HT250，材料的密度為7280kg/m3，彈性模量值為1.38x105MPa，泊松比為0.156，定義支架材料為45鋼，材料密度值設(shè)置為7890kg/m3，彈性模量設(shè)置為2.09x105MPa，泊松比設(shè)置為0.269。給模型賦予材料參數(shù)后，建立模型邊界條件。即完成定義支架、加工座等零部件各接觸面之間的相互連接及作用接觸關(guān)系。支架與底座的接觸面設(shè)為固定，支架與加工座下表面通過螺栓連接。對于該模型，網(wǎng)格化分可采用分割實體再掃略的劃分方式得到質(zhì)量較好的六面體網(wǎng)絡(luò)，考慮其變形量較小不會產(chǎn)生剪切自鎖且可以克服“沙漏問題”，故采用C3D8R實體單元，網(wǎng)格劃分后得到總結(jié)點數(shù)為77874，共有43364個單元，有限元模型如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)靜力分析

支架是上端加工座的承載固定件，與加工座組成簡支梁，由于重力梁臂對支架產(chǎn)生力矩作用，而且加工座與支架采用螺紋連接，所以，支架與加工座組成的裝配體在靜力狀態(tài)下所產(chǎn)生的變形是自身重力與零部件之間的接觸力綜合作用的結(jié)果。

加工座上表面的綜合變形情況分析：首先，把分析步設(shè)置為一般靜力學(xué)分析步（general：static）。施加載荷時，前述已經(jīng)定義了支架及加工座的材料密度，只需定義重力加速度，即可自動添加它們的自身重力。設(shè)置完成后，提交分析計算[3]。

計算結(jié)束后，通過后處理模塊分析計算結(jié)果。加工座由于自重且支架的支撐中心并不位于其重心的投影點上，向內(nèi)產(chǎn)生塌陷變形，綜合位移幅值云圖如圖3所示?？芍庸ぷ媳砻孀畲笪灰品禐?.192e-002mm，其中沿重力方向位移為5.925e-003mm。

分析結(jié)果表明：其位移最大位置位于加工座上表面最內(nèi)側(cè)的邊線處，并且成對稱分布，為了直觀觀察其整個上表面位移變化趨勢，做其中一條沿邊線的位移變化曲線。邊線選擇如圖4a，節(jié)點編號如圖4b，導(dǎo)出位移曲線圖如圖4c，其中縱坐標(biāo)為位移幅值，橫坐標(biāo)為沿邊線方向的距離。

3 模態(tài)分析

工作狀態(tài)下光源座與導(dǎo)軌相對滑動產(chǎn)生的振動以及驅(qū)動電機和光源散熱風(fēng)扇工作產(chǎn)生的振動對加工座有直接或間接的影響，因此，有必要了解被分析對象的模態(tài)，在設(shè)計結(jié)構(gòu)時，以模態(tài)分析所得到的固有頻率及振動形態(tài)為依據(jù)，采取有效措施，避免固有頻率與工作頻率太過接近等情況的出現(xiàn)[4]。

因為模態(tài)取決于結(jié)構(gòu)的材料、形狀及邊界約束條件等，因此，把分析步設(shè)置為線性攝動步（liner perturbation）中的提取分析步（frequency extraction），無需施加載荷，其余設(shè)置與靜力分析類似。

在后處理模塊中，提取出被分析對象的前10階固有頻率，其頻率值如表1所示。從振動形態(tài)來看，主要表現(xiàn)為加工座中部的波浪形變形，一階振型如圖5所示。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由以上分析可知，僅在重力作用下光刻復(fù)制機的加工作表面呈現(xiàn)出位移分布集中的情況，其主要是因為靠近中部的加工座缺少支撐，而光刻復(fù)制過程對承載面的平整度要求較高，所以在每相鄰兩個支架的中間添加支架，意在減少位移幅值的同時改善其平面的平整度。添加的支架與之前所用相同，添加個數(shù)為8。添加后結(jié)構(gòu)如圖6b所示。

對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，加工座上表面位移最大幅值為4.949e-003mm，沿重力方向最大位移為2.184e-003mm，改進(jìn)后位移分布云圖如圖7所示，沿改進(jìn)前同一條邊線路徑的位移幅值曲線與改進(jìn)前對比如圖8，其中下方曲線為改進(jìn)后位移幅值分布曲線。相對原有結(jié)構(gòu)可知其具有明顯的提升，而且表面整體的平整度也有較為明顯的提高。

對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)不同階數(shù)下的固有頻率都得到不同程度提高，其中，一階固有頻率從之前的87.996Hz提高到優(yōu)化后的124.14Hz，提升百分比為38.8%。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)前10階固有頻率數(shù)值如表2所示，一階振動形態(tài)如圖9所示。

5 結(jié)語

本文針對某型號光柵尺精密光刻復(fù)制機進(jìn)行靜力及模態(tài)分析，通過分析位移數(shù)據(jù)、固有頻率以及振動形態(tài)等，得出結(jié)構(gòu)的薄弱之處，以此為依據(jù)，對支架結(jié)構(gòu)及布局進(jìn)行有針對性的優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后的仿真數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過優(yōu)化，加工座上裝夾光柵尺的承載面的最大位移量比初始結(jié)構(gòu)降低了58.5%，整體結(jié)構(gòu)的一階固有頻率提高了34.144Hz，加工承載面平整度以及整機的穩(wěn)定性得到顯著提高。在添加壓緊機構(gòu)后整體表面的均一性基本沒有發(fā)生改變[5]。

在提高光柵光刻復(fù)制精度方面，除了改進(jìn)結(jié)構(gòu)，還需要對光刻加工中光源的選擇以及光路的布置進(jìn)行熱分析研究，降低由于光刻過程中光線溫度改變所造成的工件熱變形對加工精度的影響，通過改進(jìn)光源座的運動方式和采用水冷的冷卻方法來降低由于相對滑動和風(fēng)扇電機轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的震動對工件加工精度的影響[6]。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2019-12-21

基金項目：貴州省科技計劃項目《施肥機械智能控制模塊與電機技術(shù)研究》黔科合支撐[2019]2024號。

作者簡介：孫棟（1985—），男，山西朔州人，碩士，講師，研究方向：現(xiàn)代制造工藝及裝備。