陳 賀，陳曉懷

(合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009)

微納米測量機(jī)工作臺的結(jié)構(gòu)及性能分析*

陳 賀，陳曉懷

(合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009)

對微納米測量機(jī)新型工作臺進(jìn)行了結(jié)構(gòu)及靜、動態(tài)性能分析。比較了不同結(jié)構(gòu)的X、Y工作臺的靜態(tài)變形和剛度;對三維工作臺進(jìn)行了模態(tài)和諧響應(yīng)分析，得到振動頻率和振動位移。分析表明:合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠減小工作臺的變形量，增加工作臺的穩(wěn)定性;工作臺受驅(qū)動不會產(chǎn)生共振，動態(tài)性能滿足要求。

微納米測量機(jī);三維工作臺;性能分析;結(jié)構(gòu)變形

0 引言

由于精密加工技術(shù)的發(fā)展，尤其是半導(dǎo)體制造業(yè)、電子加工工業(yè)和材料工業(yè)的發(fā)展，對微納米級的測量要求愈來愈高［1-2］。研制微納米級的測量機(jī)在精密測量領(lǐng)域受到了重視。

微納米三維工作臺是微納米測量機(jī)的重要組成部分［3］，工作臺的靜態(tài)特性和動態(tài)特性對測量機(jī)的測量穩(wěn)定性、重復(fù)性和測量精度有重要影響。工作臺要求有較小的靜態(tài)變形保證重復(fù)測量的穩(wěn)定性;也要有較高的頻率，以抵抗外界的干擾，保證定位精度。通過對工作臺進(jìn)行靜動態(tài)仿真，了解工作臺的變形和振動頻率，并提出局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，使之滿足變形小和頻率適中的要求。

1 工作臺結(jié)構(gòu)介紹

三維工作臺由X臺、Y臺、Z臺三部分組成，為了最大程度的減小阿貝誤差，工作臺的設(shè)計(jì)采用了“三三一”的原則，即X臺的導(dǎo)向平面和Y臺的導(dǎo)向平面與測量平面三面共面;X、Y、Z向的測量激光束三線共點(diǎn)并與測量面重合;測頭中心位于三光束交點(diǎn)上，通過Z臺上下移動實(shí)現(xiàn)三面共面。為了減小工作臺的變形量，增加機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，工作臺采用了力平衡、熱平衡的對稱結(jié)構(gòu)［4］。

X臺的尺寸為200mm×200mm×20mm，Y臺的尺寸為300mm×200 mm×15mm，為了分析方便，在建模時簡化了對分析結(jié)果沒有影響的結(jié)構(gòu)。在有限元分析軟件ANSYS中，工作臺的建模如圖1。

圖1 工作臺的建模圖

2 工作臺靜態(tài)分析

靜態(tài)分析主要是應(yīng)變和剛度分析，由剛度定義知，剛度越大，變形量越小。通過分析不同結(jié)構(gòu)的變形，選擇合適剛度的結(jié)構(gòu)，減小工作臺的變形量。工作臺的材料選用AL7075，其彈性模量E=72GPa，泊松比 μ =0.3，密度 ρ=2700kg/m3。

X臺的自重和負(fù)載為4kg(Y和Z臺懸吊在X臺上)，分析X臺分別取不同結(jié)構(gòu)時的變形量，比較剛度的不同。兩種不同結(jié)構(gòu)的X臺模型如圖2。在不同的結(jié)構(gòu)上取相同的路徑，對路徑上點(diǎn)的變形量作比較。通過比較兩種結(jié)構(gòu)的位移變形等值線圖(圖3)和路徑變形量曲線(圖4)，可以得出X臺在只受重力的情況下，結(jié)構(gòu)X1的變形量和結(jié)構(gòu)X2變形量相差較小。當(dāng)再施加39.2N的載荷后，結(jié)構(gòu)X1的變形量比結(jié)構(gòu)X2的變形量大(圖5)，所以結(jié)構(gòu)X2的剛度大，承受同樣的力時變形量小。

圖2 不同結(jié)構(gòu)X臺建模圖

圖3 X臺結(jié)構(gòu)變形等值線圖

圖4 X臺自重路徑變形量曲線

采用與分析X臺同樣的方法，對比了3種結(jié)構(gòu)的Y臺的分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)Y2加了三角形加強(qiáng)筋，結(jié)構(gòu)Y3加了矩形加強(qiáng)筋。路徑變形量曲線和結(jié)構(gòu)圖如圖6、圖7所示，可以看出結(jié)構(gòu)Y3變形量最小，優(yōu)化結(jié)構(gòu)使工作臺的變形量減小了二分之一。

圖5 X臺負(fù)載時路徑變形量曲線

圖6 Y臺路徑變形量曲線

圖7 Y臺不同結(jié)構(gòu)建模

3 動態(tài)分析

動態(tài)性能反映工作臺對動態(tài)載荷的振動響應(yīng)，影響著測量的定位精度和穩(wěn)定性［5-6］。動態(tài)分析可以得到工作臺在不同頻率載荷作用下的振動位移。為了保證工作臺在納米電機(jī)的驅(qū)動下有穩(wěn)定的定位精度，工作臺需要有合適的固有頻率抵抗外界的干擾，同時要求工作臺固有頻率應(yīng)小于驅(qū)動頻率，避免產(chǎn)生共振。用ANSYS對工作臺進(jìn)行動態(tài)性能分析，得到結(jié)構(gòu)的振型、固有頻率和結(jié)構(gòu)在已知頻率載荷作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。表1比較了不加梁結(jié)構(gòu)工作臺和加梁結(jié)構(gòu)工作臺的6階模態(tài)和振型。

驅(qū)動器的最大工作頻率1500Hz，由表1知工作臺的固有頻率小于驅(qū)動器的最大工作頻率，工作臺受驅(qū)動不會產(chǎn)生共振。通過模態(tài)分析表得出加梁結(jié)構(gòu)工作臺的固有頻率低于不加梁結(jié)構(gòu)的工作臺，比較振型得出加梁結(jié)構(gòu)的工作臺5階時振動幅度較大，振型在3、4、6階時加梁結(jié)構(gòu)改變了Y、Z臺的振動，減小了振動幅度。

表1 工作臺模態(tài)分析表

為了觀察工作臺受不同頻率驅(qū)動時的響應(yīng)，比較了加梁和不加梁兩種結(jié)構(gòu)工作臺的Z臺中心點(diǎn)的響應(yīng)位移，取驅(qū)動頻率范圍為750Hz～1500Hz。圖8給出了兩種不同結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)在Z向的位移隨驅(qū)動頻率變化曲線。圖9為加梁工作臺在X、Y、Z三個方向的位移。

圖8 兩種結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在Z向的位移

由圖8知工作臺在Z向的振動位移隨驅(qū)動頻率的增加而減小，在低頻時加梁結(jié)構(gòu)的振動位移比不加梁的大，高頻時加梁結(jié)構(gòu)振動位移小于不加梁結(jié)構(gòu)。圖9得出在高頻時X、Y、Z三方向的振動位移都較小，選擇合適的驅(qū)動頻率時要綜合考慮三方向的振動位移對測量精度的影響。

圖9 加梁工作臺在X、Y、Z三個方向的位移

4 結(jié)束語

通過對工作臺的靜、動態(tài)分析，比較了不同結(jié)構(gòu)的力變形和動態(tài)性能。提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施。由于X臺的負(fù)載較大，應(yīng)采用合理的結(jié)構(gòu)和材料加工;Y臺應(yīng)采用矩形加強(qiáng)筋機(jī)構(gòu)，減小兩翼的變形量。對工作臺的動態(tài)分析表明，梁式結(jié)構(gòu)的工作臺高頻振幅較小，在工作頻率較高時可以減小結(jié)構(gòu)的變形量，且固有頻率適中，不會產(chǎn)生共振。

［1］馬立，榮偉彬，孫立寧.三維納米級微動工作臺的設(shè)計(jì)與分析［J］. 光學(xué)精密工程，2006，12-14(6):1017-1024.

［2］段智勇，王慶康.新型納米分辨率位移定位平移臺的研制［J］. 納米技術(shù)與精密工程，2005，9-3(3):177-180.

［3］張國雄.三坐標(biāo)測量機(jī)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，1999.

［4］王琦，陳曉懷，楊洪濤，等.納米三坐標(biāo)測量機(jī)的精度設(shè)計(jì)［J］. 工具技術(shù)，2006，40(7):71-73.

［5］Zhang Xin-yunWang Min，Zan Tao，Hu Jian-zhong.The static and dynamic analysis of high-speed electric spindle based on ANSYS［J］.2011 Second International Conference on Digital Manufacturing ＆ Automation，1332-1335.

［6］胡鵬浩，衛(wèi)兵，王繼臣，等.新型納米三坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，29(7):26-28.

The Structure and Performance Analysis of Macro-nano CMM Stage

CHEN He，CHEN Xiao-huai
(School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

Analysis the structure static and dynamic performance of a new macro-nano CMM stage.Compare static deformation and stiffness of different structure of X and Y stage;obtained vibration frequency and displacement by the modal and harmonic analysis on the 3D stage.The analysis shows that reasonable structure design can reduce deformation of the workbench，and can increase the stability of the workbench;the stage can not produce resonance，the dynamic performance meet the requirements.

macro-nano CMM;3D stage;performance analysis;structure deformation

TH121;TP273

A

1001-2265(2012)11-0032-03

2012-04-11

863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2008AA042409)

陳賀(1987—)，男，安徽碭山人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榫軆x器與機(jī)械，(E-mail)chenhehfut@163.com;陳曉懷(1954—)，女，合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代精度理論與應(yīng)用。

(編輯 李秀敏)