方 林 李 輝

（合肥芯碁微電子裝備股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

在現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)中，機(jī)械加工的水平和精度向著加工的極限快速發(fā)展［1］。精密定位技術(shù)是精密工程領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。隨著精密或超精密工程設(shè)備生產(chǎn)加工需求的增多［2］，精密工程設(shè)備對(duì)定位平臺(tái)的精度性能要求也越來越高。定位平臺(tái)精度的提升與定位系統(tǒng)周圍的環(huán)境有關(guān)，如振動(dòng)、溫度、濕度、氣流等［3］。張波等［4］指出了溫度變化引起光學(xué)組件及底座部分的熱膨脹是工作臺(tái)位置漂移的主要原因，提出了一個(gè)實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償校正公式。姜克狀等［5］提出了基于溫度精密測(cè)量的定位工作臺(tái)定位精度實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法。印制電路板（printed circuit board，PCB）曝光機(jī)對(duì)準(zhǔn)精度的影響因素很多，如曝光圖形平移、旋轉(zhuǎn)、熱膨脹等各種形式，基于自校準(zhǔn)技術(shù)，能較為精確地補(bǔ)償工件臺(tái)定位的誤差［6-7］。

精密定位平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式主要為直線電機(jī)，直線電機(jī)在驅(qū)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生熱量帶入環(huán)境中。為了降低直線電機(jī)熱量帶來的影響，降低直線電機(jī)運(yùn)行溫度，經(jīng)常使用3 種電機(jī)散熱系統(tǒng)，即風(fēng)冷、液冷和蒸發(fā)冷卻散熱系統(tǒng)［8］。本文使用強(qiáng)制風(fēng)冷裝置，利用風(fēng)機(jī)增強(qiáng)與周圍空氣的對(duì)流交換熱，與試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)比較相結(jié)合，研究定位平臺(tái)直線電機(jī)熱分布規(guī)律和溫度變化趨勢(shì)，測(cè)試定位平臺(tái)定位精度的變化規(guī)律，為定位平臺(tái)電機(jī)散熱方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考，對(duì)提升定位平臺(tái)定位精度的穩(wěn)定性有很大的應(yīng)用價(jià)值。

1 熱傳遞的基本方式

熱傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫度不同而引起的，根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱傳遞的基本方式有熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和輻射換熱3種［9］。

1.1 熱傳導(dǎo)

當(dāng)物體的內(nèi)部或兩個(gè)直接接觸的物體之間存在著溫度差異，物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)過程中傳遞的熱量按照傅里葉定律計(jì)算：

式中：A1為與熱量傳遞方向垂直的面積，m2；為溫度梯度，K/m；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K），表示該材料導(dǎo)熱能力的大小。導(dǎo)熱系數(shù)值越大，物質(zhì)的導(dǎo)熱性能越好。

1.2 對(duì)流換熱

對(duì)流換熱是指運(yùn)動(dòng)著的流體流經(jīng)溫度與之不同的固體表面時(shí)與固體表面之間發(fā)生的熱量交換過程。對(duì)流換熱是流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程，對(duì)流的同時(shí)必然伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。根據(jù)流動(dòng)起因的不同，對(duì)流換熱可以分為自然對(duì)流換熱和強(qiáng)制對(duì)流換熱兩類。對(duì)流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計(jì)算：

式中：A2為單位溫差作用下通過單位面積，m2；T4、T3分別為固體壁面與流體的溫度，℃；α為對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

對(duì)流換熱系數(shù)的大小與傳熱過程中的許多因素有關(guān)。不僅取決于物體的物性、換熱表面的形狀、大小和相對(duì)位置，而且與流體的流速有關(guān)。對(duì)流換熱系數(shù)越大，傳熱越劇烈。

1.3 輻射換熱

輻射是指通過電磁波傳遞能量的過程，熱輻射是指由于物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)發(fā)出電磁波的過程。兩個(gè)物體之間通過熱輻射傳遞熱量稱為輻射換熱。熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無需任何介質(zhì)。輻射熱量服從斯特藩-玻爾茲曼定律：

式中：Th為熱力學(xué)溫度，K；σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)（黑體輻射常數(shù)），5.67×10-8W/（m2·K4）；A3為輻射表面積，m2；ε為物體的發(fā)射率（黑度），其大小與物體的種類及表面狀態(tài)有關(guān)，與外界條件無關(guān)。

在工程中，通?？紤]兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱量。其之間的凈熱量傳遞可以用斯特藩-玻爾茲曼方程計(jì)算：

式中：ε1為該物體輻射率（黑度）；A4為輻射面1的面積；F12為由輻射面1 到輻射面2 的形狀系數(shù)；T5為輻射面1 的絕對(duì)溫度；T6為輻射面2 的絕對(duì)溫度。

2 定位精度熱影響因素分析

PCB 曝光機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的集成系統(tǒng)，其內(nèi)部包含多個(gè)子系統(tǒng)，定位運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是其關(guān)鍵的組件模塊。直線電機(jī)定子安裝在大理石底座上，運(yùn)動(dòng)座安裝在直線導(dǎo)軌上，直線電機(jī)為平臺(tái)提供驅(qū)動(dòng)力，直線電機(jī)動(dòng)子固定在運(yùn)動(dòng)座底面，載著運(yùn)動(dòng)座及其負(fù)載直線運(yùn)動(dòng)。讀數(shù)頭安裝在運(yùn)動(dòng)座下表面，與讀數(shù)頭有相對(duì)位置關(guān)系的光柵尺安裝在光柵安裝座上，光柵安裝座使用大理石材質(zhì)固定在大理石底座上，如圖1所示。

圖1 精密定位平臺(tái)

直線電機(jī)作為多物理場(chǎng)、強(qiáng)耦合的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其能量轉(zhuǎn)換效率并不是百分之百，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程中會(huì)損失一部分能量，這些損失的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能引起電機(jī)發(fā)熱。平臺(tái)定位精度的熱穩(wěn)定性受溫度的影響較大。平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過程中，電機(jī)將產(chǎn)生的熱量直接由運(yùn)動(dòng)座擴(kuò)散到空氣中，引起運(yùn)動(dòng)座熱膨脹。同時(shí)，電機(jī)傳遞的熱量也會(huì)影響光柵尺的溫度場(chǎng)，由于光柵尺的熱膨脹特性，光柵尺標(biāo)尺會(huì)熱脹冷縮，平臺(tái)的定位精度也會(huì)產(chǎn)生變化。平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度和加速度越大，電機(jī)的發(fā)熱量就越大，平臺(tái)的定位精度差異也會(huì)隨之增加。

直線電機(jī)動(dòng)子與運(yùn)動(dòng)座下表面完全貼合，增大導(dǎo)熱傳遞面積，運(yùn)動(dòng)座的材質(zhì)均采用鋁合金材料，鋁的導(dǎo)熱系數(shù)高，并且運(yùn)動(dòng)座表面陽(yáng)極氧化，增大運(yùn)動(dòng)座表面輻射散熱的黑度，提高輻射散熱效果。

常用的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)是自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷。自然風(fēng)冷不需要額外的動(dòng)力裝置，僅僅通過機(jī)殼與周圍空氣的自然對(duì)流進(jìn)行熱交換。強(qiáng)制風(fēng)冷通常利用風(fēng)機(jī)系統(tǒng)加強(qiáng)電機(jī)與外部空氣的熱交換，額外的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)提高了電機(jī)的散熱效率。在精密定位平臺(tái)增加一個(gè)強(qiáng)制風(fēng)冷裝置，利用風(fēng)機(jī)加強(qiáng)與外部空氣的熱交換，使外部空氣更快地進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部直接進(jìn)行熱交換，增加運(yùn)動(dòng)座的對(duì)流換熱系數(shù)，達(dá)到快速冷卻電機(jī)的目的。

3 試驗(yàn)測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

本次測(cè)試定位運(yùn)動(dòng)平臺(tái)兩種運(yùn)動(dòng)座設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使用PCB 曝光機(jī)上集成的電荷耦合器件（charge coupled device，CCD）測(cè)量裝置，抓取真空吸附帶有圖像標(biāo)記點(diǎn)的標(biāo)定板，且標(biāo)記點(diǎn)為等間距布置。依據(jù)圖像匹配原理，使用CCD 測(cè)量裝置抓取標(biāo)定板上的標(biāo)記點(diǎn)，測(cè)試平臺(tái)的位置坐標(biāo)。

CCD 測(cè)量裝置循環(huán)抓取標(biāo)定板上的4 個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)重復(fù)測(cè)試約4.5 h，測(cè)量尺寸分別為500 mm×400 mm，如圖2所示。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)前后，分別測(cè)試平臺(tái)位置的定位精度變化，并使用PT100 熱電阻溫度傳感器，分別布置在直線電機(jī)動(dòng)子、運(yùn)動(dòng)座上表面、讀數(shù)頭及光柵尺位置，如圖3所示。

圖2 標(biāo)定板上的標(biāo)記點(diǎn)

圖3 溫度傳感器測(cè)量位置分布

3.2 溫度變化分析

運(yùn)動(dòng)座不同位置的溫度變化如圖4 所示。由圖4（a）可知，在4.5 h 的測(cè)試過程中，電機(jī)動(dòng)子、運(yùn)動(dòng)座上表面、讀數(shù)頭及光柵尺溫度的最大變化依次為7.9 K、3.4 K、5.2 K及1.9 K。2 h前溫度變化較快，隨后溫度遞增的趨勢(shì)逐漸放緩。由圖4（b）可知，開啟風(fēng)冷后，電機(jī)動(dòng)子、運(yùn)動(dòng)座上表面、讀數(shù)頭及光柵尺溫度的最大變化依次為4.1 K、1.2 K、2.4 K 及0.6 K，溫度變化值分別為關(guān)閉風(fēng)冷時(shí)的52%、35%、46%及32%。開啟風(fēng)冷后，1 h 后溫度遞增的趨勢(shì)逐漸放緩，縮短了熱穩(wěn)定時(shí)間。直線電機(jī)在工作運(yùn)行過程中，電機(jī)內(nèi)部熱量由運(yùn)動(dòng)座開始傳導(dǎo)，逐漸傳遞到讀數(shù)頭和光柵尺安裝位置的溫度場(chǎng)。

圖4 運(yùn)動(dòng)座不同位置的溫度變化

3.3 定位精度變化分析

平臺(tái)定位精度變化情況如圖5 所示。關(guān)閉強(qiáng)制風(fēng)冷裝置后，平臺(tái)定位精度變化了15.6 μm，開啟強(qiáng)制風(fēng)冷裝置后，平臺(tái)定位精度變化了4.9 μm。在直線電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中，定位精度的變化趨勢(shì)與溫度變化趨勢(shì)一致，存在一個(gè)線性漲縮。開啟風(fēng)冷裝置后，平臺(tái)定位精度變化值降低了69%。

圖5 平臺(tái)定位精度變化

4 結(jié)語(yǔ)

精密定位平臺(tái)使用強(qiáng)制風(fēng)冷裝置，運(yùn)動(dòng)座增加了對(duì)流換熱的效果，直線電機(jī)動(dòng)子的溫度變化下降了48%，光柵尺位置溫度變化最大值為0.6 K，接近設(shè)備環(huán)境溫度，平臺(tái)定位精度變化值降低了69%。強(qiáng)制風(fēng)冷裝置可以提升直線電機(jī)的散熱效果，減少電機(jī)發(fā)熱對(duì)定位平臺(tái)定位精度的影響，提高了精密定位平臺(tái)的穩(wěn)定性。