基于ABAQUS的計(jì)量長光柵精密光刻復(fù)制機(jī)研究

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(duì)光柵尺擺放平臺(tái)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(huì)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(hào)長光柵精密光刻復(fù)制機(jī)為研究對(duì)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(duì)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(tái)平面的均一性。

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

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

0引言

現(xiàn)有計(jì)量長光柵精密光刻復(fù)制機(jī)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(tái)、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(yùn)動(dòng)，下表面裝有滾動(dòng)軸承來完成與底座軌道的接觸，光刻復(fù)制機(jī)工作時(shí)，不僅受到靜態(tài)力的作用，同時(shí)還受到由于光源座滑移以及電機(jī)啟停而導(dǎo)致的大小及方向不斷變化的動(dòng)態(tài)力作用，裝夾光柵尺的加工座以及與之連接的支架會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形及振動(dòng)。因此，有必要對(duì)支架結(jié)構(gòu)形式及位置布局進(jìn)行系統(tǒng)研究，這對(duì)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(duì)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(shí)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(dú)分析支架和加工座組成的裝配體。光刻復(fù)制機(jī)加工座總長為3384mm，高度為100mm，左右對(duì)稱布置，每邊分為兩節(jié)，每節(jié)長度為1682mm，每個(gè)支架寬度為103mm，支撐高度為300mm，單邊支架個(gè)數(shù)為5，平均布置。

由于實(shí)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(duì)計(jì)算精度的影響可以忽略。因此，本文對(duì)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(duì)于該模型，網(wǎng)格化分可采用分割實(shí)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(huì)產(chǎn)生剪切自鎖且可以克服“沙漏問題”，故采用C3D8R實(shí)體單元，網(wǎng)格劃分后得到總結(jié)點(diǎn)數(shù)為77874，共有43364個(gè)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(duì)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(shí)，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(dòng)添加它們的自身重力。設(shè)置完成后，提交分析計(jì)算[3]。

計(jì)算結(jié)束后，通過后處理模塊分析計(jì)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(diǎn)上，向內(nèi)產(chǎn)生塌陷變形，綜合位移幅值云圖如圖3所示。可知加工座上表面最大位移幅值為1.192e-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(duì)稱分布，為了直觀觀察其整個(gè)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(diǎn)編號(hào)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(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)和光源散熱風(fēng)扇工作產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)加工座有直接或間接的影響，因此，有必要了解被分析對(duì)象的模態(tài)，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，以模態(tài)分析所得到的固有頻率及振動(dòng)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?yàn)槟B(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(dòng)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(duì)象的前10階固有頻率，其頻率值如表1所示。從振動(dòng)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(jī)的加工作表面呈現(xiàn)出位移分布集中的情況，其主要是因?yàn)榭拷胁康募庸ぷ鄙僦?，而光刻?fù)制過程對(duì)承載面的平整度要求較高，所以在每相鄰兩個(gè)支架的中間添加支架，意在減少位移幅值的同時(shí)改善其平面的平整度。添加的支架與之前所用相同，添加個(gè)數(shù)為8。添加后結(jié)構(gòu)如圖6b所示。

對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)形態(tài)如圖9所示。

5 結(jié)語

本文針對(duì)某型號(hào)光柵尺精密光刻復(fù)制機(jī)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(dòng)形態(tài)等，得出結(jié)構(gòu)的薄弱之處，以此為依據(jù)，對(duì)支架結(jié)構(gòu)及布局進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(jī)的穩(wěn)定性得到顯著提高。在添加壓緊機(jī)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(duì)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(duì)加工精度的影響，通過改進(jìn)光源座的運(yùn)動(dòng)方式和采用水冷的冷卻方法來降低由于相對(duì)滑動(dòng)和風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)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(xiàng)目：貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目《施肥機(jī)械智能控制模塊與電機(jī)技術(shù)研究》黔科合支撐[2019]2024號(hào)。

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。