第3期組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)No. 32011年3月Modular Machine Tool Automatic Manufacturing TechniqueMar. 2011文章編號(hào):1001-22652011)03-0001-03六自由度微動(dòng)臺(tái)熱特性分析與散熱設(shè)計(jì)李廣12,張鳴,朱煜',段廣洪', Masayoshi Tomizuka2(1.清華大學(xué)特密儀器與機(jī)械學(xué)系摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084;2.加州大學(xué)伯克利分校加利福尼亞州,美國(guó)CA94720)摘要:溫升是引起微動(dòng)臺(tái)精度和環(huán)境變化的重要因素,從熱特性分析著手進(jìn)行微動(dòng)臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高微動(dòng)臺(tái)性能的一條重要途徑。論文提出了一種新型納米精度六自由度微動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)給出了微動(dòng)臺(tái)的發(fā)熱熱源、定子線圈等效導(dǎo)熱系數(shù)和自然對(duì)流及強(qiáng)制水冷條件下表面散熱系數(shù),建立了微動(dòng)臺(tái)三維溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)熱傳導(dǎo)理論,完成了微動(dòng)臺(tái)定子線圈穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的理論計(jì)算,并采用數(shù)值方法計(jì)算了微動(dòng)臺(tái)在自然對(duì)流和強(qiáng)制水冷條件下的三維溫度場(chǎng)分布。根據(jù)計(jì)算和分析結(jié)果,完成了微動(dòng)臺(tái)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。結(jié)果表明,采用強(qiáng)制水冷后,微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子溫升不超過1℃,滿足微動(dòng)臺(tái)工程設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞:微動(dòng)臺(tái);熱分析;散熱設(shè)計(jì);光刻機(jī)中圖分類號(hào):TH128文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ASix DOF Microstage Thermal Analysis and Cooler DesignLI Guang", ZHANG Ming, ZHU Yu, DUAN Guanghong, Masayoshi Tomizuka'(1. The State Key Laboratory of Tribology, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. MechanicalEngineering Department, University of California Berkeley, CA 94720, USAAbstract: The rising temperature is a significant factor to influence the microstate precision and environment. There is an important way to improve the microstage performance, which is derived from thermal analy sis to achieve the microstage optimization design. This paper presents a new type of 6-degree-of-free-dom nanometer precision microstage structure. The microstage heat source was given, and the effectivethermal conductivity of the stator coil, the water and natural conditions convection heat coefficient of theurface was calculated Furthermore, the microstage mathematical model of three-dimensional temperaturefield was established. According to the heat transfer theory, the microstage stator coil temperature fieletheory calculation was completed. Calculated by the numerical method, the microstage three-dimensionaltemperature distribution in the natural convection and water cooling conditions was obtained. According tothe calculation and analysis, a novel powerful cooler is designed. The results show that after the watercooled, the microstage mover temperature rises less than 1C. The precision request was satisfiedKey words: microstage; thermal analysis; cooler design; lithography0引言個(gè)高精度六自由度微動(dòng)臺(tái),該微動(dòng)臺(tái)在水平方向的自由度用于工件臺(tái)精度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償;豎直方向自由度高精度的微動(dòng)臺(tái)承擔(dān)了實(shí)現(xiàn)納米級(jí)定位和加工用于調(diào)平調(diào)焦。的任務(wù)。微動(dòng)臺(tái)一般是指行程在毫米尺寸、精度從熱特性分析著手進(jìn)行微動(dòng)臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高達(dá)到1~100納米的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。在光刻機(jī)中,包含微動(dòng)臺(tái)性能的一條重要途徑。溫升會(huì)限制線圈電收稿日期:2010-12-09中國(guó)煤化工基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劉:20008724205);國(guó)家高技作者簡(jiǎn)介:李廣(1982-)男,江兩南呂人,清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系博土CNMHG博土生,主要研究方向?yàn)槌芪?dòng)臺(tái)設(shè)計(jì),(E-mil) guang-0@ mails. tsinghua.mdu,cn;通訊作者:朱煜(1965-),男,江蘇興化人清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系教授博上,博上研究生導(dǎo)師研究方向?yàn)榫軠y(cè)量與控制理論超精密機(jī)械設(shè)計(jì)與制造電子制造工藝及其裝備等,(E-mail)zhuyu( tsinghua. edu. cno組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)第3期流大小,從而降低電機(jī)推力;會(huì)導(dǎo)致環(huán)境變化從而影度升高。在本文設(shè)計(jì)的微動(dòng)臺(tái)中,熱源主要來自響激光干涉儀測(cè)量精度;還會(huì)引起熱變形及電參數(shù)于繞組損耗,其大小與電流平方和電阻成正比。根變化從而影響微動(dòng)臺(tái)性能的穩(wěn)定等。據(jù)微動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)要求,單個(gè)繞組線圈通電電流大小為11微動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)模型安培;經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,單個(gè)線圈電阻為11歐姆,因此,單個(gè)線圈繞組損耗:P=PR=11W。微動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示,它由十字支架和四個(gè)熱特性計(jì)算有解析方法和數(shù)值方法。解析法物兩自由度致動(dòng)器組成。每個(gè)兩自由度致動(dòng)器包括沿理概念和數(shù)學(xué)推理嚴(yán)密,可以清楚看出哪些是影響豎直方向極化的永磁體、水平力線圈和豎直力線圈溫度場(chǎng)的主要因素和各因素之間的相互關(guān)系。數(shù)值永磁體固定于十字支架的末端水平力線圈和豎直法以數(shù)值計(jì)算代替數(shù)學(xué)推導(dǎo),其所得到的結(jié)果是一力線圜分別置于永磁體的側(cè)面和下面,并與水磁體序列離散化的溫度值。保持間隙。十字支架和四塊永磁體組成微動(dòng)臺(tái)的動(dòng)子。水平力線圈和豎直力線圈分別由骨架固定,組2.1熱特性解析計(jì)算成微動(dòng)臺(tái)的定子。微動(dòng)臺(tái)的定子固定在微動(dòng)臺(tái)的基熱傳導(dǎo)微分方程是建立在熱傳導(dǎo)定律和能量守座上。恒原理的基礎(chǔ)上的,其表達(dá)式如下:式中:A—導(dǎo)熱系數(shù),W/(mK),假設(shè)為各向異性;溫度,K線圈繞組損耗,Wc——比熱容,J/(KgK);溫升計(jì)算對(duì)象的密度kg/m3;時(shí)間如果只對(duì)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)感興趣,此時(shí)式中的右邊定子2動(dòng)子3基座5.永磁體6水平力線圈7豎直力線圈7=0,如果又是各向同性,則上式變成:8線圈骨架9.十字支架10.激光干涉儀反射鏡圖1六自由度微動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)AV"T+P=0兩自由度致動(dòng)器工作原理如圖2所示。永磁式中,V2為拉普拉斯算子。如果要定解,必須給出體沿豎直方向極化,產(chǎn)生穿過水平線圈和豎直線圈空間上的邊界條件和時(shí)間上的初始條件。該微動(dòng)臺(tái)磁場(chǎng)。根據(jù)洛侖茲原理,將產(chǎn)生洛侖茲力,且磁感涉及對(duì)流換熱邊界條件,當(dāng)邊界溫度高于環(huán)境溫度應(yīng)強(qiáng)度、線圈電流和洛侖茲力方向相互垂直。水平或換熱流體溫度時(shí),微動(dòng)臺(tái)散發(fā)熱量。時(shí)間條件給線圈產(chǎn)生圖中電磁力F1和F2,二者合成為一個(gè)水定某一時(shí)刻微動(dòng)臺(tái)內(nèi)的溫度分布,該微動(dòng)臺(tái)的初始平方向驅(qū)動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)在水平方向運(yùn)動(dòng);豎直條件為初始溫度分布均勻線圈產(chǎn)生圖中電磁力F3和F4,二者合成為一個(gè)豎將繞組損耗P和材料導(dǎo)熱參數(shù)A(空氣為直方向支承力,驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)在豎直方向運(yùn)動(dòng)。通過0.023W/(mK),鋁為203.5W/(mK))代入公式改變四個(gè)致動(dòng)器中線圈電流方向,可以實(shí)現(xiàn)微動(dòng)臺(tái)(2),并經(jīng)過簡(jiǎn)化計(jì)算,在環(huán)境溫度為20℃,空氣自然動(dòng)子的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)流條件下,微動(dòng)臺(tái)線圈穩(wěn)態(tài)的平均溫度T達(dá)到524℃;在強(qiáng)制水冷條件下(采用常溫水冷),微動(dòng)臺(tái)線圈穩(wěn)態(tài)的平均溫度T為20.7℃。2.2溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算圖2致動(dòng)器工作原理為了提高效率,選擇一組驅(qū)動(dòng)單元作為研究采用兩個(gè)上述六自由度微動(dòng)臺(tái),加上X-y布置對(duì)象。在自然散熱條件下,微動(dòng)臺(tái)穩(wěn)態(tài)發(fā)熱及溫兩自由度大行程直線電機(jī),可以構(gòu)成光刻機(jī)雙硅片度分布情況如圖3所示。最高溫度為52℃,出現(xiàn)臺(tái)定位系統(tǒng)在繞中國(guó)煤化工采用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的微動(dòng)臺(tái)熱特性分析CNMHG圓溫度上升速度H,不用J守性能較好且質(zhì)量微動(dòng)臺(tái)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),在能量轉(zhuǎn)換較輕的純鋁。過程中不可避免的要產(chǎn)生損耗,使微動(dòng)臺(tái)各部分溫受空氣熱輻射的影響,永磁體最高溫度達(dá)到2011年3月李廣,等:六自由度微動(dòng)臺(tái)熱特性分析與散熱設(shè)計(jì)36℃,出現(xiàn)在散熱條件最差的永磁體中間靠近線圈3.2采用水冷后溫度場(chǎng)計(jì)算部位,如圖4所示。永磁體溫度分布比較均勻,整體應(yīng)用 ANSYS計(jì)算,強(qiáng)制水冷散熱后,微動(dòng)臺(tái)溫溫差不超過1℃,有利于減小永磁體的熱變形。但溫度分布情況如圖6所示。豎直線圈考慮到直接與基升較大,將嚴(yán)重降低釹鐵硼磁場(chǎng)強(qiáng)度并影響微動(dòng)臺(tái)座接觸,在設(shè)計(jì)時(shí)沒有采用水冷,所以溫度較高,達(dá)工作性能的穩(wěn)定。到27.4℃。水平線圈溫升不超過1℃,滿足微動(dòng)臺(tái)環(huán)境要求及總體設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖3定子線圈溫度分布七E圖6采用水冷后微動(dòng)臺(tái)溫度分布微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子最高溫度為20.9℃,出現(xiàn)在永磁體釹鐵硼上。溫升不超過1℃,顯示冷卻系統(tǒng)起到了較好的散熱效果。計(jì)算結(jié)果表明,豎直線圈必須安裝水冷強(qiáng)制散熱系統(tǒng)才能達(dá)到溫升不超過1℃的設(shè)計(jì)目標(biāo)。為了圖4動(dòng)子永磁體溫度分布不影響磁場(chǎng)強(qiáng)度,可以考慮安裝在豎直線圈底部。3散熱設(shè)計(jì)4實(shí)驗(yàn)研究3.1水冷散熱結(jié)構(gòu)使用熱像儀測(cè)量線圈溫度變化。線圈表面發(fā)射為了控制微動(dòng)臺(tái)的溫升,主要從減小損耗和改率設(shè)為0.95,周圍環(huán)境發(fā)射率為0.98,環(huán)境溫度為進(jìn)冷卻方式兩方面入手。從分析結(jié)果可知,微動(dòng)臺(tái)18℃。在電流為1安培時(shí),達(dá)到穩(wěn)定后線圈溫度分線圈最高溫度達(dá)到52℃,將影響微動(dòng)臺(tái)工作環(huán)境和布情況和線圈溫度上升情況分別如圖7和圖8所示。精度。因此只靠自然冷卻方式是不夠的,必須采取線圈溫度在15分鐘后基本達(dá)到穩(wěn)定,其中線圈外側(cè)強(qiáng)制冷卻措施。微動(dòng)臺(tái)具有結(jié)構(gòu)特殊性,其冷卻系最高溫度達(dá)到55℃,溫度上升曲線如圖9中Sp3所統(tǒng)設(shè)計(jì)必須滿足體積小,質(zhì)量輕,剛度高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單示線圈內(nèi)側(cè)最高溫度達(dá)到42℃,溫度上升曲線如圖的設(shè)計(jì)原則。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,該微動(dòng)臺(tái)需要9中Sp4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用導(dǎo)熱性良好的線冷卻的部位是定子線圈。圈骨架材料能夠明顯降低線圈溫升,線圈內(nèi)外存在根據(jù)以上要求,設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所溫差也說明采用平均溫升的概念計(jì)算線圈溫升具有示,該散熱系統(tǒng)進(jìn)出水路交錯(cuò)布置,從而使溫度分布定的誤差。均勻;散熱器緊貼被冷卻對(duì)象,冷卻面積大,效果好散熱系統(tǒng)直接放置在線圈上,安裝方便2。進(jìn)水中國(guó)煤化工CNMHG圖7線圈溫度分布圖5微動(dòng)臺(tái)散熱系統(tǒng)(下轉(zhuǎn)第7頁(yè))2011年3月楊,等:車銑復(fù)合加工中心電主軸的穩(wěn)定性分析和實(shí)驗(yàn)研究7速范圍是安全的。軸承組的支承作用,這種簡(jiǎn)化方式應(yīng)用于電主軸的模態(tài)理論分析中能獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。通過對(duì)主軸的穩(wěn)定性分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,表明設(shè)計(jì)的主軸系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速在安全范圍內(nèi),滿足工作要求[參考文獻(xiàn)][1] 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