基于ABQUAS的高加速高精度定位气浮平台有限元分析

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随着芯片的集成度不断提高，芯片引线间距 日益减小以及对生产效率的不断提高，对下-代封装设备中定位平台提出了新的要求：加速度达到(12～15)g，定位误差小于 1bLm，工作频率为(20～40)Hz”。这些指标已经超过当前设备所带平台的加速度和定位精度的物理极限，必须研究设计-种全新的定位平台以及相应的位置伺服控制系统。

摩擦力在提高速度、加速度和工作频率中所产生的影响越来越显著∮触式导轨在高速高加速的情况下，产生的摩擦力不仅限制加速度的提高，影响工作效率，而且导致平台产生热变形，降低定位精度 ，此外运动构件的接触会传导平台的振动。气竿磁悬浮等无摩擦技术口啵广泛用于降低摩擦力的时变性 、非线性及其它-些不确定性所带来的不利影响。磁悬浮轴承制造成本较高，而且是非线性局部稳定系统，悬浮磁惩线性驱动磁场问易发生相互影响。气浮导轨不仅没有上述缺点，还具有结构简单、质量轻便和设计灵活等优点。

机构形式上，串联机构中-轴带动另-轴整体运动，导致机构系统惯性量大，结构刚度低，传动链中的摩擦、间隙、回差等误差源容易引起机械谐振，使动态响应变慢。并联机构虽然存在高刚度，承载高的特点 ，但分析与综合不完善，还有很多问题没解决。所以采用广义并联机构，相对于串联机构，具有高刚度和承载高，动态响应好的特点，相对于并联机构，则有分析比较简单，定位精度较高等特点。

驱动形式上，传统的滚珠丝杠副南于存在丝杠螺母等中间转换环节 ，传动中不可避免地存在运动间隙，并且运动惯量和摩擦大，影响了系统运动的快速性和高速运行的平稳性，限制了精度 、速度和加速度地提高。直线电机是-种直接将电能转化为直线运动机械能，而无需任何转化机构的传动装置。与旋转电机-滚珠丝杠”方式相比，其优点是无机械连接，摩擦力小，结构简单 ，体积小，调速范围宽，动态性能好，维护简单等3I。

鉴于串并联机构优缺点及直线电机直接驱动的优势，为了消除摩擦力的不利影响，设计了由直线电机直接驱动的广义并联气浮定位平台。设计中，为达到高加速度，必须在保证整体强度的来稿日期：2012-06-04作者简介：钟 黔，(1988-)，男，浙江人 ，在读硕士研究生，主要研究方向：微电子封装设备；洪荣晶，(1963-)，男，江苏人，教授，硕士生导师，主要研究方向：数控理论及应用和数字化制造技术138 钟 黔等：基于ABQUAS的高加速高精度定位气浮平台有限元分析 第4期前提下，尽量减小移动部件的质量；同时，为保证气浮面不发生碰撞，气浮面在重力下的变形应小于0.1txm，工作时变形小于 31xm。

同时考虑结构的固有频率，以免电机的高频往复驱动激起结构共振，导致平台性能降低，甚至不能正常工作。通过三维软件 PROE进行参数化建模，通过有限元软件 ABAQUS进行静力学与动力学分析，根据分析结果对气浮平台进行修改，保证平台结构强度满足设计要求I冈4度达到600Hz的前提下，运动部件达到最校2气浮定位平台机械结构气浮定位平台由底座、 轴基座、y轴基座、 轴导向导轨、y轴导向导轨、 轴滑台、Y轴滑台、工作平台、驱动连杆、 方向直线电机、y方向直线电机和限位块等组成。 方向直线电机通过 轴滑台驱动工作平台沿 方向运动，y方向直线电机通过y轴滑台及驱动连杆驱动工作平台沿l，方向运动。电机定子固定在基座上，以减小运动部件的质量。为方便加工，将导轨与基座分开加工，装配时通过螺栓将 轴导轨、l，轴导轨固定在相应基座上。Y轴基座和导轨与 y轴滑台、 轴基座和导轨与 轴滑台、驱动杆与工作平台、 轴滑台与工作平台间均用气浮导轨支撑，使整个结构运动时无摩擦/极低摩擦，同时也对 、y方向的运动进行解耦，构成了广义并联机构〖虑到加工成本与难易程度，气浮导轨采用简单孔氏节流器 。设计过程中，利用三维建模软件 Pro/E构造零件的三维模型，通过对三维零部件结构特征的修改，使机构的空间布局合理，以满足装配、制造等方面的要求。平台结构，如图 1所示。

座图 1气浮平台结构形式Fig.1 Structure Styles of Air Bearing Stage3气浮定位平台结构有限元建模气浮平台机械结构设计完之后需要对其进行有限元分析验证 ：(1)静力学分析中，验证各独立部件的气浮面在重力下的变形应小于0.1 lxm，工作时变形小于3I.a，mpl。验证各部件的整体变形在工作时变形小于 51xm。

(2)动力学分析中，要求各部件要达到高刚度的要求 ，设计的平台工作频率在30Hz左右，则验证各个独立部件的固有频率不低于600Hz。

由于气浮平台受到多个力共同作用，构建结构复杂，因此采用有限元分析软件ABAQUS对平台进行结构分析。相互运动的各构件之间以气浮方式支撑，考虑到气浮导轨的误差均化作用[71，可以分别提取各构件单独进行分析，而且相互间的气浮作用力可简化视为均匀分布力。从结构中提取出的构件包括： 轴导向导轨，y轴导向导轨， 轴滑台，y轴滑台和工作台-共五部分。

轴导向导轨受到沿着z轴的重力与作用在与 轴滑台相对的导轨面上的气浮力。Y轴导向导轨受到沿着z轴的重力与作用在与 l，轴滑台相对的导轨面上的气浮力。 轴滑台整体承载着重力，底部 轴直线电机动子受到 轴方向的驱动力，在 轴滑台的气浮导轨处承载着气浮力。y轴滑台整体承载着重力，底部y轴直线电机动子受到 l，轴方向的驱动力，在 y轴滑台的气浮导轨处承载着气浮力，通过驱动连杆，给工作平台提供，轴的驱动气浮力。工作平台整体承载着重力，在中部承受着驱动连杆提供的气浮力，在两端的气脯块承受着向上的气浮力，平衡工作平台的重力。

网格划分时，为保证分析精度和减衅算量，忽略结构中的螺栓孔并将构件划分成若干个六面体单元，进行扫掠网格划分。

单元类型选择线性减缩积分单元。线性减缩积分单元的优点是对位移的求解结果较精确，而且当网格存在扭曲变形时，分析精度不会受到大的影响。二次缩减积分单元相较线性缩减积分精度相差不大，但计算时间加长。当使用线性完全积分单元与二次完全积分单元时，在承受弯曲载荷时容易出现剪切自锁，且计算结果差异较大。为了方便分析结果。列出了各个构件的名称、材料及其特性、划分节点和单元个数 ，如表 1所示。其中，LC4是经过表面阳极处理的硬铝合金，钢为电机动子材料。

表 1构件基本信息Tab.1 Basic Information of the Components构件名称 材料 覆鐾 泊松比密度 羹虿 节点数单元数X轴导向导轨 大理石 100GPa 0.33Y轴导向导轨 大理石 100GPa 0.33轴滑台 L钢C4 11。GGPPa 0。..33y轴滑台 钢LC4110GGPPao0-3.3工作平台 LC4 71GPa O.312.6g/em C3D8R 27530 194792.6g，cm C3D8R 28214 2010227g/emz C3D8R44l96 315947.8g/em 27g/em z c3D8R33667 24074 7.8g/om2.7g/cm C3D8R 1 0203 76604气浮定位平台结构静力学分析静力学分析主要考虑两种情况下各构件的变形：(1)构件在重力下的变形，构件不工作时构件只承受重力作用，各构件接触面没有气膜支撑，导轨面直接接触，要求气浮面变形量小于 0.1 m，以防止放置时间过长导致构件发生翘曲变形；(2)在重力 ，气体压力和电机驱动力共同作用下构件的变形，工作时气膜厚度不超过 101.zm，为避免结构变形导致气膜厚度过大或者过小，影响导轨性能，甚至出现运动表面直接接触 ，要求气浮面变形量小于3 m。

对于关键构件 轴滑台和y轴滑台分三种情况进行分析：(1)只受重力作用；(2)受重力和电机最大驱动力共同作用 ；(3)受重力、电机最大驱动力和气体压力共同作用。

上述情况下最终分析结果，如表2所示。气体压力设定为(3x10s)Pa(将轴承的承载能力等效成均匀分布载荷)。根据分析结果，在重力作用下，气浮面变形量均小于0.1p，m，而工作时，各构件(除工作平台)的气浮面变形均没有超过3 m，气浮面变形量最大的工作平台也只有 2.081xm。

140 机械设计与制造NO.4Apr.201 35气浮定位平台结构动力学分析由于气浮平台的重复定位精度为1.5m，为了达到如此高的定位精度，考虑到定位平台工作过程中可能受到复杂载荷作用和环境振动干扰，要求结构动态刚度最低模态频率要高于600Hz。 轴光栅尺读头安装在 轴的中间平台侧面，定位光栅安装在 轴导向导轨侧面，Y轴光栅尺读头安装在l，轴顶板侧面，定位光栅安装在y轴导向导轨的侧面。 轴滑台与，，轴滑台作为精密定位关键部件，要求对其进行高刚度设计。各构件的模态频率，如表3所示。

表 3各构件的模态频率Tab.3 Model Frequency of Each Component组件名称 -阶频率 二阶频率 三阶频率 四阶频率 五阶频率X轴导向导轨 202816Hz 202862Hz 205275Hz 205321Hz 214850HzY轴导向导轨 203184Hz 203419Hz 205725Hz 206043Hz 215292HzX轴滑台 0Hz O.O00861Hz 0.00113Hz 0.00140Hz 0.00168Hz，，轴滑台 0Hz 0Hz 0Hz 0Hz 0Hz工作平台 OHz 0.O0165Hz O.00192Hz 0.O0210Hz 0.00229Hz组件名称 六阶频率 七阶频率 八阶频率 九阶频率 十阶频率X轴导向导轨 214969Hz 233323Hz 233353Hz 261973Hz 262034HzY轴导向导轨 215343Hz 233761Hz 233848Hz 262355Hz 262453Hzx轴滑台 0.00191Hz 674.46Hz 983.51Hz 1088.1Hz 1203.5Hzy轴滑台 0.000627Hz 784.04Hz 1028.3Hz 1061.9Hz 1345.9Hz工作平台 0.00264Hz 1458.6Hz 1514.4Hz 3187.4Hz 3778.3Hz5.1 轴滑台，y轴滑台和工作平台动力学分析轴滑台，'，轴滑台和工作平台在工作时由气膜支撑，在有限元建模时采用自由边界，分析结果中前六阶对应空间六个自由度的自由频率，第七阶开始为其真实的固有频率141。图是 轴滑台第七阶振型，轴滑台的第七阶振型与第十阶振型的表现为中间平台的振动，由于考虑到轻质量的要求，对此局部刚度很难通过增加壁厚的方式来增强，较好的办法就是在确定导轨壁厚之后，确保变形在规定范围内的前提下，缩小中间平台的壁厚。 轴滑台的第八阶振型与第九阶振型表现为直线电机动子的振动。

y轴滑台的第七阶振型表现为驱动连杆的振动，由定位平台结构可知，实际工作中，驱动连杆的-端有导轨支撑，且定位光栅探头安装在 y轴滑台的顶板上，所以，第七阶振型中驱动连杆的振动对平台性能的影响较校y轴滑台的第八阶和第九阶振型表现为直线电机动子的振动，第十阶振型表现为 y轴滑台顶板的振动。

工作平台的第七阶和第九阶振型是垂直面的振动，第八阶和第十阶振型则是水平面振动。工作平台的第七阶振型中，最大变形量冉现在丁作平台两端的气脯块处，导致气浮面变形较大，所以在设计工作平台时，要在减轻工作平台的质量的前提下，保证刚度，提高固有频率。

52 轴导轨，y轴导轨动力学分析作为位置反馈用的光栅尺安装在 轴导轨 、Y轴导轨的侧面，如果导轨受外载荷作用或气体脉动作用后发生共振，将严重影响光栅尺的读数精度，即严重影响定位精度，所以对导轨要进行高刚度的设计。为简化计算，将导轨上尺寸较小的孑L和退刀槽忽略，并将导轨与底座的接触面作固定边界条件处理，以模拟螺栓的紧固作用。

y轴导向导轨和 轴导向导轨的振型相似，y轴导向导轨第-阶和第二阶振型表现为导轨上部向下振动，而 轴导向导轨表现为向上振动。从第三阶振型开始，两者振型表现基本-致。

由于定位光栅安装在导向导轨的侧面，y轴与 轴导向导轨的第- 阶振型会影响光栅的定位精度，而两者的同有频率较高，不易发生共振，对气浮平台的定位精度影响不大。

6结论根据新-代芯片封装设备对定位平台的要求，设计了由直线电机直接驱动的广义并联机构解耦的气浮定位平台，利用ABAQUS进行有限元静力学分析和动力学分析 ，是刚度满足设计要求(重力作用下气浮面变形小于 0.1lxm，重力，气压和电机最大驱动力作用下变形小于3 m，各构件的固有频率不低于600Hz)同时，移动部件的质量达到最校根据分析结果，满足设计要求。