六自由度微動(dòng)臺熱特性分析與散熱設計

第3期組合機床與自動(dòng)化加工技術(shù)No. 32011年3月Modular Machine Tool Automatic Manufacturing TechniqueMar. 2011文章編號:1001-22652011)03-0001-03六自由度微動(dòng)臺熱特性分析與散熱設計李廣12,張鳴,朱煜',段廣洪', Masayoshi Tomizuka2(1.清華大學(xué)特密儀器與機械學(xué)系摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,北京100084;2.加州大學(xué)伯克利分校加利福尼亞州,美國CA94720)摘要:溫升是引起微動(dòng)臺精度和環(huán)境變化的重要因素,從熱特性分析著(zhù)手進(jìn)行微動(dòng)臺優(yōu)化設計是提高微動(dòng)臺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)臺結構給出了微動(dòng)臺的發(fā)熱熱源、定子線(xiàn)圈等效導熱系數和自然對流及強制水冷條件下表面散熱系數,建立了微動(dòng)臺三維溫度場(chǎng)的數學(xué)模型。根據熱傳導理論,完成了微動(dòng)臺定子線(xiàn)圈穩態(tài)溫度場(chǎng)的理論計算,并采用數值方法計算了微動(dòng)臺在自然對流和強制水冷條件下的三維溫度場(chǎng)分布。根據計算和分析結果,完成了微動(dòng)臺冷卻系統的設計。結果表明,采用強制水冷后,微動(dòng)臺動(dòng)子溫升不超過(guò)1℃,滿(mǎn)足微動(dòng)臺工程設計要求。關(guān)鍵詞:微動(dòng)臺;熱分析;散熱設計;光刻機中圖分類(lèi)號:TH128文獻標識碼: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,該微動(dòng)臺在水平方向的自由度用于工件臺精度動(dòng)態(tài)補償;豎直方向自由度高精度的微動(dòng)臺承擔了實(shí)現納米級定位和加工用于調平調焦。的任務(wù)。微動(dòng)臺一般是指行程在毫米尺寸、精度從熱特性分析著(zhù)手進(jìn)行微動(dòng)臺優(yōu)化設計是提高達到1~100納米的運動(dòng)平臺。在光刻機中,包含微動(dòng)臺性能的一條重要途徑。溫升會(huì )限制線(xiàn)圈電收稿日期:2010-12-09中國煤化工基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃(973計劉:20008724205);國家高技作者簡(jiǎn)介:李廣(1982-)男,江兩南呂人,清華大學(xué)精密儀器與機械學(xué)系博土CNMHG博土生,主要研究方向為超精密微動(dòng)臺設計,(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)精密儀器與機械學(xué)系教授博上,博上研究生導師研究方向為精密測量與控制理論超精密機械設計與制造電子制造工藝及其裝備等,(E-mail)zhuyu( tsinghua. edu. cno組合機床與自動(dòng)化加工技術(shù)第3期流大小,從而降低電機推力;會(huì )導致環(huán)境變化從而影度升高。在本文設計的微動(dòng)臺中,熱源主要來(lái)自響激光干涉儀測量精度;還會(huì )引起熱變形及電參數于繞組損耗,其大小與電流平方和電阻成正比。根變化從而影響微動(dòng)臺性能的穩定等。據微動(dòng)臺設計要求,單個(gè)繞組線(xiàn)圈通電電流大小為11微動(dòng)臺結構模型安培;經(jīng)實(shí)驗測定,單個(gè)線(xiàn)圈電阻為11歐姆,因此,單個(gè)線(xiàn)圈繞組損耗:P=PR=11W。微動(dòng)臺結構如圖1所示,它由十字支架和四個(gè)熱特性計算有解析方法和數值方法。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學(xué)推理嚴密,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(xiàn)圈和豎直力線(xiàn)圈溫度場(chǎng)的主要因素和各因素之間的相互關(guān)系。數值永磁體固定于十字支架的末端水平力線(xiàn)圈和豎直法以數值計算代替數學(xué)推導,其所得到的結果是一力線(xiàn)圜分別置于永磁體的側面和下面,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)臺的動(dòng)子。水平力線(xiàn)圈和豎直力線(xiàn)圈分別由骨架固定,組2.1熱特性解析計算成微動(dòng)臺的定子。微動(dòng)臺的定子固定在微動(dòng)臺的基熱傳導微分方程是建立在熱傳導定律和能量守座上。恒原理的基礎上的,其表達式如下:式中:A—導熱系數,W/(mK),假設為各向異性;溫度,K線(xiàn)圈繞組損耗,Wc——比熱容,J/(KgK);溫升計算對象的密度kg/m3;時(shí)間如果只對穩態(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(xiàn)圈7豎直力線(xiàn)圈7=0,如果又是各向同性,則上式變成:8線(xiàn)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)臺結構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(guò)水平線(xiàn)圈和豎直線(xiàn)圈空間上的邊界條件和時(shí)間上的初始條件。該微動(dòng)臺磁場(chǎng)。根據洛侖茲原理,將產(chǎn)生洛侖茲力,且磁感涉及對流換熱邊界條件,當邊界溫度高于環(huán)境溫度應強度、線(xiàn)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)臺散發(fā)熱量。時(shí)間條件給線(xiàn)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)臺內的溫度分布,該微動(dòng)臺的初始平方向驅動(dòng)力,驅動(dòng)微動(dòng)臺在水平方向運動(dòng);豎直條件為初始溫度分布均勻線(xiàn)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和材料導熱參數A(空氣為直方向支承力,驅動(dòng)微動(dòng)臺在豎直方向運動(dòng)。通過(guò)0.023W/(mK),鋁為203.5W/(mK))代入公式改變四個(gè)致動(dòng)器中線(xiàn)圈電流方向,可以實(shí)現微動(dòng)臺(2),并經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化計算,在環(huán)境溫度為20℃,空氣自然動(dòng)子的轉動(dòng)。對流條件下,微動(dòng)臺線(xiàn)圈穩態(tài)的平均溫度T達到524℃;在強制水冷條件下(采用常溫水冷),微動(dòng)臺線(xiàn)圈穩態(tài)的平均溫度T為20.7℃。2.2溫度場(chǎng)數值計算圖2致動(dòng)器工作原理為了提高效率,選擇一組驅動(dòng)單元作為研究采用兩個(gè)上述六自由度微動(dòng)臺,加上X-y布置對象。在自然散熱條件下,微動(dòng)臺穩態(tài)發(fā)熱及溫兩自由度大行程直線(xiàn)電機,可以構成光刻機雙硅片度分布情況如圖3所示。最高溫度為52℃,出現臺定位系統在繞中國煤化工采用導熱性能優(yōu)良的微動(dòng)臺熱特性分析CNMHG圓溫度上升速度H,不用J守性能較好且質(zhì)量微動(dòng)臺是一種機電能量轉換機構,在能量轉換較輕的純鋁。過(guò)程中不可避免的要產(chǎn)生損耗,使微動(dòng)臺各部分溫受空氣熱輻射的影響,永磁體最高溫度達到2011年3月李廣,等:六自由度微動(dòng)臺熱特性分析與散熱設計36℃,出現在散熱條件最差的永磁體中間靠近線(xiàn)圈3.2采用水冷后溫度場(chǎng)計算部位,如圖4所示。永磁體溫度分布比較均勻,整體應用 ANSYS計算,強制水冷散熱后,微動(dòng)臺溫溫差不超過(guò)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(xiàn)圈考慮到直接與基升較大,將嚴重降低釹鐵硼磁場(chǎng)強度并影響微動(dòng)臺座接觸,在設計時(shí)沒(méi)有采用水冷,所以溫度較高,達工作性能的穩定。到27.4℃。水平線(xiàn)圈溫升不超過(guò)1℃,滿(mǎn)足微動(dòng)臺環(huán)境要求及總體設計目標。圖3定子線(xiàn)圈溫度分布七E圖6采用水冷后微動(dòng)臺溫度分布微動(dòng)臺動(dòng)子最高溫度為20.9℃,出現在永磁體釹鐵硼上。溫升不超過(guò)1℃,顯示冷卻系統起到了較好的散熱效果。計算結果表明,豎直線(xiàn)圈必須安裝水冷強制散熱系統才能達到溫升不超過(guò)1℃的設計目標。為了圖4動(dòng)子永磁體溫度分布不影響磁場(chǎng)強度,可以考慮安裝在豎直線(xiàn)圈底部。3散熱設計4實(shí)驗研究3.1水冷散熱結構使用熱像儀測量線(xiàn)圈溫度變化。線(xiàn)圈表面發(fā)射為了控制微動(dòng)臺的溫升,主要從減小損耗和改率設為0.95,周?chē)h(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。從分析結果可知,微動(dòng)臺18℃。在電流為1安培時(shí),達到穩定后線(xiàn)圈溫度分線(xiàn)圈最高溫度達到52℃,將影響微動(dòng)臺工作環(huán)境和布情況和線(xiàn)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(xiàn)圈溫度在15分鐘后基本達到穩定,其中線(xiàn)圈外側強制冷卻措施。微動(dòng)臺具有結構特殊性,其冷卻系最高溫度達到55℃,溫度上升曲線(xiàn)如圖9中Sp3所統設計必須滿(mǎn)足體積小,質(zhì)量輕,剛度高,結構簡(jiǎn)單示線(xiàn)圈內側最高溫度達到42℃,溫度上升曲線(xiàn)如圖的設計原則。根據計算結果可知,該微動(dòng)臺需要9中Sp4所示。實(shí)驗結果表明,采用導熱性良好的線(xiàn)冷卻的部位是定子線(xiàn)圈。圈骨架材料能夠明顯降低線(xiàn)圈溫升,線(xiàn)圈內外存在根據以上要求,設計的散熱系統結構如圖5所溫差也說(shuō)明采用平均溫升的概念計算線(xiàn)圈溫升具有示,該散熱系統進(jìn)出水路交錯布置,從而使溫度分布定的誤差。均勻;散熱器緊貼被冷卻對象,冷卻面積大,效果好散熱系統直接放置在線(xiàn)圈上,安裝方便2。進(jìn)水中國煤化工CNMHG圖7線(xiàn)圈溫度分布圖5微動(dòng)臺散熱系統(下轉第7頁(yè))2011年3月楊,等:車(chē)銑復合加工中心電主軸的穩定性分析和實(shí)驗研究7速范圍是安全的。軸承組的支承作用,這種簡(jiǎn)化方式應用于電主軸的模態(tài)理論分析中能獲得較為準確的結果。通過(guò)對主軸的穩定性分析與現場(chǎng)測試,表明設計的主軸系統工作轉速在安全范圍內,滿(mǎn)足工作要求[參考文獻][1] C H. 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