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摘 要：由于光刻复制属于精密加工，故在工作状态下其对光栅尺摆放平台的平整度具有较高要求。在自重和压紧力作用下，结构会发生自变形，从而影响加工精度。本文以某公司生产的某型号长光栅精密光刻复制机为研究对象，采用数值模拟方法将SolidWork软件建立的三维模型，导入ABAQUS有限元分析软件，并对其结构进行静力与模态分析，在数值模拟结果的基础上，进行结构改进，从而提升整体结构稳定性、以及摆放平台平面的均一性。
关键词：长光栅光刻复制机;ABAQUS软件;静力分析;模态分析
中图分类号：TH74 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2020）02-0000-00
0引言
现有计量长光栅精密光刻复制机主要由底座，支架以及放置母光栅及子光栅的加工座组成，用SolidWork软件建立其三维模型如图1所示。图中1为橡胶压板、2为工作台、3为支架、4为曝光灯、5为底座。
曝光灯在底座的上表面的轨道上通过钢丝的牵引做往复滑移运动，下表面装有滚动轴承来完成与底座轨道的接触，光刻复制机工作时，不仅受到静态力的作用，同时还受到由于光源座滑移以及电机启停而导致的大小及方向不断变化的动态力作用，装夹光栅尺的加工座以及与之连接的支架会产生不同程度的变形及振动。因此，有必要对支架结构形式及位置布局进行系统研究，这对提高光刻复制精度具有重要意义[1]。
1 建立有限元模型建立
在结构上对于光栅加工精度的影响因素主要是为加工座上表面的平整度，由于底座材料为HT250，其在实际工作中与地面通过预埋螺栓固定，因此变形和位移量小，故在本文中忽略1、4、5结构，单独分析支架和加工座组成的装配体。光刻复制机加工座总长为3384mm，高度为100mm，左右对称布置，每边分为两节，每节长度为1682mm，每个支架宽度为103mm，支撑高度为300mm，单边支架个数为5，平均布置。
由于实体结构存在较多的尖角、倒角等微小结构，但这些结构对计算精度的影响可以忽略。因此，本文对三维模型进行简化[2]。
将简化后的装配模型导入ABAQUS软件，定义加工座材料为HT250，材料的密度为7280kg/m3，弹性模量值为1.38x105MPa，泊松比为0.156，定义支架材料为45钢，材料密度值设置为7890kg/m3，弹性模量设置为2.09x105MPa，泊松比设置为0.269。给模型赋予材料参数后，建立模型边界条件。即完成定义支架、加工座等零部件各接触面之间的相互连接及作用接触关系。支架与底座的接触面设为固定，支架与加工座下表面通过螺栓连接。对于该模型，网格化分可采用分割实体再扫略的划分方式得到质量较好的六面体网络，考虑其变形量较小不会产生剪切自锁且可以克服“沙漏问题”，故采用C3D8R实体单元，网格划分后得到总结点数为77874，共有43364个单元，有限元模型如图2所示。
2 结构静力分析
支架是上端加工座的承载固定件，与加工座组成简支梁，由于重力梁臂对支架产生力矩作用，而且加工座与支架采用螺纹连接，所以，支架与加工座组成的装配体在静力状态下所产生的变形是自身重力与零部件之间的接触力综合作用的结果。
加工座上表面的综合变形情况分析：首先，把分析步设置为一般静力学分析步（general：static）。施加载荷时，前述已经定义了支架及加工座的材料密度，只需定义重力加速度，即可自动添加它们的自身重力。设置完成后，提交分析计算[3]。
计算结束后，通过后处理模块分析计算结果。加工座由于自重且支架的支撑中心并不位于其重心的投影点上，向内产生塌陷变形，综合位移幅值云图如图3所示。可知加工座上表面最大位移幅值为1.192e-002mm，其中沿重力方向位移为5.925e-003mm。
分析结果表明：其位移最大位置位于加工座上表面最内侧的边线处，并且成对称分布，为了直观观察其整个上表面位移变化趋势，做其中一条沿边线的位移变化曲线。边线选择如图4a，节点编号如图4b，导出位移曲线图如图4c，其中纵坐标为位移幅值，横坐标为沿边线方向的距离。
3 模态分析
工作状态下光源座与导轨相对滑动产生的振动以及驱动电机和光源散热风扇工作产生的振动对加工座有直接或间接的影响，因此，有必要了解被分析对象的模态，在设计结构时，以模态分析所得到的固有频率及振动形态为依据，采取有效措施，避免固有频率与工作频率太过接近等情况的出现[4]。
因为模态取决于结构的材料、形状及边界约束条件等，因此，把分析步设置为线性摄动步（liner perturbation）中的提取分析步（frequency extraction），无需施加载荷，其余设置与静力分析类似。
在后处理模块中，提取出被分析对象的前10阶固有频率，其频率值如表1所示。从振动形态来看，主要表现为加工座中部的波浪形变形，一阶振型如图5所示。
4 结构改进
由以上分析可知，仅在重力作用下光刻复制机的加工作表面呈现出位移分布集中的情况，其主要是因为靠近中部的加工座缺少支撑，而光刻复制过程对承载面的平整度要求较高，所以在每相邻两个支架的中间添加支架，意在减少位移幅值的同时改善其平面的平整度。添加的支架与之前所用相同，添加个数为8。添加后结构如图6b所示。
对优化后的结构进行静力学分析，加工座上表面位移最大幅值为4.949e-003mm，沿重力方向最大位移为2.184e-003mm，改进后位移分布云图如图7所示，沿改进前同一条边线路径的位移幅值曲线与改进前对比如图8，其中下方曲线为改进后位移幅值分布曲线。相对原有结构可知其具有明显的提升，而且表面整体的平整度也有较为明显的提高。
对优化后的结构进行模态分析，结构不同阶数下的固有频率都得到不同程度提高，其中，一阶固有频率从之前的87.996Hz提高到优化后的124.14Hz，提升百分比为38.8%。优化后的结构前10阶固有频率数值如表2所示，一阶振动形态如图9所示。
5 结语
本文针对某型号光栅尺精密光刻复制机进行静力及模态分析，通过分析位移数据、固有频率以及振动形态等，得出结构的薄弱之处，以此为依据，对支架结构及布局进行有针对性的优化设计。优化后的仿真数据表明，经过优化，加工座上装夹光栅尺的承载面的最大位移量比初始结构降低了58.5%，整体结构的一阶固有频率提高了34.144Hz，加工承载面平整度以及整机的稳定性得到显著提高。在添加压紧机构后整体表面的均一性基本没有发生改变[5]。
在提高光栅光刻复制精度方面，除了改进结构，还需要对光刻加工中光源的选择以及光路的布置进行热分析研究，降低由于光刻过程中光线温度改变所造成的工件热变形对加工精度的影响，通过改进光源座的运动方式和采用水冷的冷却方法来降低由于相对滑动和风扇电机转动所产生的震动对工件加工精度的影响[6]。
参考文献
[1]曾攀.有限元分析及其应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[2]赵腾伦.ABAQUS 6.6在机械工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007.
[3]石亦平，周玉容ABAQUS有限元分析實例详解[M].北京：机械工业出版社，2008.
[4]徐洪玉，侯中华，肖琪珃.数控铣床振动模态分析[J].机床与液压，2009，37（7）：47-49.
[5]袁安富，郑棋.基于ANSYS的机床模态分析[J].计算机工程应用技术，2008（1）：56-58.
[6]张宪栋，徐燕申.基于FEM的数控机床结构部件静动态设计[J].机械设计，2005，22（5）：89-90.
收稿日期：2019-12-21
基金项目：贵州省科技计划项目《施肥机械智能控制模块与电机技术研究》黔科合支撑[2019]2024号。
作者简介：孙栋（1985—），男，山西朔州人，硕士，讲师，研究方向：现代制造工艺及装备。
关键词：长光栅光刻复制机;ABAQUS软件;静力分析;模态分析
中图分类号：TH74 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2020）02-0000-00
0引言
现有计量长光栅精密光刻复制机主要由底座，支架以及放置母光栅及子光栅的加工座组成，用SolidWork软件建立其三维模型如图1所示。图中1为橡胶压板、2为工作台、3为支架、4为曝光灯、5为底座。
曝光灯在底座的上表面的轨道上通过钢丝的牵引做往复滑移运动，下表面装有滚动轴承来完成与底座轨道的接触，光刻复制机工作时，不仅受到静态力的作用，同时还受到由于光源座滑移以及电机启停而导致的大小及方向不断变化的动态力作用，装夹光栅尺的加工座以及与之连接的支架会产生不同程度的变形及振动。因此，有必要对支架结构形式及位置布局进行系统研究，这对提高光刻复制精度具有重要意义[1]。
1 建立有限元模型建立
在结构上对于光栅加工精度的影响因素主要是为加工座上表面的平整度，由于底座材料为HT250，其在实际工作中与地面通过预埋螺栓固定，因此变形和位移量小，故在本文中忽略1、4、5结构，单独分析支架和加工座组成的装配体。光刻复制机加工座总长为3384mm，高度为100mm，左右对称布置，每边分为两节，每节长度为1682mm，每个支架宽度为103mm，支撑高度为300mm，单边支架个数为5，平均布置。
由于实体结构存在较多的尖角、倒角等微小结构，但这些结构对计算精度的影响可以忽略。因此，本文对三维模型进行简化[2]。
将简化后的装配模型导入ABAQUS软件，定义加工座材料为HT250，材料的密度为7280kg/m3，弹性模量值为1.38x105MPa，泊松比为0.156，定义支架材料为45钢，材料密度值设置为7890kg/m3，弹性模量设置为2.09x105MPa，泊松比设置为0.269。给模型赋予材料参数后，建立模型边界条件。即完成定义支架、加工座等零部件各接触面之间的相互连接及作用接触关系。支架与底座的接触面设为固定，支架与加工座下表面通过螺栓连接。对于该模型，网格化分可采用分割实体再扫略的划分方式得到质量较好的六面体网络，考虑其变形量较小不会产生剪切自锁且可以克服“沙漏问题”，故采用C3D8R实体单元，网格划分后得到总结点数为77874，共有43364个单元，有限元模型如图2所示。
2 结构静力分析
支架是上端加工座的承载固定件，与加工座组成简支梁，由于重力梁臂对支架产生力矩作用，而且加工座与支架采用螺纹连接，所以，支架与加工座组成的装配体在静力状态下所产生的变形是自身重力与零部件之间的接触力综合作用的结果。
加工座上表面的综合变形情况分析：首先，把分析步设置为一般静力学分析步（general：static）。施加载荷时，前述已经定义了支架及加工座的材料密度，只需定义重力加速度，即可自动添加它们的自身重力。设置完成后，提交分析计算[3]。
计算结束后，通过后处理模块分析计算结果。加工座由于自重且支架的支撑中心并不位于其重心的投影点上，向内产生塌陷变形，综合位移幅值云图如图3所示。可知加工座上表面最大位移幅值为1.192e-002mm，其中沿重力方向位移为5.925e-003mm。
分析结果表明：其位移最大位置位于加工座上表面最内侧的边线处，并且成对称分布，为了直观观察其整个上表面位移变化趋势，做其中一条沿边线的位移变化曲线。边线选择如图4a，节点编号如图4b，导出位移曲线图如图4c，其中纵坐标为位移幅值，横坐标为沿边线方向的距离。
3 模态分析
工作状态下光源座与导轨相对滑动产生的振动以及驱动电机和光源散热风扇工作产生的振动对加工座有直接或间接的影响，因此，有必要了解被分析对象的模态，在设计结构时，以模态分析所得到的固有频率及振动形态为依据，采取有效措施，避免固有频率与工作频率太过接近等情况的出现[4]。
因为模态取决于结构的材料、形状及边界约束条件等，因此，把分析步设置为线性摄动步（liner perturbation）中的提取分析步（frequency extraction），无需施加载荷，其余设置与静力分析类似。
在后处理模块中，提取出被分析对象的前10阶固有频率，其频率值如表1所示。从振动形态来看，主要表现为加工座中部的波浪形变形，一阶振型如图5所示。
4 结构改进
由以上分析可知，仅在重力作用下光刻复制机的加工作表面呈现出位移分布集中的情况，其主要是因为靠近中部的加工座缺少支撑，而光刻复制过程对承载面的平整度要求较高，所以在每相邻两个支架的中间添加支架，意在减少位移幅值的同时改善其平面的平整度。添加的支架与之前所用相同，添加个数为8。添加后结构如图6b所示。
对优化后的结构进行静力学分析，加工座上表面位移最大幅值为4.949e-003mm，沿重力方向最大位移为2.184e-003mm，改进后位移分布云图如图7所示，沿改进前同一条边线路径的位移幅值曲线与改进前对比如图8，其中下方曲线为改进后位移幅值分布曲线。相对原有结构可知其具有明显的提升，而且表面整体的平整度也有较为明显的提高。
对优化后的结构进行模态分析，结构不同阶数下的固有频率都得到不同程度提高，其中，一阶固有频率从之前的87.996Hz提高到优化后的124.14Hz，提升百分比为38.8%。优化后的结构前10阶固有频率数值如表2所示，一阶振动形态如图9所示。
5 结语
本文针对某型号光栅尺精密光刻复制机进行静力及模态分析，通过分析位移数据、固有频率以及振动形态等，得出结构的薄弱之处，以此为依据，对支架结构及布局进行有针对性的优化设计。优化后的仿真数据表明，经过优化，加工座上装夹光栅尺的承载面的最大位移量比初始结构降低了58.5%，整体结构的一阶固有频率提高了34.144Hz，加工承载面平整度以及整机的稳定性得到显著提高。在添加压紧机构后整体表面的均一性基本没有发生改变[5]。
在提高光栅光刻复制精度方面，除了改进结构，还需要对光刻加工中光源的选择以及光路的布置进行热分析研究，降低由于光刻过程中光线温度改变所造成的工件热变形对加工精度的影响，通过改进光源座的运动方式和采用水冷的冷却方法来降低由于相对滑动和风扇电机转动所产生的震动对工件加工精度的影响[6]。
参考文献
[1]曾攀.有限元分析及其应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[2]赵腾伦.ABAQUS 6.6在机械工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007.
[3]石亦平，周玉容ABAQUS有限元分析實例详解[M].北京：机械工业出版社，2008.
[4]徐洪玉，侯中华，肖琪珃.数控铣床振动模态分析[J].机床与液压，2009，37（7）：47-49.
[5]袁安富，郑棋.基于ANSYS的机床模态分析[J].计算机工程应用技术，2008（1）：56-58.
[6]张宪栋，徐燕申.基于FEM的数控机床结构部件静动态设计[J].机械设计，2005，22（5）：89-90.
收稿日期：2019-12-21
基金项目：贵州省科技计划项目《施肥机械智能控制模块与电机技术研究》黔科合支撑[2019]2024号。
作者简介：孙栋（1985—），男，山西朔州人，硕士，讲师，研究方向：现代制造工艺及装备。