超精密气浮定位平台动力学特性分析

　　1 引言

　　定位平台是光刻机、精密加工机床、IC 封装设备等的关键部件[1-6]。定位平台按导轨形式可分为机械式、磁悬浮式和气浮式等，机械式导轨由于摩擦、死区等特性难以达到超精密的定位要求，而磁悬浮式和气浮式导轨因为没有摩擦，故能实现超精密定位。磁悬浮式导轨需要高性能的控制系统，制造成本较高，气浮式导轨则具有结构简单、质量轻便和设计灵活等优点[4]，设计的超精密定位平台采用气浮式导轨。超精密气浮定位平台在工作中会受到驱动系统的冲击力、负载的惯性力、气体的脉动力等复杂载荷的作用，还会受到环境振动的干扰，对于需要微米、亚微米甚至纳米级定位精度的定位平台，如果其结构动力学特性设计不好，在工作中发生共振，将严重影响其定位精度。所以，在超精密气浮定位平台的设计中，高刚度的设计是必须的。本文设计了一种用于纳米级定位的气浮平台，并分析、校核了其动态刚度，首先运用Solidworks 建立了其三维模型，再将此模型导入 Ansys 中进行有限元的模态分析，并分析了相关参数对结构刚度的影响，结果显示，设计的超精密气浮定位平台满足动态刚度的要求。

　　2 超精密气浮定位平台的结构设计

　　如图1 所示，为设计的一维超精密气浮定位平台的三维装配图，它的主要构成部分，如图 2 所示，包括底座、导轨、气浮滑块和顶板等，采用直线电机驱动。定位平台的工作原理为：在供气孔道中通入一定气压的气体，气体经过节流孔在气浮滑块与导轨、底座的相对面中形成 10μm 左右的气膜，气膜支撑气浮滑块与顶板组成的滑台作一维直线运动。

　　3 定位平台的模态分析

　　设计的气浮定位平台行程为300mm，最大速度为250mm/s，重复定位精度为16nm，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的复杂载荷作用和环境振动干扰，对结构动态刚度的要求是最低模态频率高于800HZ。定位平台中，底座由螺栓固定在基座上，所以不予分析，导轨由螺栓固定在底座上，和滑块之间由气膜隔离，所以将导轨做单独分析，而气浮滑块和顶板由螺栓紧固连接组成滑台，所以将滑台作一体分析。定位平台所有结构都采用花岗岩制作，在模态分析中取弹性模量为100GPa，泊松比为0.33，密度为 2600kg/m³。

　　3.1 导轨的模态分析

　　作为位置反馈用的光栅尺安装在导轨的侧面，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，也就严重影响定位精度，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孔和退刀槽忽略，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。在 Solidworks 中建好模型后，导入 Ansys，采用 solid92 四面体单元自由划分网格，共划分 8972 个单元，计算得到前十阶的振动模态频率为 3651.2Hz、3834.8Hz、4482.8Hz、5643.7Hz、7195.3Hz、8991.9Hz、9462.8Hz、9977.4Hz、11398Hz、11462Hz，导轨的第一阶模态频率为 3651.2Hz，满足刚度的设计要求。如图3~8 所示，给出了导轨前六阶的模态振型。