方 林 李 辉

（合肥芯碁微电子装备股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

在现代先进制造技术中，机械加工的水平和精度向着加工的极限快速发展［1］。精密定位技术是精密工程领域的一项关键技术。随着精密或超精密工程设备生产加工需求的增多［2］，精密工程设备对定位平台的精度性能要求也越来越高。定位平台精度的提升与定位系统周围的环境有关，如振动、温度、湿度、气流等［3］。张波等［4］指出了温度变化引起光学组件及底座部分的热膨胀是工作台位置漂移的主要原因，提出了一个实时温度补偿校正公式。姜克状等［5］提出了基于温度精密测量的定位工作台定位精度实时补偿方法。印制电路板（printed circuit board，PCB）曝光机对准精度的影响因素很多，如曝光图形平移、旋转、热膨胀等各种形式，基于自校准技术，能较为精确地补偿工件台定位的误差［6-7］。

精密定位平台的驱动方式主要为直线电机，直线电机在驱动过程中会产生热量带入环境中。为了降低直线电机热量带来的影响，降低直线电机运行温度，经常使用3 种电机散热系统，即风冷、液冷和蒸发冷却散热系统［8］。本文使用强制风冷装置，利用风机增强与周围空气的对流交换热，与试验采集数据比较相结合，研究定位平台直线电机热分布规律和温度变化趋势，测试定位平台定位精度的变化规律，为定位平台电机散热方案的优化设计提供理论参考，对提升定位平台定位精度的稳定性有很大的应用价值。

1 热传递的基本方式

热传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的，根据传热机理的不同，热传递的基本方式有热传导、对流换热和辐射换热3种［9］。

1.1 热传导

当物体的内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差异，物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为热传导。热传导过程中传递的热量按照傅里叶定律计算：

式中：A1为与热量传递方向垂直的面积，m2；为温度梯度，K/m；λ为材料的导热系数，W/（m·K），表示该材料导热能力的大小。导热系数值越大，物质的导热性能越好。

1.2 对流换热

对流换热是指运动着的流体流经温度与之不同的固体表面时与固体表面之间发生的热量交换过程。对流换热是流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程，对流的同时必然伴随有导热现象。根据流动起因的不同，对流换热可以分为自然对流换热和强制对流换热两类。对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算：

式中：A2为单位温差作用下通过单位面积，m2；T4、T3分别为固体壁面与流体的温度，℃；α为对流换热系数，W/（m2·K）。

对流换热系数的大小与传热过程中的许多因素有关。不仅取决于物体的物性、换热表面的形状、大小和相对位置，而且与流体的流速有关。对流换热系数越大，传热越剧烈。

1.3 辐射换热

辐射是指通过电磁波传递能量的过程，热辐射是指由于物体的温度高于绝对零度时发出电磁波的过程。两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。热传导和对流换热都需要有传热介质，而热辐射无需任何介质。辐射热量服从斯特藩-玻尔兹曼定律：

式中：Th为热力学温度，K；σ为斯特藩-玻尔兹曼常数（黑体辐射常数），5.67×10-8W/（m2·K4）；A3为辐射表面积，m2；ε为物体的发射率（黑度），其大小与物体的种类及表面状态有关，与外界条件无关。

在工程中，通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量。其之间的净热量传递可以用斯特藩-玻尔兹曼方程计算：

式中：ε1为该物体辐射率（黑度）；A4为辐射面1的面积；F12为由辐射面1 到辐射面2 的形状系数；T5为辐射面1 的绝对温度；T6为辐射面2 的绝对温度。

2 定位精度热影响因素分析

PCB 曝光机是一个复杂的集成系统，其内部包含多个子系统，定位运动平台是其关键的组件模块。直线电机定子安装在大理石底座上，运动座安装在直线导轨上，直线电机为平台提供驱动力，直线电机动子固定在运动座底面，载着运动座及其负载直线运动。读数头安装在运动座下表面，与读数头有相对位置关系的光栅尺安装在光栅安装座上，光栅安装座使用大理石材质固定在大理石底座上，如图1所示。

图1 精密定位平台

直线电机作为多物理场、强耦合的能量转换系统，其能量转换效率并不是百分之百，将电能转换为机械能的过程中会损失一部分能量，这些损失的能量绝大部分转化为热能引起电机发热。平台定位精度的热稳定性受温度的影响较大。平台在运动过程中，电机将产生的热量直接由运动座扩散到空气中，引起运动座热膨胀。同时，电机传递的热量也会影响光栅尺的温度场，由于光栅尺的热膨胀特性，光栅尺标尺会热胀冷缩，平台的定位精度也会产生变化。平台的运动速度和加速度越大，电机的发热量就越大，平台的定位精度差异也会随之增加。

直线电机动子与运动座下表面完全贴合，增大导热传递面积，运动座的材质均采用铝合金材料，铝的导热系数高，并且运动座表面阳极氧化，增大运动座表面辐射散热的黑度，提高辐射散热效果。

常用的风冷散热系统是自然风冷和强制风冷。自然风冷不需要额外的动力装置，仅仅通过机壳与周围空气的自然对流进行热交换。强制风冷通常利用风机系统加强电机与外部空气的热交换，额外的风机系统提高了电机的散热效率。在精密定位平台增加一个强制风冷装置，利用风机加强与外部空气的热交换，使外部空气更快地进入电机内部直接进行热交换，增加运动座的对流换热系数，达到快速冷却电机的目的。

3 试验测试

3.1 测试方法

本次测试定位运动平台两种运动座设计结构，使用PCB 曝光机上集成的电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）测量装置，抓取真空吸附带有图像标记点的标定板，且标记点为等间距布置。依据图像匹配原理，使用CCD 测量装置抓取标定板上的标记点，测试平台的位置坐标。

CCD 测量装置循环抓取标定板上的4 个标记点，每个标记点重复测试约4.5 h，测量尺寸分别为500 mm×400 mm，如图2所示。平台运动前后，分别测试平台位置的定位精度变化，并使用PT100 热电阻温度传感器，分别布置在直线电机动子、运动座上表面、读数头及光栅尺位置，如图3所示。

图2 标定板上的标记点

图3 温度传感器测量位置分布

3.2 温度变化分析

运动座不同位置的温度变化如图4 所示。由图4（a）可知，在4.5 h 的测试过程中，电机动子、运动座上表面、读数头及光栅尺温度的最大变化依次为7.9 K、3.4 K、5.2 K及1.9 K。2 h前温度变化较快，随后温度递增的趋势逐渐放缓。由图4（b）可知，开启风冷后，电机动子、运动座上表面、读数头及光栅尺温度的最大变化依次为4.1 K、1.2 K、2.4 K 及0.6 K，温度变化值分别为关闭风冷时的52%、35%、46%及32%。开启风冷后，1 h 后温度递增的趋势逐渐放缓，缩短了热稳定时间。直线电机在工作运行过程中，电机内部热量由运动座开始传导，逐渐传递到读数头和光栅尺安装位置的温度场。

图4 运动座不同位置的温度变化

3.3 定位精度变化分析

平台定位精度变化情况如图5 所示。关闭强制风冷装置后，平台定位精度变化了15.6 μm，开启强制风冷装置后，平台定位精度变化了4.9 μm。在直线电机长时间运行过程中，定位精度的变化趋势与温度变化趋势一致，存在一个线性涨缩。开启风冷装置后，平台定位精度变化值降低了69%。

图5 平台定位精度变化

4 结语

精密定位平台使用强制风冷装置，运动座增加了对流换热的效果，直线电机动子的温度变化下降了48%，光栅尺位置温度变化最大值为0.6 K，接近设备环境温度，平台定位精度变化值降低了69%。强制风冷装置可以提升直线电机的散热效果，减少电机发热对定位平台定位精度的影响，提高了精密定位平台的稳定性。