陈 贺，陈晓怀

(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥 230009)

微纳米测量机工作台的结构及性能分析*

陈 贺，陈晓怀

(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥 230009)

对微纳米测量机新型工作台进行了结构及静、动态性能分析。比较了不同结构的X、Y工作台的静态变形和刚度;对三维工作台进行了模态和谐响应分析，得到振动频率和振动位移。分析表明:合理的结构设计能够减小工作台的变形量，增加工作台的稳定性;工作台受驱动不会产生共振，动态性能满足要求。

微纳米测量机;三维工作台;性能分析;结构变形

0 引言

由于精密加工技术的发展，尤其是半导体制造业、电子加工工业和材料工业的发展，对微纳米级的测量要求愈来愈高［1-2］。研制微纳米级的测量机在精密测量领域受到了重视。

微纳米三维工作台是微纳米测量机的重要组成部分［3］，工作台的静态特性和动态特性对测量机的测量稳定性、重复性和测量精度有重要影响。工作台要求有较小的静态变形保证重复测量的稳定性;也要有较高的频率，以抵抗外界的干扰，保证定位精度。通过对工作台进行静动态仿真，了解工作台的变形和振动频率，并提出局部结构优化方案，使之满足变形小和频率适中的要求。

1 工作台结构介绍

三维工作台由X台、Y台、Z台三部分组成，为了最大程度的减小阿贝误差，工作台的设计采用了“三三一”的原则，即X台的导向平面和Y台的导向平面与测量平面三面共面;X、Y、Z向的测量激光束三线共点并与测量面重合;测头中心位于三光束交点上，通过Z台上下移动实现三面共面。为了减小工作台的变形量，增加机构的稳定性，工作台采用了力平衡、热平衡的对称结构［4］。

X台的尺寸为200mm×200mm×20mm，Y台的尺寸为300mm×200 mm×15mm，为了分析方便，在建模时简化了对分析结果没有影响的结构。在有限元分析软件ANSYS中，工作台的建模如图1。

图1 工作台的建模图

2 工作台静态分析

静态分析主要是应变和刚度分析，由刚度定义知，刚度越大，变形量越小。通过分析不同结构的变形，选择合适刚度的结构，减小工作台的变形量。工作台的材料选用AL7075，其弹性模量E=72GPa，泊松比 μ =0.3，密度 ρ=2700kg/m3。

X台的自重和负载为4kg(Y和Z台悬吊在X台上)，分析X台分别取不同结构时的变形量，比较刚度的不同。两种不同结构的X台模型如图2。在不同的结构上取相同的路径，对路径上点的变形量作比较。通过比较两种结构的位移变形等值线图(图3)和路径变形量曲线(图4)，可以得出X台在只受重力的情况下，结构X1的变形量和结构X2变形量相差较小。当再施加39.2N的载荷后，结构X1的变形量比结构X2的变形量大(图5)，所以结构X2的刚度大，承受同样的力时变形量小。

图2 不同结构X台建模图

图3 X台结构变形等值线图

图4 X台自重路径变形量曲线

采用与分析X台同样的方法，对比了3种结构的Y台的分析结果，结构Y2加了三角形加强筋，结构Y3加了矩形加强筋。路径变形量曲线和结构图如图6、图7所示，可以看出结构Y3变形量最小，优化结构使工作台的变形量减小了二分之一。

图5 X台负载时路径变形量曲线

图6 Y台路径变形量曲线

图7 Y台不同结构建模

3 动态分析

动态性能反映工作台对动态载荷的振动响应，影响着测量的定位精度和稳定性［5-6］。动态分析可以得到工作台在不同频率载荷作用下的振动位移。为了保证工作台在纳米电机的驱动下有稳定的定位精度，工作台需要有合适的固有频率抵抗外界的干扰，同时要求工作台固有频率应小于驱动频率，避免产生共振。用ANSYS对工作台进行动态性能分析，得到结构的振型、固有频率和结构在已知频率载荷作用下的稳态响应。表1比较了不加梁结构工作台和加梁结构工作台的6阶模态和振型。

驱动器的最大工作频率1500Hz，由表1知工作台的固有频率小于驱动器的最大工作频率，工作台受驱动不会产生共振。通过模态分析表得出加梁结构工作台的固有频率低于不加梁结构的工作台，比较振型得出加梁结构的工作台5阶时振动幅度较大，振型在3、4、6阶时加梁结构改变了Y、Z台的振动，减小了振动幅度。

表1 工作台模态分析表

为了观察工作台受不同频率驱动时的响应，比较了加梁和不加梁两种结构工作台的Z台中心点的响应位移，取驱动频率范围为750Hz～1500Hz。图8给出了两种不同结构的节点在Z向的位移随驱动频率变化曲线。图9为加梁工作台在X、Y、Z三个方向的位移。

图8 两种结构节点在Z向的位移

由图8知工作台在Z向的振动位移随驱动频率的增加而减小，在低频时加梁结构的振动位移比不加梁的大，高频时加梁结构振动位移小于不加梁结构。图9得出在高频时X、Y、Z三方向的振动位移都较小，选择合适的驱动频率时要综合考虑三方向的振动位移对测量精度的影响。

图9 加梁工作台在X、Y、Z三个方向的位移

4 结束语

通过对工作台的静、动态分析，比较了不同结构的力变形和动态性能。提出了结构改进措施。由于X台的负载较大，应采用合理的结构和材料加工;Y台应采用矩形加强筋机构，减小两翼的变形量。对工作台的动态分析表明，梁式结构的工作台高频振幅较小，在工作频率较高时可以减小结构的变形量，且固有频率适中，不会产生共振。

［1］马立，荣伟彬，孙立宁.三维纳米级微动工作台的设计与分析［J］. 光学精密工程，2006，12-14(6):1017-1024.

［2］段智勇，王庆康.新型纳米分辨率位移定位平移台的研制［J］. 纳米技术与精密工程，2005，9-3(3):177-180.

［3］张国雄.三坐标测量机［M］.天津:天津大学出版社，1999.

［4］王琦，陈晓怀，杨洪涛，等.纳米三坐标测量机的精度设计［J］. 工具技术，2006，40(7):71-73.

［5］Zhang Xin-yunWang Min，Zan Tao，Hu Jian-zhong.The static and dynamic analysis of high-speed electric spindle based on ANSYS［J］.2011 Second International Conference on Digital Manufacturing ＆ Automation，1332-1335.

［6］胡鹏浩，卫兵，王继臣，等.新型纳米三坐标测量机结构的动态特性分析［J］.重庆大学学报(自然科学版)，2006，29(7):26-28.

The Structure and Performance Analysis of Macro-nano CMM Stage

CHEN He，CHEN Xiao-huai
(School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

Analysis the structure static and dynamic performance of a new macro-nano CMM stage.Compare static deformation and stiffness of different structure of X and Y stage;obtained vibration frequency and displacement by the modal and harmonic analysis on the 3D stage.The analysis shows that reasonable structure design can reduce deformation of the workbench，and can increase the stability of the workbench;the stage can not produce resonance，the dynamic performance meet the requirements.

macro-nano CMM;3D stage;performance analysis;structure deformation

TH121;TP273

A

1001-2265(2012)11-0032-03

2012-04-11

863计划重点项目(2008AA042409)

陈贺(1987—)，男，安徽砀山人，合肥工业大学硕士研究生，研究方向为精密仪器与机械，(E-mail)chenhehfut@163.com;陈晓怀(1954—)，女，合肥人，合肥工业大学教授，博士生导师，主要研究方向为现代精度理论与应用。

(编辑 李秀敏)