静压气浮导轨和直线电机驱动技术的超精密气浮定位工作平台,具有摩擦小、速度高、精度高、无污染等优点,被广泛百富策略白菜网于光刻、精密测量等领域[1]。世界三大光刻机制造商在其主要产品中均采用了基于气浮支撑技术的定位工作台方案,如: ASML公司的TWINSCAN系列、 Nikon公司的NSR-S621D、 Canon公司的FPA-7000AS7 等。

气浮平台作为光栅尺刻制的重要载体,导轨承载能力是其性能的重要指标,承载能力决定着在加工过程中工作台是否能平稳地工作。本文作者拟研究的气浮工作台将用于长度为3 000 mm,栅距为50 线/mm的光栅尺母版刻制,若光刻速度约为2. 5 s/线,则加工一块母版,气浮工作台需连续工作4 ~ 5 天。这种情况下,气浮导轨耗气量的大小直接关系着生产过程中的成本控制; 同时,因为气浮导轨需要长时间连续工作,而供气系统很难保证空气的绝对净洁和干燥,空气中的杂质容易在速度 “死区”上积累,使该区域的气膜间隙和压力场发生变化,影响工作台的性能,所以,为保证气浮工作台能满足长光栅刻制的要求,在设计时综合考虑节流器和均压槽形式对气浮导轨的承载能力、耗气量及流场 “死区” 速度的影响至关重要。龙威[2]运用解析算法研究了不同情况下节流器气腔深度和气腔直径对导轨承载力和耗气量的影响; 张波和周欢伟[3,4]采用数值算法对气浮导轨均压槽的宽度和深度进行分析,得出不同均压槽尺寸时,导轨承载能力的变化趋势等。本文作者使用ANSYS软件对不同节流器和均压槽形式的气膜进行了有限元建模,以导轨承载能力、耗气量和流场 “死区” 速度等为性能指标,研究了节流器和均压槽形式对气浮平台综合性能的影响,优化设计了适用于长光栅刻制的气浮平台结构。

为满足光栅刻制过程中激光头的进给要求,工作台采用闭式T形导轨与燕尾形导轨相结合的二维气浮工作台形式,如图1 所示。X方向气浮工作台工作时须承载二维气浮工作台所有零部件的质量,还需克服Y方向气浮工作台在进给过程中所产生的倾覆力矩。所以,为使工作台结构更为紧凑,同时获得更大的承载能力和刚度,X方向气浮工作台在设计初期,上气膜面选择双排节流器的排布形式,结构示意图如图2 所示。

选择X方向气浮导轨的上气膜作为研究对象。由于导轨的对称性,为提高求解效率,建立1 /2 上气膜模型。上气膜宽度B = 216 mm,双排节流孔间距B0= 80 mm,上气膜长度L = 400 mm,节流孔间距L1= 100 mm,气膜间隙H = 0. 02 mm,节流孔个数n =8,结构示意图如图3 所示。

选取三维流体单元Fl UID142,对1 /2 气膜模型进行映射网格划分,并对节流器附近的网格进行局部细化。工作时,气体从节流器顶端流入导轨,从气膜四周的端面流出,因此在8 个节流器顶端施加供气压力Ps= 0. 25 MPa,气膜四周的端面间隙施加环境压力Pa= 0,气膜其余表面和节流器外表面施加速度全约束,设置空气的可压缩性和紊流状态[5]。有限元模型的网格划分与边界条件的施加如图4 所示。

与单排节流器相比,双排节流器的结构形式能更好地形成高压区,在获得相同承载力的要求下,使气浮工作台结构更为紧凑。对上述有限元模型求解,得到气膜压力场分布如图5 所示。

如图5 ( a) 所示,压力主要分布在节流孔的周围,在两排节流器之间形成明显的高压区,并且压力从节流器开始向4 个端面迅速衰减。此时,由于中间4 个节流器之间的压力场分布对称,会形成一个压力四周高,中间低的压力环拱,当这个区域的气体由于无法排出而速度趋于0 时,称之为速度 “死区”[6],如图5 ( b) 所示。

提取气膜流场速度发现,气膜的最大流速为131 732. 00 mm / s,出现在节流器小孔出口周围,原因是经过节流后流出的高速气体碰到轴承表面而急剧改变方向,此时流速达到最大值[7]。由于气膜面的流速变化剧烈,为更好地显示气膜的流场分布,去除节流器附近的节点后流场分布如图6 ( a) 所示。气膜的最小流速约为0. 04 mm/s,出现在气膜面的边角处,原因是随着气体向四周端面流动,压力逐渐减小,流速也不断降低,当气体到达边角时已基本从相邻的端面排出,所以流量最小,流速也最低。

在气膜的中心部位,因为前后、左右的压力完全对称,会出现流速很低的速度死区。如图6 ( b) 所示,死区流速约为0. 72 mm/s,这种情况在要求长时间连续工作的气浮导轨上是应该尽可能避免的。

分别对气膜上表面的压力场和气膜四周端面的流场积分,得气膜的承载力为9 522. 01 N,耗气量为1.60×10-4m3/s。

从前面的分析结果可以看到,气膜的压力场会对流场产生影响,而在工程实际中,常使用开均压槽的办法来实现压力均化。气体节流后,通过均压槽流得更远,在均压槽内各处的气体可以近似地认为相等,从而达到提高承载力的目的[8]。本文作者通过开设横向、纵向、十字3 种形式的均压槽,进一步观察气膜承载能力、耗气量和流场 “死区”速度的变化。

张波[3]对气浮导轨不同均压槽尺寸时,导轨承载能力的变化进行了分析,当均压槽宽度为1. 00 ~1. 50 mm,深度为0. 02 ~ 0. 06 mm时,可获得较好的承载力和刚度。现拟定均压槽尺寸为均压槽宽1. 00mm、均压槽深0. 05 mm,建立有限元模型。

不同形式均压槽的结构示意图、压力分布云图、流场分布图、死区流速如表1 所示。

整理上述4 种结构的气膜承载力、死区速度及耗气量仿真结果,如表2 所示。

由仿真结果发现:

( 1) 开设均压槽后,气膜压力得到明显的均化,高压区面积变大,有效提高了气膜承载能力,其中纵向均压槽结构的承载力为10 204. 32 N,比无均压槽结构提高7. 2% 。

( 2) 在均压槽均布压力的影响下,气膜死区流速变化明显,其中十字均压槽结构的死区流速是横向均压槽死区流速的23. 6 倍,说明均压槽的布局会对流场产生影响。

( 3) 气膜面的四周流速明显高于中间区域,原因是压力分布不对称造成的。若把节流器分布设计成非对称形式,结合均压槽均布压力的特点,理论上可以进一步提高死区流速。

( 4) 不同的均压槽形式,对耗气量的影响程度有所不同,其中十字均压槽结构的耗气量增加最小,仅比无均压槽结构提高0. 62% 。

通过对不同结构形式的导轨气膜特性进行分析,发现均压槽的形式可改变压力场的分布,进而提高气膜承载力,影响死区速度及耗气量,气膜的高压区主要集中在节流器与均压槽周围。流场在压力的作用下,由高压区向四周端面流动,但由于对称式双排节流器结构中间区域的压力分布对称,尽管开设了不同形式的均压槽,上述4 种结构的死区流速仍不理想。

为避免对称式结构所带来的速度死区问题,提高气膜承载力的同时,尽可能减小导轨耗气量,本文作者提出3 × 3 节流器王字型均压槽的结构形式,结构示意图如图7 所示,研究导轨气膜特性。

气膜宽度B1= 216 mm,各排节流孔间距B10= 40mm,气膜长度L1= 400 mm, 节流器间距L11= 133mm,气膜间隙H1= 0. 02 mm,节流孔个数n = 9。在相同边界条件下,该结构气膜面的压力场分布如图8所示。

从仿真结果来看,均压槽周围产生了明显的高压区,其中气膜中心均压槽的十字交叉处压力最大; 从气膜压力场三维分布图可以看出,由于节流器的非对称分布,横向中心节流器周围的压力高于两侧节流器周围的压力,并在均压槽作用下,从中心向两侧端面递减,未形成双排节流器时的压力环拱。

提取气膜流场分布如图9 所示,由于气膜中间区域压力最高,高压区的最小流速明显提高, 达197. 42 mm / s,说明3 × 3 节流器王字型均压槽的结构形式有效地改变了压力场分布,消除了速度死区。

把X方向气浮工作台的上轴承面改为3 × 3 节流器王字型均压槽的结构形式,如图10 所示,分别对气膜上表面压力场和气膜四周端面流场积分,得气膜的承载力为10 392. 98 N,耗气量为1. 72 × 10- 4m3/ s。

可见,与无均压槽的双排节流器结构相比,3 × 3节流器王字型均压槽的结构形式虽然多增加了一个节流器,但耗气量仅提高7. 50% ,仍小于传统纵向均压槽的双排节流器设计; 而且承载能力提高了9. 15% ,有利于克服二维气浮工作台工作时产生的倾覆力矩,同时消除了速度死区,满足长光栅刻制对气浮工作台长时间工作的要求。

( 1) 对称式的双排节流器结构能在节流器之间更好地形成高压区,从而获得更大的承载能力,但同时也会产生明显的速度死区。

( 2) 不同的均压槽结构形式,会改变气膜压力场的分布,造成承载力和耗气量的增加程度有所不同; 在均压槽均布压力的作用下,流场特性和死区速度也会随之改变。

( 3) 3 × 3 节流器王字型均压槽的结构形式可有效地提高承载能力和消除速度死区,并且耗气量仅比无均压槽的双排节流器结构提高7. 50% ,仍小于纵向均压槽的双排节流器设计,该结构能有效满足长光栅刻制对气浮工作台长时间工作的要求。