基于流固耦合的气体静压导轨侧向静态特性分析

气体静压导轨的结构变形会造成气膜的压力分布与理论模型存在明显偏差,从而影响了其静态特性。研究建立了气体静压导轨的流固耦合模型,分析了导轨两侧气膜压力分布与结构变形的关系;此外,通过双向流固耦合仿真,得到了在不同位置外力作用下气体静压导轨的承载能力和位移的关系,以及导轨变形情况和位移的关系,分析了不同位移下导轨变形与承载力的关系。最终通过实验对流固耦合仿真数据进行了验证,得出流固耦合仿真数据与实验结果较为吻合,在不同位置的外力作用下的气体静压导轨的静态特性相差较大。

气体静压导轨气膜厚度的电容式测试方法

气体静压导轨是超精密工程的核心基础技术之一,其气膜振动是影响加工精度的主要因素。提出了一种气体静压导轨气膜厚度的电容式测试方法,将气体静压导轨的节流器工作底面与实验台面当作电容式传感器的2个极板,当气膜厚度发生变化时,电容将产生较大变化。通过测量节流器与工作面间的电容,计算得到气膜厚度值。同时建立了不同凹面节流器电容与气膜厚度的数学模型。实验利用电容测量仪与电感测微测头同时对气膜厚度进行测量,结果显示两者误差为0.42μm,为气体静压导轨气膜厚度的测量提供了新的方法。

气体静压导轨刚度讨论与误差源分析

针对目前国内外超精密工程与技术中微小误差源的识别及其对结构设计的影响问题,重点分析了气体静压导轨这一核心部件.对4种常用的导轨型式,即正方形、三角形、梯形及п形导轨的自身刚度、气膜刚度与工作时气流随机振动引起的微观误差逐一进行分析,提出在卧式使用且刚度不大的情况下,为保证加工及测量精度,应尽量采用п形导轨.研究可为相关工程人员的导轨设计提供了参考.

小孔节流气体静压导轨静态特性优化设计

为解决气体静压导轨工作刚度不足问题,提出一种双边气膜刚度最优设计方法。根据气体润滑理论及简化假设推导了气膜压力分布的雷诺方程,基于有限差分法离散了气膜流场求解域和边界条件,在MATLAB中编制了压力分布的求解程序,积分得到气膜的承载力,再求导可得气膜刚度。分析导轨间隙、节流孔结构参数和供气压力等对导轨静态特性的影响规律,为静压导轨的设计制造提供参考。

高刚度气体静压导轨设计分析

采用有限差分法求解气体静压润滑的二维Reynolds方程，其静态特性规律显示减小节流孔径可以提高气体静压导轨刚度，但是减小了气膜最佳工作间隙，对节流面的面形精度提出了更高的要求．采用直径50μm的节流孔，在50mm×50mm的滑块上实现了50N／μm的最大刚度，并且试验结果与理论计算基本一致，从工程上验证了减小节流孔径实现高刚度的可行性．根据理论分析优化了导轨上滑块的节流孔的布局，设计了基于直径50μm节流孔的高刚度气体静压导轨；直径50μm节流孔对应的气膜工作间隙为5～7μm．采用光学加工的方法研制了基于光学材料（K9玻璃）的气体静压导轨，其良好的面形精度满足了小间隙气膜的润滑要求．

全气体静压环形抛光机床的研制及应用

针对单轴抛光机面形控制难度大、较多依赖人工经验,无法满足光学元件激增的数量和精度需求的问题,提出研制一种新型超精密环形抛光机床。首先引入抛光盘跳动为变量构建基于Preston公式和赫兹接触理论的材料去除模型;模型仿真分析表明抛光盘跳动误差变化会导致材料不均匀去除,而主轴跳动误差和导轨直线误差会直接影响抛光盘的面形修正和测量精度。然后基于此结论,利用静态、模态、谐响应分析对机床整体布局和横梁支撑形式进行优化;同时设计气体静压导轨和主轴以提高直线运动精度和主轴回转精度。最后为了验证机床精度和加工指标,采用LK-G5000激光传感器检测导轨和转台的运动误差分别优于1.2μm/400 mm和0.4μm。对φ300 mm的UBK7光学元件进行抛光,8小时后粗糙度和PV值分别优于R_(a)0.56 nm和1/10λ。结果表明:所研制的超精密环形抛光机床达到了设计要求。

微结构参数对静压气体导轨节流系数和转动刚度的影响

小型复合节流静压气体导轨是保证光刻机高速运动和精确定位的关键部件。为提升导轨的承载力及刚度,在工作面常增加浅腔和沟道等微结构,但微结构对导轨的力学特性、特别是转动刚度的影响一直不清晰。采用网络自适应方法研究了微结构的四个主要参数的影响,以此为依据归纳拟合出修正节流系数,建立了带有修正节流系数的导轨性能半解析模型,揭示了微结构参数微米量级变化对导轨性能的影响规律。以转动刚度最优、兼顾承载力和刚度为原则,归纳了各微结构参数的选取表达式,用于指导同类型静压气体导轨的设计。以光刻机可变狭缝系统为例,采用提出的修正节流系数及微结构选取方法对下层导轨进行设计。试验表明,转动刚度达到10.3×10^(3)N·m/rad,可以满足高速可变光阑加速扫描运动的需求,验证了方法的准确有效性。

大行程纳米级定位工作台的结构设计

考虑采用静态三步拼接曝光法的扫描干涉场曝光系统的性能与工作台的定位精度及稳定性相关,设计了一种大行程、高精度二维工作台以提高其定位精度。采用摩擦驱动和压电陶瓷微位移机构组合的方式构成宏、微进给机构,由闭式气体静压导轨带动工作台实现沿X、Y两个方向的光栅分度与扫描运动。优化设计了摩擦驱动机构和气体静压导轨结构,并对工作台整体结构固有频率进行了有限元分析。使用自准直仪检测了导轨在X、Y方向的直线性,结果显示其两方向偏航和俯仰精度均在±0.04μm以内。使用激光干涉仪检测了导轨在X方向的定位精度和定位噪声,结果表明,对X向行程为220mm、Y向行程为300mm的工作台,其X方向的定位精度优于±5nm,定位稳定性可达±25nm。得到的结果满足扫描干涉场曝光系统工作台纳米级定位精度的要求。

气膜介电常数与供气压力的相关性实验研究

基于电容法测量气体静压导轨气膜厚度的原理,进行供气压力与气膜介电常数相关性的研究。实验结果表明,环境条件不变的情况下,供气压力范围在0.1～0.48MPa之间,气膜介电常数与供气压力呈显著负相关并符合4阶多项式关系,拟合决定系数R2均大于0.94,该结果为气体静压导轨气膜精准电容模型的建立提供了依据。