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文檔簡介
1、<p><b> 本科畢業(yè)論文</b></p><p><b> (20 屆)</b></p><p> 納米壓印機的總體設計與虛擬裝配</p><p> 所在學院 </p><p> 專業(yè)班級 機械設計制造及自動化
2、 </p><p> 學生姓名 學號 </p><p> 指導教師 職稱 </p><p> 完成日期 年 月 </p><p><b> 摘要</b></p>
3、;<p> 納米壓印技術是20世紀90年代中期發(fā)展起來的一種新型的微納結構制備技術。它繼承了傳統(tǒng)光刻技術的并行性,因此具有與傳統(tǒng)光刻技術可比擬的高產(chǎn)率。同時又繼承了直寫式納米結構制備技術的高分辨性。納米壓印技術另一特點在于借鑒了古老的壓模技術,因此避免在光刻技術中所用到的昂貴的光學系統(tǒng),從此大大降低了成本。納米壓印技術的這些特點使這種技術被認為是最有應用前景的下一代微納結構刻蝕技術之一。在本研究工作中,首先建立了納米壓印
4、技術的完整的工藝流程,并對現(xiàn)有的納米壓印技術進行進一步的改良,使之能夠運用于更廣泛的領域。</p><p> 在納米壓印機的設計中的一項重要環(huán)節(jié)便是虛擬裝配。虛擬裝配(Virtual Assembly)是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個重要環(huán)節(jié),在虛擬技術領域和仿真領域中得到了廣泛的應用研究。</p><p> 虛擬裝配(Virtual Assembly)采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術,通過仿真模
5、型在計算機上進行仿真裝配,實現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、加工制造、裝配和調試,它是實際裝配的過程在計算機上的本質體現(xiàn)。目前,就其技術而言,已經(jīng)成熟,雖尚沒有商用虛擬裝配系統(tǒng),也尚未充分地應用于新產(chǎn)品開發(fā)的分析和評價,但這項技術在新產(chǎn)品開發(fā)中已得到肯定,并具有很重要的意義。過去傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā),常需要花費大量的時間、人力、物力來制作實物模型進行各種裝配實驗研究,力求在產(chǎn)品的可行性、實用性和產(chǎn)品性能等方面進行各種測試分析?,F(xiàn)代設計要求設計人員在虛擬產(chǎn)品
6、開發(fā)早期就應考慮裝配問題,在進行虛擬裝配的同時創(chuàng)建產(chǎn)品、分析裝配精度,及時優(yōu)化設計方案。本研究旨在為納米技術研究提供一種制造手段,推動納米光電子、納米磁存儲、生物微流器件等微納米器件的研究和產(chǎn)業(yè)化的進一步發(fā)展。</p><p> 關鍵字:光刻;納米技術;虛擬裝配</p><p><b> Abstract</b></p><p> Nan
7、oimprint lithography (NIL) has been proposed as alternative approach for the fabrication of nanostructures with critical dimensions in the sub-100 nm range on the wafer scale, It involves two steps: imprinting and patter
8、n-transfer. In the imprinting step, a mold with nanostructures on its surface is impressed into a thin resist film on a substrate.In the pattern-transfer step, an anisotropic etching process such as reactive ion etching(
9、RIE) is used to remove the residual tesist in the compres</p><p> Nano-imprint in the design of an important part is the virtual assembly. Virtual assembly is the definition of digital products an importan
10、t part of the virtual and simulation technology in the field have been widely applied research.Virtual assembly by computer simulation and virtual reality technology, through on a computer simulation model to simulate as
11、sembly, the product of the process planning, manufacturing, assembly and commissioning, it is the actual assembly process on a computer embo</p><p> Keywords:Lithography; Nano-Technology;Virtual Assembly<
12、;/p><p><b> 目錄</b></p><p><b> 第1章 緒論1</b></p><p> 1.1 課題概述1</p><p> 1.2 本文主要的研究工作2</p><p> 1.3 本文的組織結構2</p><p>
13、 第2章 納米壓印工藝及納米壓印機的總體設計3</p><p> 2. 1熱壓印工藝4</p><p> 2.2 納米壓印機的總體設計8</p><p> 第3章 基于SolidWorks的虛擬裝配15</p><p> 3.1虛擬裝配的概述15</p><p> 3.2 虛擬裝配的工作原理及其特點
14、分析16</p><p> 3.3 三維繪圖軟件——solidworks19</p><p> 第4章 基于SolidWorks的納米壓印機虛擬裝配21</p><p> 4.1 X-Y粗動工作臺的虛擬裝配21</p><p> 4.2 找平裝置的虛擬裝配24</p><p> 4.3轉動工作臺的虛
15、擬裝配26</p><p> 第5章 X-Y粗動工作臺的爆炸視圖28</p><p><b> 總結30</b></p><p><b> 致謝31</b></p><p><b> [參考文獻]32</b></p><p><b
16、> 第1章 緒 論</b></p><p><b> 1.1 課題概述</b></p><p> 現(xiàn)今利用光刻手段制作的納米量級圖形主要是靠納米結構制作,這樣能保持它所特有圖形的精確度和分辨率。而且光學光刻的極限分辨率一直在前進,極限分辨率可以達到光源波長的一半,波長的光源分辨率可達100nm,更有157nm波長的光源分辨率將達到70nm。由于
17、各種材料等其他的原因,跨越70nm光學光刻的技術遇到了很大的困難。</p><p> 科學的困難不能這樣而放棄,所以跟上集成電路技術的快速發(fā)展,在努力突破光學光刻極限分辨率的背景下,找到一種可以代替光學光刻的更好的光刻技術在最近幾十年得到了快速的發(fā)展。為了更好的使產(chǎn)品引用于生活中,所以產(chǎn)品的生產(chǎn)必須是廉價的,操作簡便的,高重復性的,大批量生產(chǎn)的。雖然找到了極紫外光刻,但是整個光刻系統(tǒng)費用昂貴。這就阻礙了工業(yè)化生
18、產(chǎn)的要求。</p><p> 針對以上的難題,美國“明尼蘇達大學納米結構實驗室”從1995年開始自力于開創(chuàng)性的研究,他們提出并展示了一種叫做“納米壓印”(nanoimprint lithography)的新技術。</p><p> 軟刻印術對納米壓印技術的發(fā)展起到了一種存進的作用,首先它要制作具有剛性的納米圖案的壓模,然后在將基片上的聚合物薄膜制作成納米圖形,還需要進行一系列的刻蝕,剝
19、離等加工過程,最后成了納米結構和器件。針對上述的發(fā)明克服了不能大批量生產(chǎn)的致命的問題,而且出來的產(chǎn)品均勻性和重復性還得到了進一步的提高。這種技術復合了現(xiàn)在社會廣泛的需求,成本低,效率高,綠色化等優(yōu)點。</p><p> 為了更好的幫助納米壓印機的設計我們需要一個重要的環(huán)節(jié)——虛擬裝配。它是虛擬制造的重要前提,利用電腦的虛擬裝配,可以幫助我們檢查設計和操作的可行性,以便及早的發(fā)現(xiàn)問題解決問題,并顯示其裝配過程。該
20、系統(tǒng)充分的允許設計人員考慮切實可行的裝配序列,自動生成裝配規(guī)劃,他的內容還包括數(shù)值計算,裝配工藝規(guī)劃,裝配操作所模擬和工作面布局等。這使得現(xiàn)在的產(chǎn)品正在向著自動化,數(shù)字化的方向前進。</p><p> 虛擬裝配技術是虛擬制造技術的一個核心內容,它的發(fā)展過程是首先有手工裝配到圓臺式自動裝配到自動裝配線裝配再到柔性自動裝配,最后到虛擬裝配(Virtual Assembly)。虛擬裝配技術主要是虛擬裝配建模,規(guī)劃和評
21、估三部分共同組成。虛擬裝配研究的關鍵內容就是虛擬裝配建模,它是完成所有程序的基礎,充分利用裝配信息進行路徑分析和求解,選擇一條最優(yōu)的裝配路徑,從而達到最優(yōu)化設計的效果。</p><p> 虛擬裝配技術(VirtualAssembly Technolohy)的發(fā)展對虛擬制造技術起到了一個關鍵的作用,對比虛擬制造的其它部分,它又是最薄弱的環(huán)節(jié)。虛擬裝配技術近幾年發(fā)展緩慢,這樣使得它的應用性大大減少,所以這幾年的主要
22、研究課題就是要加快虛擬裝配技術的快速發(fā)展,待這一問題的解決將使該技術建成一個完善的理論體系,促使生產(chǎn)真正在高質量、高效、低成本、段時間的大環(huán)境下完成,同時又不失良好的服務。虛擬裝配從模型重新定位、分析方面來講,它是一種零件模型按約束關系進行重新定位的過程,從現(xiàn)在來講是有用的分析產(chǎn)品設計是否合理的一種方法;從產(chǎn)品裝配過程來講,它是根據(jù)產(chǎn)品設計的形狀特性、精度特性,真實的模擬產(chǎn)品三維裝配過程,并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實模擬裝配過
23、程,以檢驗產(chǎn)品的可裝配性。</p><p> 作為虛擬制造的關鍵技術之一,虛擬裝配技術近年來受到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注,并對敏捷制造、虛擬制造等先進制造模式的實施具有深遠影響。通過建立產(chǎn)品數(shù)字化裝配模型,虛擬裝配技術在計算機上創(chuàng)建近乎實際的虛擬環(huán)境,可以用虛擬產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)設計中的物理樣機,能夠方便的對產(chǎn)品的裝配過程進行模擬與分析,預估產(chǎn)品的裝配性能,及早發(fā)現(xiàn)潛在的裝配沖與缺陷,并將這些裝配信息反饋給設計人員
24、。運用該技術不但有利于并行工程的開展,而且還可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品在市場中的競爭力。</p><p> 所以說在產(chǎn)品的設計當中,虛擬裝配是一項重要的環(huán)節(jié)。</p><p> 1.2 本文主要的研究工作</p><p> 本人在接到論文課題之后,對納米壓印的工藝及納米壓印機的結構,通過查閱相關資料,進行了深成次的了解。學習了軟件Soli
25、dworks,并專門對里面虛擬裝配這一塊進行了仔細的了解。具體工作內容如下:</p><p> ?。?)了解納米壓印發(fā)展狀況和納米壓印工藝及其總體設計;</p><p> ?。?)利用軟件Solidworks對其總體結構進行虛擬裝配;</p><p> ?。?)利用軟件Solidworks對納米壓印機內部的X-Y粗動裝置進行了爆炸,生成爆炸圖。</p>
26、<p> 1.3 本文的組織結構</p><p> 第一章前言,介紹了納米壓印光刻技術研究的目的和意義,以及虛擬裝配,并介紹了本文的工作。第二章對納米熱壓印光刻技術的工藝及其總體設計進行了描述。第三章介紹了軟件Solidworks虛擬裝配。第四章介紹了納米熱壓印機幾個重要部分的虛擬裝配。第五章著重介紹了X-Y粗動裝置的爆炸圖。</p><p> 第2章 納米壓印工藝及納米
27、壓印機的總體設計</p><p> 納米壓印技術是1995年華裔科學家StephenY.Chou提出的。它的過程要先在某一種襯底上涂一層高分子的膠,例如石英,硅片。然后把它放在一定溫度和壓力下,在該高分子膠上用有機械力的方式壓上用電子束光刻技術制備的具有納米尺度線寬的模板,當溫度下降后就可以把模板脫出來了,這是該膠上就有了需要的圖形,該圖形尺寸可以低于10nm??偟膩碚f,出來的圖形還可以繼續(xù)壓印到下面的模板上去
28、。因為這種壓印的過程多采用溫度來控制,所以被稱為熱壓印方法。從這個簡單的納米壓印過程描述中我們得出,熱納米壓印整個流程需要幾個重要的工藝過程有模板制造、壓印過程及圖形轉移過程,用到的主要材料包括襯底材料、模板材料、納米壓印膠或者其他能被壓印的功能材料等,這些材料的研究、工藝過程的每一步其實都面臨了很多的困難,這也正是許多學著正在攻破的難關。</p><p> 經(jīng)過研究人員多年的努力這項納米壓印技術的最先進水平已
29、經(jīng)達到了5nm以下。它最主要有熱壓印、紫外壓印、微接觸印刷和激光輔助壓印,如圖2.1所示。加工聚合物結構的最常用方法就采用用了納米壓印技術,它應用具有高分辨率特點的電子束通過一定的溫度和壓力下將結構復雜的納米結構圖案復制到模板上,接著用預先準備好具有圖案化的模板使聚合物材料形變從而在聚合物上形成結構圖案。激光輔助壓印采用準分子激光脈沖熔融硅片表層,然后用高硬度而耐熱的石英模板壓印液態(tài)的熔融硅表層,待液態(tài)硅層固化后脫模。</p>
30、;<p> (a) (b)</p><p> ?。╟) (d)</p><p> 圖2.1幾種納米壓印工藝流程(a)納米熱壓印工藝流程(b)紫外固化壓印工藝流程(c) 微接觸印刷工藝流程(d)激光輔助壓印工藝流程</p><p>
31、 從圖2.1可以看出,幾種工藝雖然工藝流程各有不同,可他們還是有相同之處:用已經(jīng)準備好的模板,在一定的溫度和壓力下將印章的圖形復制到基片上。首先要制造好的具有可靠性的模板,這樣才能用使用一般的工藝和設備實現(xiàn)大批量圖形的轉移。也能省去昂貴的系統(tǒng)費用和資源浪費。同時,由于納米壓印是通過改變其物理特性,因而光的衍射,散射,光刻膠內部光干涉等因素不能對其分辨率的高低產(chǎn)生影響,因此容易突破傳統(tǒng)光刻工藝的分辨率極限。</p><
32、p><b> 2. 1熱壓印工藝</b></p><p> 熱壓印法的工藝過程分三個步驟:壓模制備、壓印過程、圖形轉移。它的最主要是方法是用具有高分辨率的電子束刻印術,使高硬度的壓模毛坯加工制成一個壓模;接著用預先準備好具有圖案化的模板使聚合物材料形變從而在聚合物上形成結構圖案。</p><p> 首先是壓模制備,壓模通常用金剛石,Si,SiO2,氮化硅等
33、材料制成。這些材料有很多適合做壓模制備的特點如高Knoop硬度、大壓縮強度、大抗拉強度;高熱導率和低熱膨脹系數(shù),這樣即使在溫度很搞的情況下壓模的熱變形很弱。此外,從保護環(huán)境方面來說,重復的壓印制作會影響壓模的特性,需要用化學試劑來清潔壓模表面的污染物,這就必須要求制作壓模的材料具有抗腐蝕性的惰性材料。</p><p> 2.1.1 熱壓印模板</p><p> 熱壓印模板,有時也被稱為
34、印章。簡單地說,納米壓印刻蝕技術可以說是對圖形的從這個面到另一個面的復制和轉移。整個過程一個關鍵部分就是模板,所以需要模板制備具有高分辨率,穩(wěn)定,重復性高。對轉移到聚合物上的圖形質量起重要作用的就印章上的圖形質量,它的分辨率高低決定了聚合物上圖案的分辨率。制備印章的方法可以有很多種方式,經(jīng)常使用的方式有:電子束、極紫外光、聚焦離子束或反應離子刻蝕等。其過程是先在基底上涂上能對電子束敏感的聚合物(PMMA);接著電子束按著原先設計好的圖形
35、程序在聚合物表面掃描曝光,當被曝光時所在區(qū)域的聚合物斷鍵或分解并溶解在準備好的特定的溶劑里,而不在掃描的區(qū)域內的則為不溶,這樣就能發(fā)現(xiàn)有聚合物圖形出現(xiàn)在基底上;最后經(jīng)過實驗室的一系列工序后,就可以發(fā)現(xiàn)基底上有聚合物圖形。常見的印章材料有硅/ 二氧化硅、鎳、石英玻璃印章。熱壓印的模板要做到穩(wěn)定性高,重復使用率高,同時具備以下條件。</p><p><b> ?。?) 高硬度</b></p
36、><p> 由于壓印模板與聚合物要直接物理接觸,所以模板的基底材料要有足夠高的硬度,在壓模和撤模的過程中不容易變形和受損,Si 和SiO2是最常用的模板材料。各種新型的、具有特殊功能的模板材料也在研究中,如Alkaisi MM等人在Si 基底上化學氣相沉積SixNy后,利用電子束直寫曝光技術制備SixNy模板,由于SixNy材料本身的表面性能和硬度,避免了壓印過程中聚合物對模板的污染,而且,SixNy模板在,58℃
37、的低溫下,也能成功實現(xiàn)模板的圖形化轉移。低溫壓印對于減小模板和基底的熱膨脹,提高套刻精度及熱壓印膠的穩(wěn)定性都是非常有利的。Taniguchi J 等人用電子束曝光金剛石表面的PMMA,再結合反應離子刻蝕技術制備了2µm寬,200nm高的金剛石模板,由于金剛石是自然界強度最大的物質,所以這種模板除了進行PMMA的熱壓印外,還能在Al, Cu, Au 等金屬表面直接進行壓印,減少了壓印的步驟,提高了生產(chǎn)效率,適合大批量加工各種光學
38、器件。Pfeiffer K 等人結合電子束曝光和鑄膜技術分別制備了聚合物/硅模板和全聚合物模板,整個過程比較簡單,而且用這種聚合物模板熱壓印得到了最小尺寸70nm </p><p><b> ?。?) 低膨脹系數(shù)</b></p><p> 熱壓印過程中模板和聚合物將會同時被加熱至聚合物的玻璃化轉化溫度之上,再施加一定的外壓,使聚合物流動成型,因此模板材料要有低的熱膨
39、脹系數(shù)和低的壓力收縮系數(shù),避免熱脹程度不同及高壓導致的圖形變形。</p><p><b> ?。?)好的抗粘性能</b></p><p> 在納米壓印工藝中,要求作為壓印膠的聚合物和基底材料之間能有較強的附著能力,這樣才能保證在退模過程中不會與基底脫離而導致結構破壞;同時,聚合物和模板之間應有盡可能低的界面能,以防止在退模過程中因聚合物與模板之間發(fā)生粘連影響印質量。
40、雖然可以通過選擇合適的材料滿足這樣的要求,但是這就限制了這種技術的只用范圍,因此更多的是采用在模板上修飾抗粘層的辦法。目前主要有以下方法在模板上制備抗粘層。</p><p> 模板和聚合物之間的作用力主要來自三個方面,大的接觸面積、楔行模板圖形、各方向摩擦力的連鎖效應導致的機械作用力。模板材料和聚合物之間形成化學鍵的化學作用力以及范德華和氫鍵等作用力。對于兩者之間大的摩擦力,可以通過優(yōu)化熱壓印過程的工藝參數(shù)加以
41、避免,在一定壓印溫度和壓力下延長壓印的時間,使聚合物內部的壓力得以弛豫,有助于避免連鎖的摩擦效應。對于一個給定的聚合物表面,另一物質表面自由能越小, 兩者之間的粘附功越小, 反之,另一物質的表面自由能越大,則粘附功越大。所以熱壓印的模板表面自由能應該盡可能小,而用于承載聚合物的基底應該具有較大的表面自由能,這樣聚合物與基底之間的作用力大于聚合物與模板之間的作用力,有利于避免粘附的發(fā)生。對于一個特定的壓印過程,基底和聚合物材料通常是一定的
42、,因此,一般通過對模板修飾抗粘層的方法,來獲得較好的分離效果。</p><p> 目前主要有三類材料用作熱壓印模板的抗粘層。第一類是金屬薄膜,由于很多金屬的表面能較低,界面張力小,表現(xiàn)出對聚合物的疏水性和化學惰性,即使在高溫下聚合物也不容易吸附到模板上。Cr,Ni,Al是熱壓印中常用的抗粘層,其中Ni是目前實驗證明抗粘效果最好的金屬保護層。真空蒸鍍連續(xù)金屬薄膜的厚度在10-20nm,為了不影響模板原有圖形的分辨
43、率,金屬抗粘層適合于圖形特征尺寸較大的模板。第二類是含氟聚合物薄膜,因為F原子的強吸電子能力,使C—F 鍵表現(xiàn)出很強的化學惰性,且其表面能較低,是理想的抗粘層材料,如聚四氟乙烯被廣泛用作抗粘劑,在印章上旋涂一層枝形的全氟聚合物, 在真空中除去溶劑, 薄膜厚度在5-10nm。也有用真空低壓沉積的方式來制備含氟聚合物抗粘層的。含氟聚合物薄膜抗粘層適合于圖形特征尺寸較小的模板。第三類是長鏈硅烷(如十八烷基三氯硅烷)在Si或SiO2表面形成的有
44、序單分子膜(膜厚在1-2nm),這種單分子膜抗酸堿、耐高溫,能有效地避免聚合物的粘附,但其機械穩(wěn)定性和潤滑性不是很好。而末端含有C—F 功能基的三氯硅烷形成的單分子膜則顯示出更好的抗粘性能。單分子膜抗粘層適合于圖形特征尺寸在10</p><p> 2.1.2 熱壓印膠的選擇</p><p> 熱壓印膠是對“壓力” 敏感的聚合物*。因此用作熱壓印膠的聚合物必須滿足: (1)聚合物可以在外
45、力作用下流動發(fā)生形變,即聚合物是非晶態(tài)的。對于非晶態(tài)聚合物,聚合物鏈的流動性強烈地依賴于溫度,且在一定外力下,聚合物的粘彈性很大程度上取決于時間,當溫度比玻璃態(tài)溫度Tg(分子鏈開始運動的溫度)高出足夠多時,整個聚合物鏈就能夠在壓印時間內完全不可逆地流動, 這是熱壓印過程中的理想流體行為,不可逆流動的比例越大,則得到圖形的缺陷越少。(2) 聚合物的熱膨脹系數(shù)和壓力收縮系數(shù)要小,使聚合物圖形在降溫撤模后的形變較小,而且聚合物在壓印溫度下是化
46、學穩(wěn)定的,不發(fā)生斷鍵或分解。(3)聚合物相對于基底有較高的干法刻蝕選擇性,即在反應離子刻蝕中,用聚合物做掩??涛g基底的選擇性高。PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂)是應用最多的熱壓印膠。它是一種常用的電子束抗蝕劑,能溶于很多極性和非極性有機溶劑,在涂膜過程中能獲得很好的均勻性,這對于圖形的無缺陷轉移是非常重要的。PMMA 是一種無定形聚合物,它的熱膨脹系數(shù)為5×10-5K-1,壓力收縮系數(shù)僅為5.5×10-6bar-1,而且
47、PMMA的分子量分布較寬,低分子量的PMMA比</p><p> 2.1.3 壓印過程</p><p> 壓印過程主要包括壓模和撤模,壓模之前,在基底表面(通常是Si,SiO2或沉積金屬材料的Si)均勻涂敷一層聚合物,聚合物的厚度取決于模板的尺寸和圖形的特征尺寸。一方面,為了避免多次壓印后聚合物粘附到模板上,提高干法刻蝕的選擇性,壓印膠厚度要盡量??;另一方面,為了避免剛性模板直接擠壓基
48、底引起磨損和提高聚合物流動效率,壓印膠厚度要盡量厚,所以熱壓印膠的厚度通常選擇為略大于模板圖形的高度。</p><p> 壓模的過程是同時加熱壓印模板和基底至壓印溫度后,恒溫加壓使模板能夠壓入可流動的聚合物中,模板凸區(qū)與基底接觸區(qū)域的聚合物就會向凹區(qū)流動直至平衡,然后降低溫度至玻璃態(tài)溫度Tg以下,分離模板和基底,就得到不同聚合物厚度、與模板圖形反相的圖案。壓印過程中溫度和壓力對時間的關系見圖2.2。</p
49、><p> 圖中A段為加熱區(qū),通常加熱的最高溫度即壓印溫度控制在高于Tg(40-80℃),對PMMA膠,溫度一般高出Tg 40℃以上,溫度太低,則聚合物的流動性不夠,且可逆流動所占的比例較大,撤模后基底圖形的變形較大,溫度太高,則有可能破壞聚合物分子鏈本身的結構,使圖形化區(qū)域產(chǎn)生較多缺陷,所以熱壓印的溫度要控制在適當范圍內。</p><p> B 段為恒溫加壓區(qū),在壓印溫度T下,在模板上加
50、壓,壓力通??刂圃?.5-5MPa,恒溫加壓的時間取決于聚合物的種類、厚度、模板的尺寸及模板圖形的尺寸。當圖形尺寸在納米級時,平衡容易達到,壓印時間t較短,如3~5min;當圖形尺寸在微米級時,則聚合物流動填充凹區(qū)的時間較長, 需要10min或更長時間。</p><p> C段為降溫區(qū),聚合物填充凹區(qū)達到穩(wěn)定狀態(tài)后,溫度開始降低至Tg附近。因為在Tg時,聚合物對機械力表現(xiàn)出軟彈性行為,選擇在Tg附近撤??梢员M量
51、減少模板上的圖形磨損和壓印后的聚合物圖形損傷,但是脫模溫度太高,則撤模后由于彈性恢復導致圖形變形較大,影響圖形轉移精度,通常將溫度降到Tg以下30℃脫模。</p><p> D 段為分離模板和基底, 模板上的圖形被反相復制到基底聚合物上。</p><p> 圖2.2 熱壓印過程中溫度和壓力隨壓印時間的控制曲線</p><p> (Temb :壓印溫度;Tamb
52、:環(huán)境溫度;Tg:PMMA的玻璃化溫度;temb:熱壓印時間)</p><p> 2.1.4 反應離子刻蝕</p><p> 不同厚度的聚合物形成了壓印后的圖形,因此可以利用反應離子刻蝕技術對整個聚合物表面進行減薄。薄的聚合物被去掉,基底裸露;而厚的聚合物均勻降低,它們的高度差不變,由此圖形化區(qū)域殘余的聚合物被除去。由于反應離子刻蝕含有一定的各向同性成分,若刻蝕減薄的時間過長,則有可能
53、造成圖形線寬的拓寬,降低圖形的分辨率和陡直度,所以在保證圖形完全轉移而又不損傷模板的前提下,聚合物厚度應盡可能薄。</p><p> 2.2 納米壓印機的總體設計</p><p> 2.2.1總體設計方案的選取</p><p> 為使納米壓印光刻設備能同時適應冷熱壓印,我們采用模塊化的設計思想對納米壓印機進行設計,通過更換不同的模塊,即可實現(xiàn)兩種工藝。根據(jù)上述
54、兩種工藝及納米壓印高分辨率、高精度的特點,決定了設計方案的選?。?lt;/p><p> (1) 納米壓印光刻機高精度和高分辨率要求整個設備有很好的剛性,同時系統(tǒng)環(huán)境也有相當高的要求。因此納米壓印機采用剛性較好的龍門式結構,整個設備放置在超凈環(huán)境中,并組建隔振系統(tǒng)。</p><p> ?。?) Z向主運動需要高精度的驅動定位,同時還需要提供較高的壓力,以滿足冷壓印和熱壓印的要求。要實現(xiàn)分步式壓
55、印,要求較高精度的定位對準,同時還要求較大的工作行程,下工作臺需提供X-Y-θ三個自由度的運動,均采用宏微兩級驅動實現(xiàn)粗精定位找準。</p><p> ?。?) 熱壓印和冷壓印兩種工藝在同一設備上實現(xiàn),設備需要加熱及溫控模塊,以及曝光光源和光路,另外還需要光路和電路來實現(xiàn)定位對準的檢測和反饋控制。</p><p> (4)設備工作過程中數(shù)據(jù)量不大,機械運動較為簡單,無多軸聯(lián)動,故采用數(shù)據(jù)
56、采集卡進行數(shù)據(jù)采集和伺服電機的運動控制。</p><p> 根據(jù)上述原則,整個系統(tǒng)示意圖如下:</p><p> 圖2.2納米壓印機系統(tǒng)示意圖</p><p> 2.2.2納米壓印機機械部分的設計</p><p> 機械本體是控制系統(tǒng)的控制對象,它的結構和功能基本上決定了整個設備的功能。我們研制的納米壓印光刻系統(tǒng)示意圖與實物如下所示,
57、主要分為以下幾個部分組成:</p><p><b> ?。╝)</b></p><p> 圖2.3 納米壓印機(a)納米壓印機示意圖</p><p> 隔震臺及納米壓印機框架的設計</p><p> 在納米壓印過程中,任何微小的振動會對壓印質量產(chǎn)生很大的影響,因此減振裝置是納米壓印設備中必不可少的一個部分。納米壓印
58、過程中的振動源主要來自兩個方面:設備機械運動所引起的振動和外界環(huán)境中的振動。減振臺采用氣浮工作臺,一塊厚花崗巖石板放置在氣浮工作臺上作為放置設備的平臺。整個減振裝置符合大質量、小剛度的原則,使系統(tǒng)受到的振動干擾降低到較低的限度。</p><p> 機架主要由底座立柱和頂板組成,采用龍門式結構,由四根安裝在底座的立柱支撐頂板,伺服電機和減速器均安裝在頂板上。采用這種結構使設備有很大的操作空間,同時便于對準裝置,光
59、源和曝光系統(tǒng)的引入。</p><p> 2.2.3 壓頭和承片臺</p><p> 納米壓印機壓頭部分采用圓筒形的設計,如圖2.4所示,圓筒的一端與Z向絲桿的螺母緊固在一起,另外一端裝有真空吸緊裝置,圓筒的中間安裝曝光和對準的光路。這種設計的優(yōu)點是:(一)有足夠的空間避開絲桿,從而避免了壓頭和螺母連接采用懸臂式的結構,增加了系統(tǒng)的剛性。(二)有足夠的空間安裝系統(tǒng)的曝光光路和對準光路,便
60、于曝光光路和對準光路的安裝。</p><p> 納米壓印機設計最大能夠進行6英寸基片的壓印,故承片臺尺寸設計位180mm×180mm,并且承片臺同時還作為勻熱板。在進行納米熱壓印時,需要有夾具對模板和樣品進行固定,但是壓印時模板和樣品緊密接觸,已經(jīng)沒有空間安裝機械夾具。因此,我們采用采用真空吸緊,如圖2.4(b)所示。在承片臺上表面加工了環(huán)形的槽,用一條小的導氣槽將所有的環(huán)行槽連通,導氣槽的末端加工一
61、個小孔,與加工在側壁的抽氣孔相通。工作時,通過潔凈室的抽真空管道通過不銹鋼耐熱抽氣管與抽氣孔相通,樣品放在承片臺上表面時,承片臺進氣小孔因被樣品蓋住而在管內產(chǎn)生負壓,樣品受大氣壓力作用而與承片臺上表面緊密貼緊。</p><p> ?。╝) (b)</p><p> 圖2.4 壓頭和承片臺(a)壓頭 (b)承片臺</p>
62、;<p> 2.2.4 Z向主運動的設計</p><p> Z向運動采用伺服電機經(jīng)行星齒輪減速器減速驅動滾珠絲杠,行星減速器的主軸和滾珠絲杠通過連軸套連接,絲桿通過固定在上壓頭上的螺母帶動上壓頭的上下運動,并通過直線軸承和直線導軌組成的滑動副實現(xiàn)運動的導向,該方式有傳動比大,能提供較大的壓印力,位移分辨率高及導向精度高的特點。</p><p> 在納米壓印樣機的設計中,
63、我們采用的是步進電機作為驅動源,但是實際應用中步進電機很難滿足高精度定位的要求,因為步進電機的控制為開環(huán)控制,啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉的現(xiàn)象,停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象,所以為保證其控制精度,應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制,驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣,內部構成位置環(huán)和速度環(huán),一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象,控制性能更為可靠。</p><p> 此外,通過
64、控制軟件可以調節(jié)電機轉速,共有高、中、低三種不同速度,這樣,當模板離樣品比較遠的時候,就可以采用較高轉速使兩者盡快接近,以提高工作效率,而在兩者快要接近的時候,則改為較低轉速,以實現(xiàn)對壓力和位移的準確控制。</p><p> 2.2.5 加熱及溫度控制模塊的設計</p><p> 在熱壓印中,需要對樣品或模板進行加熱。加熱溫度直接決定了聚合物光刻膠的流動性,溫度太高,則光刻膠會因流動性
65、過大而無法進行保持一定的形狀,從而無法進行有效的圖形復制;溫度過低,則光刻膠硬度太大,模板的無法有效的壓入光刻膠,無法實現(xiàn)良好的圖形轉移,嚴重時會損壞模板。因此為了實現(xiàn)對基片或模板的均勻加熱,采用簡單的電阻加熱,加熱元件為兩根功率600瓦的加熱棒,加熱器如圖2.5(a)所示。采用加熱板和勻熱板結合,保證溫度均勻性,見圖(b)。勻熱板上表面經(jīng)過精磨作為樣品或模板的承載面,為了保證較好的傳熱效果,加熱棒以過渡配合安裝在加熱板的內孔。加熱棒外
66、端有接線端子,接電子溫度控制儀。經(jīng)使用有限元軟件進行建模和傳熱學仿真發(fā)現(xiàn)使用勻熱板后,承片臺溫度均勻性與未使用勻熱板有很大的改善。</p><p> ?。╝) (b)</p><p> 圖2.5 加熱器與勻熱板(a)加熱器 (b)加熱器與勻熱板裝配圖</p><p> 勻熱板內部裝有測溫電偶,將溫度信號
67、轉變?yōu)殡娦盘?。該信號由安裝在主控制箱的電子溫度控制儀來讀取并通過指針顯示。勻熱板溫度可以通過電子溫度控制儀的旋鈕設定,其溫度范圍為0~400?C。為了確定溫控儀的準確性,我們采用數(shù)顯式點溫儀對溫度進行了測試,實驗證明其溫度控制準確度在2?C。</p><p> 2.2.6 壓印過程中力的監(jiān)控</p><p> 納米壓印光刻工藝中最重要的一步工藝是壓印,壓印過程中應該對壓力進行準確的控制
68、。如果壓力過小,則圖形轉移不夠清晰;如果壓力過大,則有可能損傷模板或基片,嚴重的話會引起模板的斷裂,尤其當采用比較昂貴的電子束光刻制作的模板時,這個問題尤其顯得重要。所以,在壓印過程中,必須對壓力進行可靠而準確的實時檢測,以實現(xiàn)對圖形轉移的準確控制并防止模板和基片的破壞。</p><p> 由于壓印過程中僅需要進行Z向一維力的測量,主要是加壓時的壓力和脫模時的拉力的測量,故選用單軸拉力傳感器作為測量元件。這里選
69、用了三臺力傳感器,以保證工作臺表面不發(fā)生較大傾斜。由于采用一臺力傳感器時,由于工作臺實際所受壓力往往與力傳感器不完全同軸,所以容易引起工作臺發(fā)生傾斜,從而引起模板與樣品之前的水平滑移而造成壓印圖形損傷。而采用三臺力傳感器以工作臺中心沿圓周對稱安裝的方式,則可較好的解決這個問題。三臺力傳感器的壓頭與工作臺之間采用球鉸連接,以補償三臺力傳感器高度之間的微小差別。這個時候總壓力值為三個力傳感器輸出值之和。3臺拉/壓力傳感器的量程30kg,其測
70、量分辨率為1‰F.S.。力傳感器的輸出為電壓信號,經(jīng)過信號放大器放大,由數(shù)據(jù)采集卡采集并進行A/D轉換并傳遞給電腦主機,控制軟件NIL-STAR V1.0根據(jù)標定值和A/D轉換后的電壓值計算出實際壓力值并輸出。</p><p> 圖2.6 力傳感器對稱式安裝示意圖</p><p> 2.2.7 紫外光源和曝光時間控制</p><p> 曝光系統(tǒng)用于冷壓印即紫外
71、固化壓印工藝,光源為高壓汞燈點光源,波長310~375nm,點光源通過光學系統(tǒng)引入光照區(qū)。光源發(fā)出的光經(jīng)透鏡系統(tǒng)的準直、過濾之后,經(jīng)反射鏡反射得到平行的紫外光。</p><p> 整個對準光路系統(tǒng)安裝在圓筒形壓頭內。光從對紫外光透明的模板背面射到壓印膠的表面來使光刻膠固化。高壓汞燈必須使用相應的鎮(zhèn)流器和觸發(fā)器(電容),因其電流較大,曝光時間采用安裝在控制箱里的數(shù)顯式時間繼電器控制。</p><
72、;p> 2.2.8 高精度的對準系統(tǒng)</p><p> 納米壓印過程中,需要兩種類型的對準運動:水平方向的對準運動或稱之為定位和垂直方向的對準運動或稱之為找平。定位是指在水平方向將模板移動到相對硅片的某個位置。對于各種納米壓印尤其是多層壓印或分步壓印必須對模板與硅片之間進行嚴格的定位。多層壓印需要多個模板分別進行各層壓印,每層模板都必須與硅基片進行嚴格的套刻定位。類似地,分步壓印是用一個小尺寸模板在較大
73、面積的基片上重復壓印多個圖案,因此每步壓印前都必須將模板移動相對硅片的某個位置。為實現(xiàn)定位,模板與硅片之間的相對運動應包括沿x、y 軸的直線運動和繞z 軸的旋轉運動(θ)三個自由度;找平是指將模板和硅片之間保持均勻接觸。壓印光刻比光學光刻對找平要求更嚴格,這是因為光學光刻中投射光束允許較大的找平對準誤差。而在壓印過程,模板和硅片之間必須保持嚴格的平行度,否則抗蝕劑薄膜將呈楔形,如圖2.1(a)所示。這不但影響圖形轉移的精度,而且壓印過程
74、中模板和抗蝕劑之間在各處不能保證均勻一致的壓印力。找平對準運動應包括三個運動自由度,即沿z 軸的直線運動和繞x、y 軸的旋轉運動(α和β)??傊瑸閷崿F(xiàn)模板和硅片之間的對準,壓印光刻設備應提供六個自由度的運動,</p><p> 圖2.7 模板與硅基片之間的平行度要求: (a) 抗蝕劑底膜呈楔形;(b)對準所需運動</p><p> 為自動補償模板與硅基片之間的不平行度,保證大面積上
75、圖形轉移的一致性,我們設計了粗找平裝置。當模板與樣品之間間隙不均勻時,需進行繞X軸和Y軸轉動調節(jié)才能達到模板和樣品的平行,粗找平工作臺原理如圖,該裝置由底座、彈簧、頂柱、側向鎖緊螺釘組成。承片臺由四個頂柱支撐,頂柱上端與承片臺采用球鉸連接以適應承片臺工作中的微小傾斜。壓印前,將四個側向鎖緊螺釘松開,則頂柱在彈簧的作用下向上頂緊承片臺,使樣品和模板均勻貼緊,同時,承片臺產(chǎn)生微小傾斜以適應樣品的楔形誤差。樣品與模板貼緊后,將側向鎖緊螺釘擰緊
76、,則可保證模板與樣品之間的平行度。</p><p> ?。╝) (b)</p><p><b> ?。╟)</b></p><p> 圖2.8 自動找平過程示意圖</p><p> X、Y粗動工作臺由行程為150mm,采用手動方式來實現(xiàn)樣品在水平方向的
77、粗定位。水平方向的精密定位由二維彈性微動工作臺和精密轉動工作臺組成的X-Y-θ工作臺實現(xiàn)。其中,二維彈性微動工作臺原理如圖2.9所示。它在一個平面上布置,內、外聯(lián)成柔性鉸支放大機構,分別實現(xiàn)X和Y方向的微動。每個方向的工作臺由四個支點穩(wěn)定的支承。由壓電晶體微位移器經(jīng)兩級杠桿放大驅動,可產(chǎn)生無耦合的X和Y方向的微動。用電感測位儀對XY方向微動位移進行標定,如圖2.8(c)和(d)所示。其微動分辨率優(yōu)于5nm。當供給300V滿電壓時,最大微
78、動范圍可達73μm×60μm[17]。精密轉動工作臺原理如圖2.10所示。轉動千分尺1可實現(xiàn)θ粗動,轉動千分尺2通過1:40斜面可實現(xiàn)微動。</p><p> 圖2.9二維彈性微動工作臺 圖2.10轉動工作臺結構示意圖</p><p> 第3章基于SolidWorks的虛擬裝配</p><p> 隨著信息時代及全球經(jīng)濟一體化進程的到
79、來,產(chǎn)品的異地設計和制造、敏捷制造技術、虛擬制造技術等先進的制造模式和技術正在成為制造工程界研究和應用的熱點和重點領域,本章就針對虛擬制造技術的一重要環(huán)節(jié)—虛擬裝配技術進行了描述。</p><p> 3.1虛擬裝配的概述</p><p> 3.1.1 虛擬裝配發(fā)展背景</p><p> 隨著市場經(jīng)濟競爭的激烈這就要求制造業(yè)需要以最短的產(chǎn)品開發(fā)周期、最優(yōu)的產(chǎn)品質
80、量、最低廉的制造成本和最好的技術支持與售后服務來贏得眾多市場與用戶的一杯羹。制造的產(chǎn)品以及改變人們消費的變革,這給了以傳統(tǒng)為代表的制造業(yè)帶來了嚴峻的考驗,以機械為特征的傳統(tǒng)技術將世紀的制造業(yè)邁向著以信息為特征的系統(tǒng)技術時代。隨著計算機技術水平的不斷發(fā)展,特別以軟件和硬件為代表得到了極大的發(fā)展。這使得先進制造技術不斷發(fā)展,2O世紀9O年代以來產(chǎn)生了一種新的制造體系和模式——虛擬制造(Virtual Manufacturing,VM),迅速
81、成為現(xiàn)代制造技術與系統(tǒng)發(fā)展的主流。虛擬制造技術綜合集合和應用了許多先進學科領域知識,通過以數(shù)字化建模技術然后計算機仿真技術接著分析優(yōu)化技術為基礎,在產(chǎn)品設計階段或產(chǎn)品制造階段,模擬出產(chǎn)品的未來制造全過程及其對產(chǎn)品設計的影響,預測產(chǎn)品的性能、成本和可制造性,以達到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本的最優(yōu)化,生產(chǎn)效率的最高化之目的。虛擬裝配是虛擬制造研究領域的重要研究分支。</p><p> 3.1.2虛擬裝配在國內外的發(fā)展&l
82、t;/p><p> 隨著20世紀80年代虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality簡稱VR)概念的首先提出來,虛擬現(xiàn)實作為一門新興學科正在蓬勃發(fā)展,虛擬裝配作為虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術的一種單元技術,在虛擬制造、動態(tài)仿真中發(fā)揮著重要的作用。虛擬現(xiàn)實采用計算機技術生成一個逼真的,具有視、聽、觸等多種感知的人工虛擬環(huán)境,使置身于該環(huán)境中的人可以通過各種多媒體傳感交互設備與這一虛構的環(huán)境進行實時交互作用,產(chǎn)生身臨其境的感覺,具有自
83、主性、沉浸感和交互性的特征。國際上對該技術無論是在應用、研究,還是在相關產(chǎn)品的產(chǎn)品化方面均取得了顯著的成果,而國內對這方面的研究還剛剛起步。</p><p> 波音公司在數(shù)字化代表產(chǎn)品波音777的展示中,不像以往那樣重點宣傳新型飛機本身性能如何優(yōu)越,而是強調他們充分利用數(shù)字化研制技術以及產(chǎn)品研發(fā)人員的重新編隊等方面。波音777飛機項目順利完成的關鍵是依賴三維數(shù)字化設計與綜合設計隊伍(238個Team)的有效實施
84、,保證飛機設計、裝配、測試以及試飛均在計算機上完成,研制周期從過去的8年時問縮減到5年,其中虛擬裝配的工程設計思想在研制過程中發(fā)揮了巨大的作用。</p><p> 德國Fraunhofer工業(yè)工程研究所較早進行了虛擬裝配規(guī)劃系統(tǒng)的研究和開發(fā),他們開發(fā)的第一個虛擬裝配規(guī)劃原型系統(tǒng)可以實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中執(zhí)行裝配操作,交互地裝配和拆卸零件,并在用戶交互的基礎上生成裝配圖,進行裝配工時</p><p&
85、gt; 我國從90年代中后期開始進行虛擬裝配方面的探索和研究工作,我國虛擬裝配技術的應用研究尚處于起步階段,只有為數(shù)不多的機構如清華大學、浙江大學、武漢理工大學和西北工業(yè)大學等院校作了有益的研究,由于虛擬現(xiàn)實設備非常昂貴,近年來國內大多數(shù)研究被限制在介紹國外的進展理論探討范圍內,或者在非虛擬現(xiàn)實環(huán)境下進行研究。</p><p> 3.2 虛擬裝配的工作原理及其特點分析</p><p>
86、 3.2.1 裝配的基本概念</p><p> 任何一臺機器都是有許多零件和部件組成的。復雜機電產(chǎn)品研制過程中,常常采用修配法或調整裝配法進行產(chǎn)品裝配,因此,如何對裝配誤差累計進行分析,在產(chǎn)品實際裝配之前預測產(chǎn)品最終的裝配精度,并提前設計出合理可靠的裝調方案,是裝配工藝師在裝配工藝設計中需要解決的核心問題之一。在機械裝配中,根據(jù)零件組合的特點把機械的組成單元作如下區(qū)分:</p><p>
87、; 1.零件 機械組裝是有許多個零件構成的。有一個材料組成,不能分解。當裝配中,零件是裝配的基礎東西,它必須有相當好的基準面配合,保證裝配在它上面的零件的相對位置具有很高準確性,這種零件稱為基礎零件。</p><p> 2. 組件 他的組成部分是很多的零件,但這些零件不具有獨立功能。如活塞連桿組成一個組件,它由連桿、活塞、活塞銷等零件組成,但不能獨立發(fā)生作用,必須與缸體、缸蓋和曲軸等協(xié)調起來才能進行工作。&l
88、t;/p><p> 3. 部件和總成 有若干組件或零件組成,具有結構上和作用上的獨立性,這樣的組件稱為部件或總成。例如一個濾清器,只要讓流體從它的內部流過,它就能對流體起濾清作用,這就可以稱為部件或總成。但習慣上是把直接組成機械的單元稱作總成。組成總成的單元稱作部件。例如但習慣上是把直接組成機械的單元稱作總成。組成總成的單元稱作部件。機械裝配的過程,就是由零件組裝成組件、由組件組裝成部件、由部件組裝成總成和最后組裝
89、成機械的過程。</p><p> 由于機械產(chǎn)品結構較為復雜,零部件就會有很多。裝配系統(tǒng)圖可以分開畫成幾張,即產(chǎn)品總裝的裝配系統(tǒng)圖,如圖 3.1 中 (a) 圖所示。各部件、組件裝配系統(tǒng)圖,如圖3.1中 (b) 圖所示。圖3.1 即為這種過程的示意圖。</p><p> 圖 3.1 裝配系統(tǒng)路線示意圖</p><p> 傳統(tǒng)制造業(yè)注重規(guī)模效益,以手工裝配為主的傳
90、統(tǒng)的裝配方法還是能夠適應對新產(chǎn)品開發(fā)的需要。特別是在大規(guī)模生產(chǎn)下,新產(chǎn)品的開發(fā)也都局限于對已有產(chǎn)品進行局部的改進設計。這時,由于設計人員及裝配工人已對產(chǎn)品本身及裝配工藝比較熟悉,還是可以較順利的完成設計、試生產(chǎn)、裝配驗證、最終成批生產(chǎn)的整個開發(fā)過程。面對傳統(tǒng)裝配中出現(xiàn)的問題,許多產(chǎn)品設計開發(fā)人員致力于產(chǎn)品的預裝</p><p> 配—虛擬裝配。這是因為:1.在虛擬裝配中,由于沒有制造真實的產(chǎn)品,大大減少了產(chǎn)品開
91、發(fā)的成本。2.在虛擬裝配時可以盡可能地解決大部分裝配問題,這就使新產(chǎn)品開發(fā)的周期大為縮短,使企業(yè)盡早占領市場。目前,虛擬裝配的研究取得了一些進展:在裝配的路徑規(guī)劃、運動仿真、產(chǎn)品的可裝配性評價等方面都有一定的突破。但是這些又往往不能支持并行工程。而一些而向產(chǎn)品開發(fā)的軟件雖能支持并行工程。但又是不是面向裝配過程的。如何把二者結合起來是當前的一個研究方向。本文在這方面做了一定的工作,使產(chǎn)品的開發(fā)軟件能夠更好地支持虛擬裝配過程。</p&
92、gt;<p> 3.2.2 虛擬裝配的過程</p><p> 虛擬裝配的過程主要包括產(chǎn)品的總體設計階段、基礎設計階段和詳細設計階段等。</p><p> 1)總體設計階段。為產(chǎn)品研發(fā)的初期階段,完成初步的總體布局,主要包括:建立產(chǎn)品主模型空間;進行設計初步的結構、系統(tǒng)總體布局。</p><p> 2)基礎設計階段。為產(chǎn)品研發(fā)的主要階段,基本完成
93、產(chǎn)品的零部件裝配建模設計,主要包括:產(chǎn)品零部件模型空間分配(虛擬裝配區(qū)域、虛擬裝配層次的劃分);具體零部件模型定義,包括建立三維實體模型和裝配約束;進行靜態(tài)干涉檢驗,保證設計零部件三維模型干涉自由。</p><p> 3)詳細設計階段。為設計研發(fā)的完善階段,完成設計裝配建模的最終設計。主要包括:完成設計裝配建模的最終設計;進行設計零部件三維模型的最終虛擬裝配;進行動態(tài)干涉檢驗,保證設計零部件三維模型無干涉。&l
94、t;/p><p> 圖 3.2 為虛擬裝配過程設計流程圖。</p><p> 圖 3.2虛擬裝配過程設計流程圖</p><p> 3.2.3虛擬裝配系統(tǒng)的功能模型</p><p> 以上分析了虛擬裝配的工作原理,用一句話概括,虛擬裝配是在一個計算機生成的環(huán)境中,利用裝配操作模型,將模擬出的零散部件裝配成產(chǎn)品。在虛擬環(huán)境中進行產(chǎn)品裝配,產(chǎn)品
95、開發(fā)人員能夠迅速了解設計決策對單個操作的影響,全面掌握在虛擬制造中的裝配過程,盡可能早的發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品開發(fā)過程中在的設計、生產(chǎn)和裝配問題,降低開發(fā)成本。在虛擬裝配領域,大量的工作是在裝配規(guī)劃的生成這一向上進行的,即利用虛擬環(huán)境對裝配一個產(chǎn)品所需要的步驟、順序的開發(fā)。</p><p> 可視化的虛擬裝配系統(tǒng)是基于面向對象技術和數(shù)據(jù)庫技術的裝配工藝生成工具。裝配工藝設計與虛擬裝配過程相結合。其中虛擬裝配工藝規(guī)劃是虛擬裝
96、配研究的關鍵內容之一。</p><p> 可視化的虛擬裝配系統(tǒng)需要完成以下功能:</p><p> 1. 提取產(chǎn)品信息到產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)庫;</p><p> 2. 確定產(chǎn)品類型后,選擇適當?shù)难b配工藝知識來進行裝配工藝的推導;</p><p> 3. 根據(jù)裝配工藝所確定的裝配順序,在虛擬環(huán)境下進行虛擬裝配演示;</p>&l
97、t;p> 4. 對裝配過程中零部件的位置姿態(tài)變化要能實時體現(xiàn);</p><p> 5. 裝配工藝知識的維護,包括裝配工藝知識的添加、刪除和修改等。以及裝配工藝知識的導入、導出等。</p><p> 3.3 三維繪圖軟件——solidworks</p><p> Solidworks軟件是在總結和繼承了大型機械CAD軟件的基礎上,在Windows環(huán)境下開
98、發(fā)的第一個機械三維CAD軟件。其推出時最初目標就是成為運行于Windows平臺上的主流三維設計產(chǎn)品,要把功能強大的三維設計軟件放在每一位工程師的桌上。</p><p> 在零件設計方面,Solidworks提供了非全約束的實體特征建模與曲面建模相結合的技術,不但使工程師在設計時操作更加靈活,而且能夠保護用戶設計出非常復雜的產(chǎn)品。變量化的草圖輪廓繪制,能夠自動進行動態(tài)化約束檢查。通過拖動手柄改變尺寸,可以動態(tài)預覽
99、模型,實現(xiàn)特征和草圖的動態(tài)編輯。Solidworks提供的拉伸,旋轉,放樣,掃描,抽殼,筋板,圓角,倒角等功能可以設計出各種實體模型。</p><p> 在裝配體設計方面,Solidworksf的裝配設計方法不僅是自底向上,而且還有自頂向下的裝配設計方法。第二種的裝配方法可以讓設計者在裝配環(huán)境中參考裝配體其他零件及尺寸從而設計新的零件,這也更加適合應用于工程設計。另外,為了設計大型裝配體,設計程序Solidwo
100、rks還能提供了具有獨創(chuàng)性的“封套”功能,利用這種設計上的優(yōu)勢不但可以分步驟解決復雜的裝配體,而且在調用大型裝配體時,“輕化”零部件功能能夠極大的提高運行速度。智能裝配技術,智能零件技術,零件鏡像技術的采用更是大大的提高了設計效率。動態(tài)模擬裝配功能可以自動從Solidworks中獲得裝配模型,然后生成產(chǎn)品的動態(tài)裝配裝配仿真過程,所有的操作功能可以自動從Solidworks下熟悉的方式進行。動態(tài)仿真過程不但生動地體現(xiàn)了零部件的關系和裝配作
101、業(yè)模式,而且有逼真的視覺效果,如豐富的光源和視角,色彩斑斕的紋理等。富有創(chuàng)意的產(chǎn)品配置管理器和裝配配置管理器對整個裝配過程出現(xiàn)的問題進行解決。這使得整個產(chǎn)品和同類零件基于統(tǒng)一的設計,從而使文檔的編制和建立更加合理和有效。由于直接面向產(chǎn)品配置,通過產(chǎn)品配置管理器,設計者可以建立和修改指定產(chǎn)品配置,幾何</p><p> 在工程圖方面,Solidworks提供了生成完整詳細的工程圖的各種設計工具,使用戶能快捷地生成
102、完整的,符合標準的工程圖紙。由于工程視圖是由三維零件或裝配體模型自動在圖紙中生成的,因此不同方向的視圖,局部視圖,剖視圖和其他視圖都是全相關的,當用戶修改圖紙時,三維零件模型或裝配體模型,各個視圖都會自動更新。另外,系統(tǒng)還提供了完備的尺寸和符號標注工具,不但可以在視圖中控制三維模型中已有標注的顯示謀害可以手動加入行為公差,接焊符,粗糙度等符號。</p><p> 第4章 基于SolidWorks的納米壓印機虛擬
103、裝配</p><p> 在納米壓印機的設計中的一項重要環(huán)節(jié)便是虛擬裝配。虛擬裝配技術(VirtualAssembly Technolohy)的發(fā)展對虛擬制造技術起到了一個關鍵的作用,對比虛擬制造的其它部分,它又是最薄弱的環(huán)節(jié)。虛擬裝配技術近幾年發(fā)展緩慢,這樣使得它的應用性大大減少,所以這幾年的主要研究課題就是要加快虛擬裝配技術的快速發(fā)展,待這一問題的解決將使該技術建成一個完善的理論體系,促使生產(chǎn)真正在高質量、高
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