超精密氣浮定位平臺(tái)動(dòng)力學(xué)特性優(yōu)化研究.pdf

1、基于靜壓氣浮軸承支承和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的超精密氣浮定位工作平臺(tái)，是一種新型的精密運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)上采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)和滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)方式所造成的傳動(dòng)環(huán)節(jié)多、響應(yīng)滯后大以及存在非線性摩擦等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了微納米級(jí)加工定位和快速傳輸，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻、精密測(cè)量和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。但是，當(dāng)超精密定位平臺(tái)的定位精度接近傳統(tǒng)加工的極限時(shí)，其動(dòng)力學(xué)特性難以滿足高速運(yùn)行時(shí)平臺(tái)的穩(wěn)定性和快速性要求。因此，本文對(duì)靜壓氣浮軸承的支承剛度、空間位置和平臺(tái)構(gòu)型對(duì)平

2、臺(tái)動(dòng)力學(xué)特性的影響以及相應(yīng)的優(yōu)化方法進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，研究成果已在100nm光刻機(jī)的研發(fā)中得以成功應(yīng)用。 針對(duì)氣浮支承剛度對(duì)定位平臺(tái)動(dòng)力學(xué)特性的影響，運(yùn)用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模的基本理論和有限元建模方法，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了氣浮支承剛度波動(dòng)的參數(shù)化修正，求解計(jì)算得到了系統(tǒng)的固有頻率和廣義剛度與氣浮支承剛度之間的變化關(guān)系。采用最小二乘法，揭示了氣浮支承剛度波動(dòng)與平臺(tái)固有頻率之間的關(guān)系。基于氣浮支承剛度變化對(duì)平臺(tái)固有頻率靈敏度的分析，提出了

3、氣浮支承剛度的優(yōu)化方法。 提出了部分網(wǎng)格的空間移動(dòng)技術(shù)，并對(duì)靜壓氣浮軸承空間安裝位置進(jìn)行了優(yōu)化研究。當(dāng)靜壓氣浮軸承安裝在不同位置時(shí)，平臺(tái)前5階固有頻率的比值的極限依次為：6.0961、5.4736、1.9246、1.6210、1.0917和1.2972，并且加速度響應(yīng)的峰值具有明顯的變化，最大的加速度響應(yīng)峰值比達(dá)到了10倍左右。 利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，開展了超精密氣浮定位平臺(tái)驅(qū)動(dòng)臂部分的優(yōu)化研究。在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性優(yōu)化研究過(guò)程

4、中，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)臂的設(shè)計(jì)不足，提出了驅(qū)動(dòng)臂的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，解決了超精密氣浮定位平臺(tái)驅(qū)動(dòng)臂部分的設(shè)計(jì)問(wèn)題。 基于上述研究成果對(duì)超精密氣浮定位平臺(tái)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)靜壓氣浮軸承在確定位置和支承剛度達(dá)到70N/μm時(shí)，對(duì)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析獲得的平臺(tái)固有頻率，與有限元計(jì)算仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最大相對(duì)誤差為3.24％，驗(yàn)證了靜壓氣浮軸承支承剛度參數(shù)設(shè)置的正確性；調(diào)節(jié)靜壓氣浮軸承的供氣壓力，對(duì)超精密氣浮定位平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特征隨靜