超精密氣浮定位工作臺(tái)的動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、基于氣浮支承和電磁直接驅(qū)動(dòng)的定位工作臺(tái)，是一種新型的超精密運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它克服了傳統(tǒng)的以旋轉(zhuǎn)電機(jī)和滾動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)的定位工作臺(tái)傳動(dòng)環(huán)節(jié)多、響應(yīng)滯后大、存在摩擦等缺點(diǎn)，在半導(dǎo)體光刻設(shè)備、精密測(cè)量和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。由于該定位工作臺(tái)存在復(fù)雜的氣浮非線(xiàn)性效應(yīng)，傳統(tǒng)的理論建模和分析方法不能解決這類(lèi)超精密運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及定位控制的難題。
　　 利用氣浮支承潤(rùn)滑變分方法和有限元數(shù)值分析方法，計(jì)算并獲得精密氣浮軸承的動(dòng)靜特性

2、的變化規(guī)律、氣體流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布，揭示了氣腔形狀和氣浮軸承內(nèi)表面形狀對(duì)軸承特性的影響規(guī)律，分析并辨識(shí)了氣浮支承的特征參數(shù)，從而求得了不同氣膜厚度下的軸承承載力和剛度，提出了氣浮軸承的最佳結(jié)構(gòu)形式。
　　 運(yùn)用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，探明了精密氣浮定位工作臺(tái)幅頻響應(yīng)受氣浮支承參數(shù)非線(xiàn)性的影響特征，闡明了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能隨氣浮軸承特征參數(shù)的變化規(guī)律。建立了氣浮定位工作臺(tái)定位運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，提出了混合趨近律滑?？刂菩虏呗?MT

3、SMC)，進(jìn)而建立了氣浮定位工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的混合趨近滑模控制的位置反饋控制模型，并進(jìn)行了氣浮參數(shù)的分析試驗(yàn)。結(jié)果表明氣浮定位工作臺(tái)在混合趨近滑模控制下，能消除氣浮軸承非線(xiàn)性及定位平臺(tái)存在未建?，F(xiàn)象的影響，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的定位控制精度。
　　 完成了超精密氣浮平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特性和定位精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在非氣浮狀態(tài)下，定位平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件間存在間隙和摩擦力，嚴(yán)重影響了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的定位精度；而在氣浮狀態(tài)下，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件間充滿(mǎn)了壓縮空氣，雖然

4、運(yùn)動(dòng)部件間仍然存在間隙，但是氣浮支承所產(chǎn)生的氣浮剛度使運(yùn)動(dòng)部件間具有了可靠的柔性連接，維持了較好的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和良好的試驗(yàn)重復(fù)性；同時(shí)運(yùn)動(dòng)部件間不存在直接接觸性摩擦，由于氣體粘度小，其摩擦阻力可以忽略，平臺(tái)的定位精度得到了極大的改善；氣浮平臺(tái)在Y 方向和Z 方向的最大直線(xiàn)度誤差(3 σ)為9.8256 nm，最大偏轉(zhuǎn)誤差(3 σ)為3.8238×10-8 rad，平臺(tái)的定位誤差不超過(guò)±10 nm，驗(yàn)證了本文前面所述的理論和仿真結(jié)果的正確性