精密六自由度运动机构动态性能优化研究

摘要

光刻技术是半导体制造工业的核心技术，主流的光刻机以及正在研制的下一代光刻机都采用了双工件台技术和宏微结合定位技术。其中，微动部分的功能由六自由度运动机构微动台来实现。微动台系统包括起承载作用的Chuck台、六自由度微动电机以及起连接作用的柔性铰链阵列。微动台的定位精度达到纳米级，超高的运动精度对微动台的动态性能提出了更高的要求。微动台中柔性连接结构增加了微动台的柔度，降低了系统的动态性能。
　　本课题以六自由度运动机构微动台为研究对象，考虑微动台中柔性铰链阵列对微动台系统动态性能的影响，通过对柔性铰链的尺寸参数和分布方式进行优化来提高微动台的整体动态性能。此外，柔性铰链与Chuck台之间通过胶接形式连接在一起，Chuck台应尽量避免承受集中应力，因此需要考虑胶接连接对Chuck台的应力作用。论文主要研究内容如下：
　　1.利用圆锥曲线将切口型柔性铰链切口形状参数化。通过卡氏第二定理建立圆锥曲线切口型柔性铰链的六自由度柔度矩阵解析模型，分析柔性铰链切口形状参数对柔性铰链性能指标，如各向柔度、相对柔度、轴漂的影响。利用有限元分析软件Ansys对柔性铰链三个平动方向柔度进行仿真，理论值相对于仿真值的误差分别为1.87％、4.46%和5.39%。
　　2.建立Chuck台-柔性铰链阵列-微动电机系统的多刚体模型，推导系统的六自由度动力学模型。以微动台系统第一阶固有频率最大为优化目标，柔性铰链阵列分布参数和形状参数为优化参数，优化得到的系统第一阶模态固有频率为312.83Hz，对应振型为绕x轴方向的转动。优化结果与Ansys有限元分析结果进行比较，误差为4.17%，两者第一阶模态振型一致。
　　3.通过有限元分析模型对胶接接头进行性能分析。观察二维分析模型中胶接面上的应力集中情况。在三维模型中提取了胶层界面的应力情况，考虑了三维效应对胶层界面应力的影响。对不同胶层厚度、胶层长度的胶接模型进行有限元分析，研究胶层厚度、胶层长度对胶层中应力分布的影响。
　　4.搭建实验系统，通过锤击法对微动台系统以及圆锥曲线切口型柔性铰链进行模态分析。对力锤的冲击信号和加速度传感器测得的响应信号进行傅里叶分析，得到系统的频率响应函数。对测点进行分配，得到若干频率响应函数，进行模态拟合。通过将实验捡得的频率值与理论模型的理论值以及仿真值进行比较，微动台系统的理论值与仿真值相对于实验值误差分别为7.87%和3.30%，柔性铰链的理论值与仿真值相对于实验值误差分别为4.59%和2.44%。
　　综上，本文提出了一种圆锥曲线切口型柔性铰链，推导了柔性铰链的六自由度柔度模型，建立了Chuck台-柔性铰链阵列-微动电机的多刚体动力学模型，通过优化算法对系统的第一阶固有频率进行最大值优化，研究了Chuck台与柔性铰链之间胶接连接对Chuck台的应力影响。

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目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 主要研究内容

第2章 圆锥曲线切口型柔性铰链建模

2.1 引言

2.2 圆锥曲线

2.3 圆锥曲线切口型柔性铰链力学模型

2.4 柔性铰链各项性能

2.5 有限元分析验证

2.6 本章小结

第3章 微动台系统动力学建模

3.1 引言

3.2 柔性铰链排布方式

3.3 微动台系统动力学模型

3.4 动态特性优化

3.5 本章小结

第4章 胶接连接性能分析

4.1 引言

4.2 胶接基础理论

4.3 胶层应力分布分析

4.4 胶层几何参数对胶接效果影响

4.5 本章小结

第5章 模态实验与分析

5.1 引言

5.2 模态分析方法介绍

5.3 微动台系统模态分析

5.4 圆锥曲线切口型柔性铰链固有频率验证

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

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