精密六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化研究.pdf

1、光刻技術(shù)是半導(dǎo)體制造工業(yè)的核心技術(shù)，主流的光刻機(jī)以及正在研制的下一代光刻機(jī)都采用了雙工件臺(tái)技術(shù)和宏微結(jié)合定位技術(shù)。其中，微動(dòng)部分的功能由六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)微動(dòng)臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。微動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)包括起承載作用的Chuck臺(tái)、六自由度微動(dòng)電機(jī)以及起連接作用的柔性鉸鏈陣列。微動(dòng)臺(tái)的定位精度達(dá)到納米級(jí)，超高的運(yùn)動(dòng)精度對(duì)微動(dòng)臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能提出了更高的要求。微動(dòng)臺(tái)中柔性連接結(jié)構(gòu)增加了微動(dòng)臺(tái)的柔度，降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
　　本課題以六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)微動(dòng)臺(tái)為研究

2、對(duì)象，考慮微動(dòng)臺(tái)中柔性鉸鏈陣列對(duì)微動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，通過(guò)對(duì)柔性鉸鏈的尺寸參數(shù)和分布方式進(jìn)行優(yōu)化來(lái)提高微動(dòng)臺(tái)的整體動(dòng)態(tài)性能。此外，柔性鉸鏈與Chuck臺(tái)之間通過(guò)膠接形式連接在一起，Chuck臺(tái)應(yīng)盡量避免承受集中應(yīng)力，因此需要考慮膠接連接對(duì)Chuck臺(tái)的應(yīng)力作用。論文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.利用圓錐曲線(xiàn)將切口型柔性鉸鏈切口形狀參數(shù)化。通過(guò)卡氏第二定理建立圓錐曲線(xiàn)切口型柔性鉸鏈的六自由度柔度矩陣解析模型，分析柔性鉸鏈切口形狀參

3、數(shù)對(duì)柔性鉸鏈性能指標(biāo)，如各向柔度、相對(duì)柔度、軸漂的影響。利用有限元分析軟件Ansys對(duì)柔性鉸鏈三個(gè)平動(dòng)方向柔度進(jìn)行仿真，理論值相對(duì)于仿真值的誤差分別為1.87％、4.46%和5.39%。
　　2.建立Chuck臺(tái)-柔性鉸鏈陣列-微動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的多剛體模型，推導(dǎo)系統(tǒng)的六自由度動(dòng)力學(xué)模型。以微動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)第一階固有頻率最大為優(yōu)化目標(biāo)，柔性鉸鏈陣列分布參數(shù)和形狀參數(shù)為優(yōu)化參數(shù)，優(yōu)化得到的系統(tǒng)第一階模態(tài)固有頻率為312.83Hz，對(duì)應(yīng)振型為繞x

4、軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。優(yōu)化結(jié)果與Ansys有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較，誤差為4.17%，兩者第一階模態(tài)振型一致。
　　3.通過(guò)有限元分析模型對(duì)膠接接頭進(jìn)行性能分析。觀察二維分析模型中膠接面上的應(yīng)力集中情況。在三維模型中提取了膠層界面的應(yīng)力情況，考慮了三維效應(yīng)對(duì)膠層界面應(yīng)力的影響。對(duì)不同膠層厚度、膠層長(zhǎng)度的膠接模型進(jìn)行有限元分析，研究膠層厚度、膠層長(zhǎng)度對(duì)膠層中應(yīng)力分布的影響。
　　4.搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)錘擊法對(duì)微動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)以及圓錐曲線(xiàn)切口型

5、柔性鉸鏈進(jìn)行模態(tài)分析。對(duì)力錘的沖擊信號(hào)和加速度傳感器測(cè)得的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析，得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分配，得到若干頻率響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)行模態(tài)擬合。通過(guò)將實(shí)驗(yàn)撿得的頻率值與理論模型的理論值以及仿真值進(jìn)行比較，微動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的理論值與仿真值相對(duì)于實(shí)驗(yàn)值誤差分別為7.87%和3.30%，柔性鉸鏈的理論值與仿真值相對(duì)于實(shí)驗(yàn)值誤差分別為4.59%和2.44%。
　　綜上，本文提出了一種圓錐曲線(xiàn)切口型柔性鉸鏈，推導(dǎo)了柔性鉸鏈的六自由度