面向高速精密定位的宏微復(fù)合直線平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃.pdf

1、微電子制造是關(guān)系國家安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要行業(yè)。目前，新一代的微電子制造裝備正面臨高加速、高速、高精密、大行程等諸多挑戰(zhàn)性要求。傳統(tǒng)的單級(jí)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)已經(jīng)不能繼續(xù)滿足上述要求。因微電子制造裝備所用的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)需要進(jìn)行頻繁的高速啟停點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)有的宏微復(fù)合直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)無法滿足微電子制造裝備要求。針對(duì)傳統(tǒng)的宏微復(fù)合運(yùn)動(dòng)平臺(tái)存在的問題，本文提出了一種基于并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的新型宏微復(fù)合直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并對(duì)該運(yùn)動(dòng)平臺(tái)涉及的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)

2、行了研究。新型宏微復(fù)合直線平臺(tái)采用了并聯(lián)驅(qū)動(dòng)布局，其宏/微驅(qū)動(dòng)力均獨(dú)立作用在基座上，從而大幅簡(jiǎn)化了平臺(tái)結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的綜合精度。
　　首先，本文基于對(duì)宏微復(fù)合運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的柔性動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析提出了一種定位誤差約束條件，并利用頻率采樣法建立了針對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)固有頻率建模誤差不確定度的魯棒性約束條件，最后基于定位誤差與魯棒性約束條件構(gòu)建了一種考慮宏微復(fù)合運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的柔性動(dòng)力學(xué)特性影響的時(shí)間最優(yōu)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模型。利用上述優(yōu)化模型對(duì)

3、本文定義的一種可以實(shí)現(xiàn)高加速低減速的非對(duì)稱S曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化整定。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試結(jié)果表明優(yōu)化后的非對(duì)稱S曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃較之傳統(tǒng)方法可以大幅縮短點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)規(guī)劃滿足定位精度要求所需的定位時(shí)間。本文也同樣對(duì)微電子制造裝備常見的陣列操作定位時(shí)間與殘余振動(dòng)之間的相互影響關(guān)系進(jìn)行了初步分析。
　　其次，本文基于預(yù)應(yīng)力梁理論獲得了宏微復(fù)合運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中微運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)所用的一種剛度/頻率可調(diào)的直梁型柔性鉸鏈的等效剛度與固有頻率的近似解析解。利用連續(xù)

4、體預(yù)應(yīng)力梁的彎曲應(yīng)變能積分、拉伸應(yīng)變能積分、動(dòng)能積分與其等效彈簧-集中質(zhì)量動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的彈性勢(shì)能與動(dòng)能之間的相等關(guān)系獲得了等效彎曲剛度、等效張力剛度與等效質(zhì)量;利用等效剛度與等效質(zhì)量信息可以構(gòu)建出固有頻率計(jì)算公式。有限元仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果均證實(shí)了剛度與固有頻率的近似解析解的有效性。最后，預(yù)應(yīng)力梁的等效剛度與固有頻率計(jì)算方法被用于推導(dǎo)一種帶圓角的兩端固支預(yù)應(yīng)力梁的等效剛度與固有頻率計(jì)算公式。
　　然后，針對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法在處理包

5、含頻率與剛度約束的微運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中存在的問題，本文利用所獲得直梁型柔性鉸鏈的剛度與固有頻率的近似解析公式推導(dǎo)出導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的整體剛度與固有頻率計(jì)算公式。利用上述計(jì)算公式將傳統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)所用的大計(jì)算量拓?fù)渑c尺寸順序優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為一種小計(jì)算量的解析形式的包含導(dǎo)向機(jī)構(gòu)剛度與頻率約束條件的拓?fù)湫螤钆c結(jié)構(gòu)尺寸同步優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過求解優(yōu)化模型的等式約束條件獲得連續(xù)尺寸變量與離散拓?fù)湫螤钭兞恐g的關(guān)系，后利用變量松弛法獲得了最優(yōu)離散拓?fù)湫螤钭?/p>

6、量與對(duì)應(yīng)的連續(xù)尺寸變量數(shù)值。有限元仿真結(jié)果表明優(yōu)化后的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)剛度與固有頻率的最大相對(duì)誤差僅為2.669％，滿足實(shí)際工程所需精度。
　　最后，本文基于柔性鉸鏈的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)拓?fù)渑c結(jié)構(gòu)尺寸同步優(yōu)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)驅(qū)動(dòng)形式的共定子雙驅(qū)動(dòng)宏微復(fù)合直線平臺(tái)。通過共用直線電機(jī)定子的宏/微驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)布置方式，避免了微驅(qū)動(dòng)器輸出飽和問題，簡(jiǎn)化了宏微復(fù)合雙驅(qū)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。同時(shí)，將時(shí)間最優(yōu)非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)規(guī)劃作為宏/微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的參考輸入指令，通過優(yōu)