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切口型柔性鉸鏈，推導(dǎo)了柔性鉸鏈的六自由度