精密六自由度運動機構(gòu)動態(tài)性能優(yōu)化研究.pdf

1、光刻技術(shù)是半導體制造工業(yè)的核心技術(shù)，主流的光刻機以及正在研制的下一代光刻機都采用了雙工件臺技術(shù)和宏微結(jié)合定位技術(shù)。其中，微動部分的功能由六自由度運動機構(gòu)微動臺來實現(xiàn)。微動臺系統(tǒng)包括起承載作用的Chuck臺、六自由度微動電機以及起連接作用的柔性鉸鏈陣列。微動臺的定位精度達到納米級，超高的運動精度對微動臺的動態(tài)性能提出了更高的要求。微動臺中柔性連接結(jié)構(gòu)增加了微動臺的柔度，降低了系統(tǒng)的動態(tài)性能。
　　本課題以六自由度運動機構(gòu)微動臺為研究

2、對象，考慮微動臺中柔性鉸鏈陣列對微動臺系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，通過對柔性鉸鏈的尺寸參數(shù)和分布方式進行優(yōu)化來提高微動臺的整體動態(tài)性能。此外，柔性鉸鏈與Chuck臺之間通過膠接形式連接在一起，Chuck臺應盡量避免承受集中應力，因此需要考慮膠接連接對Chuck臺的應力作用。論文主要研究內(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)對柔性鉸鏈性能指標，如各向柔度、相對柔度、軸漂的影響。利用有限元分析軟件Ansys對柔性鉸鏈三個平動方向柔度進行仿真，理論值相對于仿真值的誤差分別為1.87％、4.46%和5.39%。
　　2.建立Chuck臺-柔性鉸鏈陣列-微動電機系統(tǒng)的多剛體模型，推導系統(tǒng)的六自由度動力學模型。以微動臺系統(tǒng)第一階固有頻率最大為優(yōu)化目標，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，對應振型為繞x

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

5、柔性鉸鏈進行模態(tài)分析。對力錘的沖擊信號和加速度傳感器測得的響應信號進行傅里葉分析，得到系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)。對測點進行分配，得到若干頻率響應函數(shù)，進行模態(tài)擬合。通過將實驗撿得的頻率值與理論模型的理論值以及仿真值進行比較，微動臺系統(tǒng)的理論值與仿真值相對于實驗值誤差分別為7.87%和3.30%，柔性鉸鏈的理論值與仿真值相對于實驗值誤差分別為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，推導了柔性鉸鏈的六自由度