宏-微驅(qū)動(dòng)高速高精度定位系統(tǒng)的研究.pdf

1、隨著IC制造中芯片光刻與封裝、MEMS制造中的器件封裝與組裝、生物醫(yī)學(xué)工程中的高速點(diǎn)樣移液、高速精密加工及高速掃描檢測(cè)等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對(duì)定位系統(tǒng)的行程、速度、加速度和精度提出了極高的要求。高速高精度定位系統(tǒng)的研究應(yīng)運(yùn)而生。IC制造是高速高精度定位系統(tǒng)典型的應(yīng)用領(lǐng)域，它是關(guān)系國(guó)家利益和安全的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。芯片封裝是影響IC制造產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，芯片封裝等領(lǐng)域的迅速發(fā)展對(duì)定位系統(tǒng)的行程、速度、加速度和精度的極限性提出挑戰(zhàn)

2、。由此產(chǎn)生了在常規(guī)工況下未曾遇到的許多新現(xiàn)象、新規(guī)律和新矛盾，向高性能運(yùn)動(dòng)定位的理論方法研究和實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造提出了極大的需求。
　　我國(guó)芯片封裝設(shè)備工業(yè)水平與國(guó)外先進(jìn)水平仍有較大差距，國(guó)內(nèi)芯片封裝設(shè)備的85％依賴進(jìn)口，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)封鎖下，高端的封裝設(shè)備引進(jìn)受到制約；單純依靠引進(jìn)，我國(guó)芯片封裝設(shè)備只能是“代代引進(jìn)、代代落后”，難以達(dá)到世界先進(jìn)水平。因此，我國(guó)迫切需要開展面向芯片封裝等領(lǐng)域的高速高精度定位系統(tǒng)的研究，為開發(fā)具有

3、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和自主技術(shù)創(chuàng)新的新裝備，實(shí)現(xiàn)我國(guó)IC制造產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展提供重要的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
　　本文針對(duì)芯片封裝等領(lǐng)域?qū)Ω咚俑呔茸鳂I(yè)的實(shí)際需求，在全面分析國(guó)內(nèi)外高速高精度定位系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，基于宏/微驅(qū)動(dòng)和跨尺度（宏/微測(cè)量尺度切換與合成）測(cè)量的思想，研制出一種新型的高速高精度XY定位系統(tǒng)。音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的宏動(dòng)平臺(tái)完成系統(tǒng)大行程、高速、高加速度的微米級(jí)定位；再由安裝在宏動(dòng)部件上壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的柔性鉸鏈微位移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抑振控制和

4、精密定位，完成納米級(jí)的分辨率和定位精度；利用新型彈性無間隙解耦機(jī)構(gòu)降低了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)慣量，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；系統(tǒng)由基于跨尺度測(cè)量原理的雙光柵尺作為閉環(huán)位置反饋。本文從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模、跨尺度位移測(cè)量新原理和新方法、宏/微控制策略等問題進(jìn)行深入的探討研究。
　　在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，利用彈性力學(xué)原理，建立柔性環(huán)節(jié)的剛度模型；在高加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，將有限元分析方法用于系統(tǒng)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)分析，并通過固定界面子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合法與機(jī)械系統(tǒng)

5、仿真方法結(jié)合，進(jìn)行機(jī)構(gòu)尺度參數(shù)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。
　　在系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模方面，高動(dòng)態(tài)下引入柔性環(huán)節(jié)，建立更為完整精確的系統(tǒng)的剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)解析模型，通過對(duì)模型進(jìn)行求解分析，得出系統(tǒng)固有頻率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。
　　在跨尺度位移測(cè)量方法方面，分析了光柵測(cè)量及細(xì)分原理，重點(diǎn)研究了雙光柵跨尺度位移測(cè)量方法；通過對(duì)雙光柵切換合成誤差的分析，提出了雙光柵切換合成的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；采用 FPGA設(shè)計(jì)了信號(hào)處理電路，并通

6、過邏輯、時(shí)序仿真分析，驗(yàn)證了方法的可行性；實(shí)驗(yàn)研究校驗(yàn)了方法的有效性。本方法的研究為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大行程、高速度、高精度的位移測(cè)量提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
　　在宏/微控制策略方面，基于音圈電機(jī)工作原理、壓電陶瓷工作機(jī)理和基本特性的理論分析，分別建立其數(shù)學(xué)模型；基于宏動(dòng)系統(tǒng)摩擦機(jī)理分析，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊摩擦補(bǔ)償?shù)目刂破?，并針?duì)微動(dòng)系統(tǒng)壓電陶瓷模型的不精確性，設(shè)計(jì)模糊自校正 PID控制器；提出了宏/微驅(qū)動(dòng)控制策略，有效的提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能