【摘要】：氣浮支承因其低摩擦、低發(fā)熱、高精度等優(yōu)點(diǎn)在精密制造、測量等領(lǐng)域的運(yùn)動系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著加工負(fù)載的增大,以及制造精度需求向納米甚至亞納米量級提升,對運(yùn)動系統(tǒng)氣浮支承的性能提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。氣浮支承的承載力和剛度的提升成為了國際學(xué)術(shù)前沿和熱點(diǎn)問題。本文基于主動調(diào)節(jié)氣浮支承氣膜形狀來調(diào)控支承承載力和動剛度的構(gòu)想,開展壓電主動控制氣浮支承的新構(gòu)型研究、樣機(jī)研制和性能測試,主要研究成果和創(chuàng)新如下:1、分析了環(huán)狀壓電陣列圓型主動氣浮支承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),探討了該氣浮支承底板變形控制維度少、幅度小的缺陷,提出了采用雙排壓電陣列的矩形結(jié)構(gòu)主動氣浮支承新構(gòu)型。2、建立了該氣浮支承的壓電-結(jié)構(gòu)關(guān)系模型,得出了忽略流場作用的二維簡化模型計算方法,實現(xiàn)了底板結(jié)構(gòu)的變形計算;據(jù)此優(yōu)化了氣浮支承的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸和壓電陣列布置,得出了矩形結(jié)構(gòu)壓電主動氣浮支承的基本結(jié)構(gòu)尺寸。3、建立了矩形結(jié)構(gòu)主動氣浮支承的三維有限元模型,開展了該主動氣浮支承的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析,并仿真分析了該主動氣浮支承的結(jié)構(gòu)變形和承載特性隨壓電驅(qū)動電壓的變化規(guī)律;結(jié)果表明,隨著驅(qū)動電壓的提高,該氣浮支承的承載性能也隨之增強(qiáng),10um名義膜厚下最大承載力可達(dá)173.8N,與同等尺寸常規(guī)氣浮支承相比提升17.5%。4、開展了矩形結(jié)構(gòu)主動氣浮支承的變形及支承特性試驗方案設(shè)計,搭建了相應(yīng)的試驗裝置,完成了氣浮支承變形及承載特性隨壓電驅(qū)動電壓的變化規(guī)律測試分析;試驗結(jié)果表明,氣浮支承變形仿真與實測結(jié)果相比誤差小于5%,承載特性仿真與實測結(jié)果相比誤差小于5%,驗證了仿真分析的正確性。相關(guān)研究為壓電主動氣浮支承的動態(tài)調(diào)控與動剛度增強(qiáng)研究奠定了基礎(chǔ),相關(guān)研究成果在硅片檢測運(yùn)動平臺、精密氣浮轉(zhuǎn)臺、激光打孔裝備以及精密運(yùn)動平臺等超精密裝備中有廣泛的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH703.3
【圖文】：

本課題來源于國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目“納米精度加工裝備關(guān)鍵部件運(yùn)動穩(wěn)定性的基礎(chǔ)研究”（51435006）、國家自然科學(xué)基金青年基金項目“基于氣膜形狀控制的主動氣浮支承動剛度增強(qiáng)機(jī)制與擾動抑制方法”（51405174）和國家 02 科技重大專項項目“28nm 節(jié)點(diǎn)浸沒式光刻機(jī)產(chǎn)品研發(fā)”之子課題“浸沒光刻機(jī)動力學(xué)及超穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”(2017ZX02101007-002）。1.2 課題的背景和意義運(yùn)動平臺作為精密制造裝備中的核心部件，其運(yùn)動精度決定了精密制造裝置所能達(dá)到的加工精度。隨著現(xiàn)代機(jī)械加工對設(shè)備精度標(biāo)準(zhǔn)的逐漸提高，超精密加工運(yùn)動平臺的運(yùn)動精度增加，氣浮支承的性能提高成為了現(xiàn)代社會的研究熱點(diǎn)之一[1,2]。傳統(tǒng)的接觸式運(yùn)動機(jī)構(gòu)的精度最高只能達(dá)到微米級，無法滿足日益提高的精度標(biāo)準(zhǔn)，氣浮支承開始廣泛應(yīng)用于超精密加工之中，如圖 1-1 所示的氣浮硅片平臺和加工氣浮主軸等高水平尖端制造裝備。

圖 2-1 壓電氣浮支承結(jié)構(gòu)圖壓電主動控制氣浮支承主要包括四個部分：連接器、頂板、壓電作動器和底板。參考圓形壓電氣浮支承樣機(jī)的連接和裝配方式，可知在矩形氣浮支承之中，連接器與頂板之間、頂板與底板之間都通過螺紋進(jìn)行連接，考慮到連接的穩(wěn)定性，連接處的螺紋孔數(shù)量都為 4。壓電氣浮支承中安裝的壓電作動器種類為壓電陶瓷且數(shù)量為 12，由矩形氣浮支承的對稱性可知在矩形兩邊分別安裝 6 個壓電陶瓷，考慮到該矩形氣浮支承的結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷在矩形的一邊成雙排陣列式排布�？紤]到氣浮支承的氣體密封性和底板與頂板之間連接的穩(wěn)定性，在底板和頂板的連接位置處，即頂板與底板的連接面的中心位置處開一個與底板立柱相匹配的凹槽。同時為了固定氣浮支承中的壓電陶瓷，防止其在工作過程中作用位置產(chǎn)生偏移，底板和頂板上安裝壓電陶瓷的位置處，銑出與其形狀相同且深度為 1mm 的拔�？�，該拔模孔的四角上銑出深度相同，半徑為 0.5mm 的圓孔。圓孔中注入固定膠對壓電陶瓷進(jìn)行固定，方便其的安裝。綜上所訴，該矩形氣浮支承各部件的具體結(jié)構(gòu)形狀如圖 2-2、2-3、2-4 和 2-5 所

圖 2-2 連接器模型 圖 2-3 頂板模型圖 2-4 壓電陶瓷形狀 圖 2-5 底板模型由氣浮支承各部件的結(jié)構(gòu)形狀確定需要進(jìn)行確定的主要尺寸參數(shù)，其示意圖如圖 6 所示：

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1 羅炳泉;;氣浮靜壓支承上的測量平臺[J];機(jī)械工人.冷加工;1987年03期

2 H.Ф.Mаpкeлoв;劉志國;;在有限轉(zhuǎn)角情況下確定軸線位置[J];國外計量;1988年05期

3 于普良;李雙;胡江山;郭永興;丁U

本文編號：2765442