本文關(guān)鍵詞：硅片檢測(cè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)特性研究

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【摘要】：作為硅片檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)定位載體,精密運(yùn)動(dòng)臺(tái)是實(shí)現(xiàn)硅片檢測(cè)的關(guān)鍵設(shè)備。隨著硅片尺寸日趨擴(kuò)大和特征尺寸的不斷縮小,對(duì)精密運(yùn)動(dòng)臺(tái)及其核心部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)特性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),如何提高精密運(yùn)動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度和檢測(cè)效率成為目前業(yè)界亟待突破的瓶頸之一。本文面向國(guó)家重大工程需求,依托國(guó)家相關(guān)重大科研項(xiàng)目,從硅片檢測(cè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)總體方案與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)及其核心部件動(dòng)態(tài)特性分析與優(yōu)化、樣機(jī)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試與試驗(yàn)驗(yàn)證等方面展開深入研究,為高性能硅片檢測(cè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)的研制提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。針對(duì)硅片只能背面吸附進(jìn)行換片的特殊要求,設(shè)計(jì)了無凹槽真空承片臺(tái)相對(duì)于中間支架垂向升降并吸/放硅片的自主換片新結(jié)構(gòu)構(gòu)型。針對(duì)硅片表面螺旋線軌跡高效高精掃描需求,設(shè)計(jì)了氣浮支承的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和直線導(dǎo)軌支承的水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。針對(duì)掃描階段的亞微米級(jí)精密定位和換片階段的大行程運(yùn)動(dòng)需求,設(shè)計(jì)了電磁驅(qū)動(dòng)與氣缸平衡機(jī)構(gòu)并聯(lián)的垂向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。基于上述技術(shù),設(shè)計(jì)了一種氣浮支承與滾珠導(dǎo)軌并存、電磁驅(qū)動(dòng)與氣缸平衡機(jī)構(gòu)并聯(lián)的新型多自由度精密運(yùn)動(dòng)臺(tái)。在核心部件氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,為抑制氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)中存在的動(dòng)不平衡擾動(dòng),通過理論建模--仿真分析--實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,研究了動(dòng)不平衡對(duì)氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)態(tài)特性和氣膜厚度的影響規(guī)律,為氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。建立了空氣靜壓止推軸承和徑向回轉(zhuǎn)軸承的動(dòng)力學(xué)模型,針對(duì)動(dòng)網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)計(jì)算時(shí)存在網(wǎng)格扭曲的問題,開發(fā)了一種徑向軸承瞬時(shí)流態(tài)網(wǎng)格更新方法。研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)對(duì)氣浮軸承動(dòng)剛度的影響規(guī)律,揭示了氣浮支承動(dòng)剛度對(duì)氣膜擾動(dòng)頻率、軸承回轉(zhuǎn)速度最為敏感的特點(diǎn)。搭建了徑推聯(lián)合的空氣靜壓軸承動(dòng)剛度試驗(yàn)平臺(tái),試驗(yàn)結(jié)果表明氣浮支承動(dòng)剛度隨氣膜擾動(dòng)頻率、軸承回轉(zhuǎn)速度的提高而顯著增大,且仿真與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致,且誤差小于10%。因此,在氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)在具有最佳氣膜剛度的同時(shí),應(yīng)充分考慮氣膜的擠壓效應(yīng)對(duì)動(dòng)剛度特性的影響。針對(duì)具有固、氣、磁相互作用的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的精密運(yùn)動(dòng)臺(tái)系統(tǒng),提出了一種子結(jié)構(gòu)等效與簡(jiǎn)化的系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)建模方法。研究了動(dòng)不平衡和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速對(duì)氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)軸心軌跡的影響規(guī)律,并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。根據(jù)多體動(dòng)力學(xué)理論,建立了硅片檢測(cè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)的多自由度振動(dòng)模型。通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,分析了硅片檢測(cè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)的固有振動(dòng)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果之間在工作頻域內(nèi)誤差小于10%,驗(yàn)證了建模方法和動(dòng)力學(xué)模型的正確性,為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。研制了硅片檢測(cè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)原理樣機(jī),開展了原理樣機(jī)的機(jī)電聯(lián)合仿真分析和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,施加復(fù)合控制方法后,水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和垂向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的定位精度分別達(dá)到±2μm、2arcsec和±0.4μm：通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的氣浮轉(zhuǎn)臺(tái),最高轉(zhuǎn)速?gòu)脑荚O(shè)計(jì)值300rpm提高到了900rpm。測(cè)試結(jié)果表明硅片檢測(cè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)要求,且檢測(cè)效率提高了2倍。本文的成果為精密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)和精密運(yùn)動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持,對(duì)精密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)和多自由度精密運(yùn)動(dòng)臺(tái)的研發(fā)具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN307

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