压电主动控制气浮支承结构和承载特性研究

发布时间：2020-07-22 06:22

【摘要】：气浮支承因其低摩擦、低发热、高精度等优点在精密制造、测量等领域的运动系统中得到了广泛应用。随着加工负载的增大,以及制造精度需求向纳米甚至亚纳米量级提升,对运动系统气浮支承的性能提出了严峻挑战。气浮支承的承载力和刚度的提升成为了国际学术前沿和热点问题。本文基于主动调节气浮支承气膜形状来调控支承承载力和动刚度的构想,开展压电主动控制气浮支承的新构型研究、样机研制和性能测试,主要研究成果和创新如下:1、分析了环状压电阵列圆型主动气浮支承的结构特点,探讨了该气浮支承底板变形控制维度少、幅度小的缺陷,提出了采用双排压电阵列的矩形结构主动气浮支承新构型。2、建立了该气浮支承的压电-结构关系模型,得出了忽略流场作用的二维简化模型计算方法,实现了底板结构的变形计算;据此优化了气浮支承的关键结构尺寸和压电阵列布置,得出了矩形结构压电主动气浮支承的基本结构尺寸。3、建立了矩形结构主动气浮支承的三维有限元模型,开展了该主动气浮支承的结构模态分析,并仿真分析了该主动气浮支承的结构变形和承载特性随压电驱动电压的变化规律;结果表明,随着驱动电压的提高,该气浮支承的承载性能也随之增强,10um名义膜厚下最大承载力可达173.8N,与同等尺寸常规气浮支承相比提升17.5%。4、开展了矩形结构主动气浮支承的变形及支承特性试验方案设计,搭建了相应的试验装置,完成了气浮支承变形及承载特性随压电驱动电压的变化规律测试分析;试验结果表明,气浮支承变形仿真与实测结果相比误差小于5%,承载特性仿真与实测结果相比误差小于5%,验证了仿真分析的正确性。相关研究为压电主动气浮支承的动态调控与动刚度增强研究奠定了基础,相关研究成果在硅片检测运动平台、精密气浮转台、激光打孔装备以及精密运动平台等超精密装备中有广泛的应用前景。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH703.3
【图文】：

本课题来源于国家自然科学基金重点项目“纳米精度加工装备关键部件运动稳定性的基础研究”（51435006）、国家自然科学基金青年基金项目“基于气膜形状控制的主动气浮支承动刚度增强机制与扰动抑制方法”（51405174）和国家 02 科技重大专项项目“28nm 节点浸没式光刻机产品研发”之子课题“浸没光刻机动力学及超稳定结构设计方法”(2017ZX02101007-002）。1.2 课题的背景和意义运动平台作为精密制造装备中的核心部件，其运动精度决定了精密制造装置所能达到的加工精度。随着现代机械加工对设备精度标准的逐渐提高，超精密加工运动平台的运动精度增加，气浮支承的性能提高成为了现代社会的研究热点之一[1,2]。传统的接触式运动机构的精度最高只能达到微米级，无法满足日益提高的精度标准，气浮支承开始广泛应用于超精密加工之中，如图 1-1 所示的气浮硅片平台和加工气浮主轴等高水平尖端制造装备。

气浮,支承结构,压电

图 2-1 压电气浮支承结构图压电主动控制气浮支承主要包括四个部分：连接器、顶板、压电作动器和底板。参考圆形压电气浮支承样机的连接和装配方式，可知在矩形气浮支承之中，连接器与顶板之间、顶板与底板之间都通过螺纹进行连接，考虑到连接的稳定性，连接处的螺纹孔数量都为 4。压电气浮支承中安装的压电作动器种类为压电陶瓷且数量为 12，由矩形气浮支承的对称性可知在矩形两边分别安装 6 个压电陶瓷，考虑到该矩形气浮支承的结构，压电陶瓷在矩形的一边成双排阵列式排布。考虑到气浮支承的气体密封性和底板与顶板之间连接的稳定性，在底板和顶板的连接位置处，即顶板与底板的连接面的中心位置处开一个与底板立柱相匹配的凹槽。同时为了固定气浮支承中的压电陶瓷，防止其在工作过程中作用位置产生偏移，底板和顶板上安装压电陶瓷的位置处，铣出与其形状相同且深度为 1mm 的拔模孔，该拔模孔的四角上铣出深度相同，半径为 0.5mm 的圆孔。圆孔中注入固定胶对压电陶瓷进行固定，方便其的安装。综上所诉，该矩形气浮支承各部件的具体结构形状如图 2-2、2-3、2-4 和 2-5 所

模型图,连接器,模型,气浮

图 2-2 连接器模型图 2-3 顶板模型图 2-4 压电陶瓷形状图 2-5 底板模型由气浮支承各部件的结构形状确定需要进行确定的主要尺寸参数，其示意图如图 6 所示：

【相似文献】