硅片检测运动台系统设计与动态特性研究

发布时间：2017-12-10 03:28

  本文关键词：硅片检测运动台系统设计与动态特性研究

  更多相关文章： 硅片检测 运动台 气浮转台 动力学建模 动态特性 动网格

【摘要】：作为硅片检测系统的运动定位载体,精密运动台是实现硅片检测的关键设备。随着硅片尺寸日趋扩大和特征尺寸的不断缩小,对精密运动台及其核心部件的结构设计和动态特性提出了严峻的挑战,如何提高精密运动台系统运动精度和检测效率成为目前业界亟待突破的瓶颈之一。本文面向国家重大工程需求,依托国家相关重大科研项目,从硅片检测运动台总体方案与结构创新设计、运动台系统及其核心部件动态特性分析与优化、样机动态性能测试与试验验证等方面展开深入研究,为高性能硅片检测运动台的研制提供理论依据和技术支持。针对硅片只能背面吸附进行换片的特殊要求,设计了无凹槽真空承片台相对于中间支架垂向升降并吸/放硅片的自主换片新结构构型。针对硅片表面螺旋线轨迹高效高精扫描需求,设计了气浮支承的旋转运动机构和直线导轨支承的水平运动机构。针对扫描阶段的亚微米级精密定位和换片阶段的大行程运动需求,设计了电磁驱动与气缸平衡机构并联的垂向运动机构。基于上述技术,设计了一种气浮支承与滚珠导轨并存、电磁驱动与气缸平衡机构并联的新型多自由度精密运动台。在核心部件气浮转台结构设计中,为抑制气浮转台系统中存在的动不平衡扰动,通过理论建模--仿真分析--实验研究相结合的方法,研究了动不平衡对气浮转台动态特性和气膜厚度的影响规律,为气浮转台的结构设计提供了理论指导。建立了空气静压止推轴承和径向回转轴承的动力学模型,针对动网格旋转计算时存在网格扭曲的问题,开发了一种径向轴承瞬时流态网格更新方法。研究了不同结构参数和工况参数对气浮轴承动刚度的影响规律,揭示了气浮支承动刚度对气膜扰动频率、轴承回转速度最为敏感的特点。搭建了径推联合的空气静压轴承动刚度试验平台,试验结果表明气浮支承动刚度随气膜扰动频率、轴承回转速度的提高而显著增大,且仿真与试验结果趋势一致,且误差小于10%。因此,在气浮转台设计时,设计气浮转台在具有最佳气膜刚度的同时,应充分考虑气膜的挤压效应对动刚度特性的影响。针对具有固、气、磁相互作用的复杂结构特征的精密运动台系统,提出了一种子结构等效与简化的系统多体动力学建模方法。研究了动不平衡和旋转转速对气浮转台轴心轨迹的影响规律,并搭建实验平台对其关键动力学参数进行辨识。根据多体动力学理论,建立了硅片检测运动台的多自由度振动模型。通过仿真分析和实验研究相结合的方法,分析了硅片检测运动台的固有振动特性。实验结果与仿真计算结果之间在工作频域内误差小于10%,验证了建模方法和动力学模型的正确性,为后续结构优化和运动控制设计提供了依据。研制了硅片检测运动台原理样机,开展了原理样机的机电联合仿真分析和动态特性测试。实验结果表明,施加复合控制方法后,水平运动机构、旋转运动机构和垂向运动机构的定位精度分别达到±2μm、2arcsec和±0.4μm：通过结构优化设计后的气浮转台,最高转速从原始设计值300rpm提高到了900rpm。测试结果表明硅片检测运动台达到了预期的技术要求,且检测效率提高了2倍。本文的成果为精密气浮转台和精密运动台的结构设计和动力学分析提供了理论基础和技术支持,对精密气浮转台和多自由度精密运动台的研发具有一定的现实指导意义。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN307

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本文编号：1272979