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精密气浮运动平台的建模、分析与控制

董泽光  
【摘要】:精密气浮运动平台具有高精度、无摩擦、低污染等特点,在光刻技术、超精密加工、生物检测技术、纳米表面形貌测量等领域具有广泛的应用,是各种领域中精密加工和精密检测设备中的重要部件。近年来微电子技术、信息技术及生物工程等新兴科技领域的发展,对精密气浮运动平台中的机构设计、驱动、控制、传感等多方面的关键技术提出了挑战。 本研究针对大行程精密气浮平台的设计、建模与控制中的单元级和系统级关键技术进行了研究。本研究的主要研究成果和创新性如下: 本文首先针对静压气浮止推轴承,提出了基于微分求积方法的静态性能数值计算方法,用以改进现有的分析和设计方法。数值计算方法的比较以及实验验证表明,此方法能够显著提高计算精度,同时减少时间消耗,提高计算效率。此外在微分求积方法的基础上提出了多区域计算、光滑逼近等,用于解决实际工程中带均压槽的气浮轴承及多供气孔气浮轴承的性能分析问题。 提出了基于微分求积方法的静压气体止推轴承动力学分析方法。在基于微分求积方法的动力学分析基础上实现了对静压气体轴承稳定性的分析和对轴承自激振动的预测。在静压气体轴承的稳定性实验中,提出了一种基于峰间幅值的稳定性判据。基于微分求积方法的动力学分析方法能够准确的预测静压气体轴承的稳定性区域以及轴承自激振动的频率。 设计了具有双H型结构的直线电机驱动平面精密气浮运动平台。针对精密气浮平台中的双电机驱动结构,建立动力学模型并通过实验对模型进行了辨识。提出了基于摄动观测器的同步控制策略,将平台同步控制问题转化为系统抗干扰问题,对平台中双电机驱动产生的同步误差进行补偿。精密气浮平台最终可达到较高的定位精度和同步精度。 研究了静压气浮轴承的主动控制技术及其在精密气浮平台中的应用。采用主动控制技术调节气浮轴承的供气压力控制气体薄膜的厚度。由此设计了一种静压气体薄膜驱动的微动平台。将主动控制技术应用于平面精密气浮运动平台,可以使工作台在XY平面运动之外,具备Z方向的微行程精密运动能力。通过主动控制可对工作台Z方向的位置误差进行补偿,同时也可以实现工作台在Z方向的精密定位。


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