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《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》 2004年
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磁悬浮精密定位工作台机电一体化CAD/CAE集成研究

王延风  
【摘要】: 本文综述了微电子制造设备发展趋势及其精密工作台如光刻机工作台的国内外发展现状及磁悬浮技术研究进展,简要介绍了光刻机工作台主要功能、技术指标要求、组成及关键技术,概述了磁悬浮技术及直线电机驱动的工作原理,着重研究用机电一体化CAD/CAE集成技术设计、分析磁悬浮精密定位工作台的方法,阐明了应用CAD/CAE技术研制磁悬浮精密定位工作台的现实意义。 将磁悬浮技术和直线驱动技术相结合,采用CAD/CAE技术手段设计研究了一种新型磁悬浮精密定位工作台,它是针对微电子行业IC芯片制造设备如光刻机而研制的快速步进、精密定位机构,是创新性研究。利用磁悬浮技术将工作台悬浮在倒F导轨上,消除了导轨的摩擦和磨损;直线电机无接触驱动实现了工作台的精密定位。采用CAD/CAM/CAE软件Ugnx1.0对光刻机六维磁悬浮定位工件台进行三维屏幕样机概念设计,结构布局合理。为了对磁悬浮定位工作台的工作原理、性能进行深入研究,从基础作起,本文主要对磁悬浮定位平台原理样机进行了机电一体化CAD/CAE研究,进行了原理样机的虚拟样机设计,机构运动分析仿真和干涉检查,将三维转成二维,进行CAD详图设计,并在CAD结构设计基础上,进行了电磁场分析、有限元力学分析、原理样机制作和实验测试。 本文对磁悬浮定位平台进行了电磁场分析,推导出磁悬浮系统不计漏磁的简单磁路、磁力计算公式和原理样机所采用的开磁路直流直线电机推力及磁通密度计算公式,为设计、分析及控制提供参考。由于存在漏磁,用公式的解析法计算有很大的误差,因此本文采用有限元法(FEM)来计算磁悬浮系统磁场分布,从而计算磁力,通过用ANSYS7.1软件进行有限元电磁场分析计算,得到平台稳定悬浮时电磁线圈所需电流、悬浮气隙等控制参数,由于设计的磁悬浮系统为非轴对称结构,采用2D磁场分析有一定的误差,而采用3D电磁场分析更接近实际。结合磁悬浮控制试验,验证本文建立的有限元模型正确性及3D电磁场分析模拟的准确性。 在ANSYS软件进行电磁场分析的基础上,将磁力计算结果调入CAE软件MSC PATRAN/NASTRAN中,磁力计算与结构力学耦合计算,有效地进行磁悬浮工作台静力学分析和动力学分析,合理地评价了磁悬浮移动平台的性能。分析结果表明,磁悬 中国科学院博士学位论文:磁悬浮精密定位工作台机电一体化CAD/c AE集成研究 浮移动平台在稳定悬浮状态下具有较高的动态刚度。进行了磁悬浮原理样机的模态试 验,通过有限元分析和试验结果比较,证明了本文所建立的磁悬浮定位平台有限元模 型是合理的,提出的评价方法和分析结果是正确的。 通过有限元分析与原理样机试验,找出了薄弱环节,对结构进行改进和优化设计。 本文提出的机电一体化以D/以E集成设计分析方法,对解决精密快速步进定位等关键 技术问题,缩短磁悬浮工作台研制周期,降低成本,起到了非常重要的作用。而且, 该研究为机电产品设计尤其磁悬浮产品或直线电机设计提供了一种新的思路。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TP391.72

【引证文献】
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【参考文献】
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