IC 制造業(yè)是關(guān)系到國家命運(yùn)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè),是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中極其重要的一個(gè)支柱性產(chǎn)業(yè),它幾乎存在于所有工業(yè)領(lǐng)域,這些領(lǐng)域包括:電氣工程領(lǐng)域、機(jī)械制造領(lǐng)域、航天領(lǐng)域和國防領(lǐng)域等。IC 制造業(yè)的發(fā)展甚至決定一個(gè)國家競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力和裝備水平,歐美、日本和韓國等國家都把 IC 制造業(yè)作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè),美國半導(dǎo)體咨詢委員會(huì)在國情咨文中稱其為“生死攸關(guān)的工業(yè)”,韓國稱其為“工業(yè)糧食”,一些發(fā)達(dá)國家GDP 增長(zhǎng)的 60%~70%與以集成電路為代表的電子產(chǎn)業(yè)有關(guān) 。
由于我國在 IC 制造業(yè)起步較晚,整體科技水平落后,加之發(fā)達(dá)國家對(duì)我國在芯片制造核心技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備、IP 核和關(guān)鍵原材料等方面技術(shù)封鎖,使我國的芯片生產(chǎn)水平仍然與歐美及日本等發(fā)達(dá)國家有十分大的差距,落后上述國家 3-5 代。近幾年,我國對(duì) IC 制造業(yè)的發(fā)展也加大了力度,首先,隨著我國“中國芯”產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加快,我國 IC 制造業(yè)面臨著難得的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。其次,我國在“中國制造 2025 規(guī)劃”的高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人領(lǐng)域中,重點(diǎn)提到了基礎(chǔ)制造裝備及 IC 制造業(yè)的發(fā)展規(guī)劃。此外,IC 制造業(yè)的發(fā)展還具有非常重要的戰(zhàn)略意義,因此,IC 制造業(yè)的研發(fā)和生產(chǎn)制造受到了世界各國日益重視。
IC 制造業(yè)的核心技術(shù)是光刻機(jī)設(shè)備的發(fā)展,世界上有三大光刻機(jī)生產(chǎn)商:荷蘭 ASML、日本 NIKON和 CANON 公司,掌握絕大數(shù)光刻機(jī)專利,其中,ASML 公司光刻機(jī)代表著國際最先進(jìn)的技術(shù)水平,該公司最先進(jìn)的 Twinscan光刻機(jī)采用雙工件臺(tái)技術(shù),其中工件臺(tái)和掩模臺(tái)是光刻機(jī)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的子系統(tǒng),兩者主要完成光刻機(jī)系統(tǒng)調(diào)整對(duì)焦和掃描曝光等功能,其關(guān)鍵技術(shù)涉及精密機(jī)械加工、精密測(cè)量、運(yùn)動(dòng)控制和驅(qū)動(dòng)控制等技術(shù)。 光刻機(jī)技術(shù)發(fā)展的核心指標(biāo)為晶圓尺寸、線寬和產(chǎn)品率,其中線寬決定了集成電路的復(fù)雜度和功能密度 。
(1)超精密定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)多交叉學(xué)科的研究領(lǐng)域,主要包括機(jī)械、光學(xué)、電氣、控制和測(cè)量等領(lǐng)域,而大多數(shù)學(xué)者都將研究重點(diǎn)放在超精密定位平臺(tái)、支撐結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制策略上。
(2)根據(jù)光刻機(jī)系統(tǒng)中音圈電機(jī)工況特點(diǎn)和功率放大器指標(biāo)來看,無論采用線性功率放大器還是開關(guān)功率放大器,都難于使音圈電機(jī)功率放大器同時(shí)達(dá)到高功率、高精度和高帶寬的指標(biāo)要求。
(3)音圈電機(jī)數(shù)學(xué)建模方面集中在由支撐結(jié)構(gòu)引起擾動(dòng)建模,包括摩擦力和推力波動(dòng)建模,其擾動(dòng)頻率較低,采用前饋查表和建立復(fù)雜數(shù)學(xué)模型等方法補(bǔ)償擾動(dòng)來提高定位精度。當(dāng)音圈電機(jī)在高頻下運(yùn)動(dòng)時(shí),其表現(xiàn)出的各種非線性特性相對(duì)比較復(fù)雜,難于建立精確數(shù)學(xué)模型。
(4)在超精密定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,通常以提高信號(hào)跟蹤能力、克服內(nèi)外干擾、抑制系統(tǒng)振動(dòng)和縮短定位穩(wěn)定時(shí)間為控制目標(biāo),很難找到一種全面的控制策略,通常是幾種控制算法相互配合,互補(bǔ)不足來最終實(shí)現(xiàn) 。
音圈電機(jī)是一種特殊形式的直流直線電機(jī),其具有高頻響、高加速度、體積小和控制方便等優(yōu)點(diǎn),由于這些優(yōu)點(diǎn),音圈電機(jī)能夠解決精度與速度和大行程之間矛盾問題。近年來,隨著超精密定位系統(tǒng)性能指標(biāo)的提高,導(dǎo)致音圈電機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展,不僅在半導(dǎo)體制造裝備、高檔數(shù)控機(jī)床和光學(xué)電子顯微鏡等超精密定位系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,還在醫(yī)療、振動(dòng)平臺(tái)和主動(dòng)減振系統(tǒng)等高激勵(lì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中運(yùn)用 。
音圈電機(jī)(voice coil motor,VCM)是一種基于安培力原理設(shè)計(jì)的直線電機(jī),主要由永磁體、線圈和軛板 3 部分組成。其原理為當(dāng)通電線圈在氣隙磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),根據(jù)洛倫茲力原理,則會(huì)產(chǎn)生推力驅(qū)動(dòng)線圈在氣隙內(nèi)沿軸向運(yùn)動(dòng),隨著線圈中電流方向和數(shù)值的變化,線圈做往返直線運(yùn)動(dòng)。除了和其他直線電機(jī)一樣可消除傳動(dòng)環(huán)節(jié)中存在間隙等不足外,在理論上音圈電機(jī)具有高響應(yīng)、高加速度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和力特性好等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于高頻激勵(lì)、高響應(yīng)和高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。
根據(jù)音圈電機(jī)永磁體所處的位置不同,分為內(nèi)永磁體式和外永磁體式;根據(jù)音圈氣隙長(zhǎng)度,分為長(zhǎng)線圈和短線圈結(jié)構(gòu);根據(jù)動(dòng)子結(jié)構(gòu),分為動(dòng)線圈式和動(dòng)永磁體式,各個(gè)種類音圈電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表所示。
通過對(duì)表中各個(gè)性能比較可以得出,為了滿足音圈電機(jī)高加速度、快速響應(yīng)和高頻響的運(yùn)動(dòng)特性,在運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量一定的條件下,應(yīng)該選擇內(nèi)永磁體式、動(dòng)永磁體式和短線圈式結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī),此種類型的音圈電機(jī)具有功耗小、工作電流大和推力大等優(yōu)點(diǎn)。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的電力驅(qū)動(dòng)組模塊主要有什么組成?
純電動(dòng)汽車的組成由電力驅(qū)動(dòng)主模塊、車載電源模塊和輔助模塊三大部分組成。電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心,也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的心臟,它由電機(jī)、功率轉(zhuǎn)化器、控制器、...
是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置,并實(shí)現(xiàn)直線型及有限擺角的運(yùn)動(dòng)。利用來自永久磁鋼的磁場(chǎng)與通電線圈導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)中磁極間的相互作用產(chǎn)生有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)的裝置。采用合適的定位反饋及感應(yīng)裝..
LCD是液晶顯示器的意思,LCD驅(qū)動(dòng)控制IC意思就是控制液晶顯示器顯示方式的集成電路芯片?! ⌒酒瑑?nèi)含恒流產(chǎn)生電路,可透過外掛電阻來設(shè)定輸出恒流值。透過芯片的使能端可以控制輸出通道的開關(guān)時(shí)間,切換頻率...
在掃描運(yùn)動(dòng)中,音圈電機(jī)按照已規(guī)劃運(yùn)動(dòng)指令運(yùn)動(dòng),屬于高精度軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)控制(Trajectory tracking control),其運(yùn)動(dòng)控制目標(biāo):音圈電機(jī)始終跟蹤目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng),并且在運(yùn)動(dòng)過程中盡量保證運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤誤差最小,與此同時(shí),為了減小運(yùn)動(dòng)過程中高加減速對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的沖擊,指令軌跡規(guī)劃也是實(shí)現(xiàn)高精度軌跡跟蹤技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于高精度軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)控制來說,負(fù)載擾動(dòng)、電阻電感變化、電機(jī)非線性以及機(jī)械振動(dòng)等因素都可能使伺服系統(tǒng)性能變壞,因此,對(duì)控制系統(tǒng)的魯棒性提出了更高的要求,采用自抗擾控制和5階S型曲線相結(jié)合的控制方式,實(shí)現(xiàn)高精度軌跡跟蹤控制 。
高精度運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃
在現(xiàn)代超精密數(shù)控加工系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)和光刻機(jī)系統(tǒng)中,通常其控制系統(tǒng)都以實(shí)現(xiàn)高加速度和高速度運(yùn)動(dòng)為目標(biāo)。然而,頻繁高加速度突變會(huì)引起系統(tǒng)振蕩,對(duì)機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊,無法使控制對(duì)象快速和精確定位。
指令軌跡規(guī)劃能夠使軌跡加速度曲線變的平滑連續(xù),可以減小高加速對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的沖擊,其中S型軌跡規(guī)劃是一種常用的指令軌跡規(guī)劃方法,廣泛應(yīng)用在實(shí)際工程中,其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:
(1)根據(jù)電機(jī)運(yùn)動(dòng)工況需求和一些約束條件,其約束條件包括最優(yōu)調(diào)節(jié)時(shí)間、最小功耗和最小加速度等;
(2)在滿足以上約束條件的前提下,計(jì)算出各自的限制值和時(shí)間切換點(diǎn);
(3)最后,依次積分求得加速度、速度和位移隨時(shí)間變化的曲線。
自抗擾控制策略研究
傳統(tǒng)PID控制算法的原理:根據(jù)控制目標(biāo)與被控輸出之間的誤差、誤差微分及誤差積分的加權(quán)和來生成控制量,該控制算法至今仍在控制實(shí)踐工程中被大量采用,然而,在高精度運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域,傳統(tǒng)PID控制器難于滿足超精密定位系統(tǒng)的控制目標(biāo)要求。韓京清教授提出了一種自抗擾控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)算法,在保持PID不依賴于數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,對(duì)傳統(tǒng)PID控制方法進(jìn)行改進(jìn),包括如下幾點(diǎn):
(1)根據(jù)設(shè)定值預(yù)先安排合適的過渡過程。
(2)誤差微分信號(hào)通過跟蹤微分器和狀態(tài)觀測(cè)器來提取。
(3)在非線性領(lǐng)域?qū)ふ腋线m的P、I和D組合來改進(jìn)誤差反饋規(guī)律。
(4)采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)擾動(dòng)總和并進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。
通過上述4方面對(duì)傳統(tǒng)PID控制算法的改進(jìn),ADRC控制算法具有算法簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、易于數(shù)字化和參數(shù)調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。ADRC算法已被成功應(yīng)用在機(jī)器人高速高精度控制、永磁同步電機(jī)調(diào)速控制和DC-DC功率變換器控制等諸多領(lǐng)域。
ADRC控制器主要由三部分組成:跟蹤微分器(Tracking-Differentiator,TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(Extended State Observer,ESO)和非線性狀態(tài)誤差反饋(Nonlinear State Error Feedback,NLSEF),其控制框圖如圖1所示。
1)跟蹤微分器(TD)
跟蹤微分器的作用對(duì)目標(biāo)值安排過渡過程,當(dāng)指令信號(hào)為階躍信號(hào)時(shí),由于被控對(duì)象慣性環(huán)節(jié)的存在,在跟蹤起始階段存在大誤差,為了加快跟蹤效果,勢(shì)必加大控制增益,從而產(chǎn)生較大的超調(diào)量。為了降低初始誤差,設(shè)計(jì)一個(gè)合理過渡過程,同時(shí)給出過渡過程的微分信號(hào),使系統(tǒng)跟蹤事先安排好的過渡過程曲線,能夠有效地減少超調(diào)量,從而提高控制系統(tǒng)性能。
2)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)
自抗擾控制器核心部分為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器,其不依賴具體數(shù)學(xué)模型,也不需要直接去測(cè)量,把控制系統(tǒng)中的“內(nèi)擾”和“外擾”看成總擾動(dòng),利用“擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器”估計(jì)出實(shí)時(shí)擾動(dòng)量并加以補(bǔ)償。
3)非線性狀態(tài)誤差反饋(NLSEF)
傳統(tǒng)PID控制形式為P、I和D的線性組合,這種線性組合并不是最佳組合,韓京清教授提出了一種非線性PID控制器,充分利用非線性函數(shù)特性,實(shí)現(xiàn)“小誤差大增益,大誤差小增益” 。
在定位運(yùn)動(dòng)中,音圈電機(jī)根據(jù)偏轉(zhuǎn)角計(jì)算位置誤差進(jìn)行定位補(bǔ)償,其運(yùn)動(dòng)方式屬于高精度點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位運(yùn)動(dòng)控制(Point-to-point positioning control),其運(yùn)動(dòng)控制目標(biāo):音圈電機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)精確定位,只關(guān)注響應(yīng)時(shí)間以及目標(biāo)位置的定位精度,其運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)應(yīng)具有快速響應(yīng)、無超調(diào)量和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn),通??焖夙憫?yīng)和無超調(diào)量是一對(duì)相互制約的指標(biāo)。
為了解決快速性和超調(diào)量的矛盾,有學(xué)者首先提出復(fù)合非線性反饋控制策略(CNF),該控制策略包括線性部分和非線性部分,線性部分通過減小系統(tǒng)阻尼來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,而非線性部分使電機(jī)在臨近目標(biāo)點(diǎn)時(shí)逐漸加大系統(tǒng)阻尼來抑制超調(diào)量的產(chǎn)生。有學(xué)者將復(fù)合非線性反饋控制算法拓展至輸出反饋控制。然而,上述控制策略只適用于定常參考指令跟蹤,不能滿足時(shí)變參考跟蹤控制,為此,輔助信號(hào)發(fā)生器被引入到CNF中,解決時(shí)變輸入跟蹤控制。針對(duì)多變量飽和線性系統(tǒng)時(shí)變參考輸入跟蹤問題,一種推廣的組合非線性反饋控制被提出。
針對(duì)復(fù)合非線性反饋控制對(duì)參數(shù)擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)自適應(yīng)差的問題,模型自適應(yīng)補(bǔ)償算法加入到該算法中,有效提高系統(tǒng)魯棒性 。2100433B
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針對(duì)盾構(gòu)機(jī)的刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)選用8臺(tái)西門子G130系列變頻器,采用主從控制方式,重點(diǎn)解決多電機(jī)的同步運(yùn)行問題,實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩平衡。8臺(tái)變頻器同時(shí)響應(yīng)PLC的轉(zhuǎn)速給定信號(hào),每臺(tái)變頻器分別對(duì)各自的電機(jī)施加力矩,具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、電機(jī)力矩一致性好和易于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。在程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上,采用了應(yīng)用接口程序的編寫方式,使程序核心部分相對(duì)穩(wěn)定,又有靈活的擴(kuò)展及操作能力。
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介紹中了一種新型電動(dòng)門驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)。電動(dòng)門由無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),C8051F040單片機(jī)控制,由無刷電動(dòng)機(jī)霍爾位置信號(hào)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)門的定位。
超精密加工的發(fā)展經(jīng)歷了如下三個(gè)階段。
(1)20世紀(jì)50年代至80年代為技術(shù)開創(chuàng)期。20世紀(jì)50年代末,出于航天、國防等尖端技術(shù)發(fā)展的需要,美國率先發(fā)展了超精密加工技術(shù),開發(fā)了金剛石刀具超精密切削--單點(diǎn)金剛石切削(Single point diamond tuming,SPDT)技術(shù),又稱為"微英寸技術(shù)",用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。從1966年起,美國的unionCarbide公司、荷蘭Philips公司和美國LawrenceLivemoreLaboratories陸續(xù)推出
各自的超精密金剛石車床,但其應(yīng)用限于少數(shù)大公司與研究單位的試驗(yàn)研究,并以國防用途或科學(xué)研究用途的產(chǎn)品加工為主。這一時(shí)期,金剛石車床主要用于銅、鋁等軟金屬的加工,也可以加工形狀較復(fù)雜的工件,但只限于軸對(duì)稱形狀的工件例如非球面鏡等。
(2)20世紀(jì)80年代至90年代為民間工業(yè)應(yīng)用初期。在20世紀(jì)80年代,美國政府推動(dòng)數(shù)家民間公司Moore Special Tool和Pneumo Precision公司開始超精密加工設(shè)備的商品化,而日本數(shù)家公司如Toshiba和Hitachi與歐洲的Cmfield大學(xué)等也陸續(xù)推出產(chǎn)品,這些設(shè)備開始面向一般民間工業(yè)光學(xué)組件商品的制造。但此時(shí)的超精密加工設(shè)備依然高貴而稀少,主要以專用機(jī)的形式訂作。在這一時(shí)期,除了加工軟質(zhì)金屬的金剛石車床外,可加工硬質(zhì)金屬和硬脆性材料的超精密金剛石磨削也被開發(fā)出來。該技術(shù)特點(diǎn)是使用高剛性機(jī)構(gòu),以極小切深對(duì)脆性材料進(jìn)行延性研磨,可使硬質(zhì)金屬和脆性材料獲得納米級(jí)表面粗糙度。當(dāng)然,其加工效率和機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性無法和金剛石車床相比。20世紀(jì)80年代后期,美國通過能源部"激光核聚變項(xiàng)目"和陸、海、空三軍"先進(jìn)制造技術(shù)開發(fā)計(jì)劃"對(duì)超精密金剛石切削機(jī)床的開發(fā)研究,投入了巨額資金和大量人力,實(shí)現(xiàn)了大型零件的微英寸超精密加工。美國LLNL國家實(shí)驗(yàn)室研制出的大型光學(xué)金剛石車床(Large optics diamond turning machine,LODTM)成為超精密加工史上的經(jīng)典之作。這是一臺(tái)最大加工直徑為1.625m的立式車床,定位精度可達(dá)28nm,借助在線誤差補(bǔ)償能力,可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度超過1m、而直線度誤差只有士25nm的加工。
(3)20世紀(jì)90年代至今為民間工業(yè)應(yīng)用成熟期。從1990年起,由于汽車、能源、醫(yī)療器材、信息、光電和通信等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,超精密加工機(jī)的需求急劇增加,在工業(yè)界的應(yīng)用包括非球面光學(xué)鏡片、Fresnel鏡片、超精密模具、磁盤驅(qū)動(dòng)器磁頭、磁盤基板加工、半導(dǎo)體晶片切割等。在這一時(shí)期,超精密加工設(shè)備的相關(guān)技術(shù),例如控制器、激光干涉儀、空氣軸承精密主軸、空氣軸承導(dǎo)軌、油壓軸承導(dǎo)軌、摩擦驅(qū)動(dòng)進(jìn)給軸也逐漸成熟,超精密加工設(shè)備變?yōu)楣I(yè)界常見的生產(chǎn)機(jī)器設(shè)備,許多公司,甚至是小公司也紛紛推出量產(chǎn)型設(shè)備。此外,設(shè)備精度也逐漸接近納米級(jí)水平,加工行程變得更大,加工應(yīng)用也逐漸增廣,除了金剛石車床和超精密研磨外,超精密五軸銑削和飛切技術(shù)也被開發(fā)出來,并且可以加工非軸對(duì)稱非球面的光學(xué)鏡片。
世界上的超精密加工強(qiáng)國以歐美和日本為先,但兩者的研究重點(diǎn)并不一樣。歐美出于對(duì)能源或空間開發(fā)的重視,特別是美國,幾十年來不斷投入巨額經(jīng)費(fèi),對(duì)大型紫外線、x射線探測(cè)望遠(yuǎn)鏡的大口徑反射鏡的加工進(jìn)行研究。如美國太空署(NASA)推動(dòng)的太空開發(fā)計(jì)劃,以制作1m以上反射鏡為目標(biāo),目的是探測(cè)x射線等短波(O.1~30nm)。由于X射線能量密度高,必須使反射鏡表面粗糙度達(dá)到埃級(jí)來提高反射率。此類反射鏡的材料為質(zhì)量輕且熱傳導(dǎo)性良好的碳化硅,但碳化硅硬度很高,須使用超精密研磨加工等方法。日本對(duì)超精密加工技術(shù)的研究相對(duì)美、英來說起步較晚,卻是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家。日本超精密加工的應(yīng)用對(duì)象大部分是民用產(chǎn)品,包括辦公自動(dòng)化設(shè)備、視像設(shè)備、精密測(cè)量?jī)x器、醫(yī)療器械和人造器官等。日本在聲、光、圖像、辦公設(shè)備中的小型、超小型電子和光學(xué)零件的超精密加工技術(shù)方面,具有優(yōu)勢(shì),甚至超過了美國。日本超精密加
工最初從鋁、銅輪轂的金剛石切削開始,而后集中于計(jì)算機(jī)硬盤磁片的大批量生產(chǎn),隨后是用于激光打印機(jī)等設(shè)備的多面鏡的快速金剛石切削,之后是非球面透鏡等光學(xué)元件的超精密切削。l982年上市的EastnlanKodak數(shù)碼相機(jī)使用的一枚非球面透鏡引起了日本產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注,因?yàn)?枚非球面透鏡至少可替代3枚球面透鏡,光學(xué)成像系統(tǒng)因而小型化、輕質(zhì)化,可廣泛應(yīng)用于照相機(jī)、錄像機(jī)、工業(yè)電視、機(jī)器人視覺、CD、VCD、DvD、投影儀等光電產(chǎn)品。因而,非球面透鏡的精密成形加工成為日本光學(xué)產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)。
盡管隨時(shí)代的變化,超精密加工技術(shù)不斷更新,加工精度不斷提高,各國之間的研究側(cè)重點(diǎn)有所不同,但促進(jìn)超精密加工發(fā)展的因素在本質(zhì)上是相同的。這些因素可歸結(jié)如下。
(1)對(duì)產(chǎn)品高質(zhì)量的追求。為使磁片存儲(chǔ)密度更高或鏡片光學(xué)性能更好,就必須獲得粗糙度更低的表面。為使電子元件的功能正常發(fā)揮,就要求加工后的表面不能殘留加工變質(zhì)層。按美國微電子技術(shù)協(xié)會(huì)(SIA)提出的技術(shù)要求,下一代計(jì)算機(jī)硬盤的磁頭要求表面粗糙度Ra≤0.2nm,磁盤要求表面劃痕深度h≤lnm,表面粗糙度Ra≤0.1nmp。1983年TANIGUCHI對(duì)各時(shí)期的加工精度進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè),以此為基礎(chǔ),BYRNE描繪了20世紀(jì)40年代后加工精度的發(fā)展。
(2)對(duì)產(chǎn)品小型化的追求。伴隨著加工精度提高的是工程零部件尺寸的減小。從1989~2001年,從6.2kg降低到1.8kg。電子電路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高電路曝光用鏡片的精度、半導(dǎo)體制造設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度。零部件的小型化意味著表面積與體積的比值不斷增加,工件的表面質(zhì)量及其完整性越來越重要。
(3)對(duì)產(chǎn)品高可靠性的追求。對(duì)軸承等一邊承受載荷一邊做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件,降低表面粗糙度可改善零件的耐磨損性,提高其工作穩(wěn)定性、延長(zhǎng)使用壽命。高速高精密軸承中使用的Si3N4。陶瓷球的表面粗糙度要求達(dá)到數(shù)納米。加工變質(zhì)層的化學(xué)性質(zhì)活潑,易受腐蝕,所以從提高零件耐腐蝕能力的角度出發(fā),要求加工產(chǎn)生的變質(zhì)層盡量小。
(4)對(duì)產(chǎn)品高性能的追求。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度的提高,有利于減緩力學(xué)性能的波動(dòng)、降低振動(dòng)和噪聲。對(duì)內(nèi)燃機(jī)等要求高密封性的機(jī)械,良好的表面粗糙度可減少泄露而降低損失。二戰(zhàn)后,航空航天工業(yè)要求部分零件在高溫環(huán)境下工作,因而采用鈦合金、陶瓷等難加工材料,為超精密加工提出了新的課題。
精密及超精密加工超精密加工
超精密加工是指亞微米級(jí)(尺寸誤差為0.3~0.03μm,表面粗糙度為Ra0.03~0.005μm)和納米級(jí)(精度誤差為0.03μm,表面粗糙度小于Ra0.005μm)精度的加工。實(shí)現(xiàn)這些加工所采取的工藝方法和技術(shù)措施,則稱為超精加工技術(shù)。加之測(cè)量技術(shù)、環(huán)境保障和材料等問題,人們把這種技術(shù)總稱為超精工程。超精密加工主要包括三個(gè)領(lǐng)域:超精密切削加工如金剛石刀具的超精密切削,可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠(yuǎn)鏡的大型拋物面鏡的加工。超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盤的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工。超精密特種加工如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工,線寬可達(dá)0.1μm。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工,線寬可達(dá)2~5nm。
a.超精密切削
超精密切削以SPDT技術(shù)開始,該技術(shù)以空氣軸承主軸、氣動(dòng)滑板、高剛性、高精度工具、反饋控制和環(huán)境溫度控制為支撐,可獲得納米級(jí)表面粗糙度。多采用金剛石刀具銑削,廣泛用于銅的平面和非球面光學(xué)元件、有機(jī)玻璃、塑料制品(如照相機(jī)的塑料鏡片、隱形眼鏡鏡片等)、陶瓷及復(fù)合材料的加工等。未來的發(fā)展趨勢(shì)是利用鍍膜技術(shù)來改善金剛石刀具在加工硬化鋼材時(shí)的磨耗。此外,MEMS組件等微小零件的加工需要微小刀具,目前微小刀具的尺寸約可達(dá)50~100μm,但如果加工幾何特征在亞微米甚至納米級(jí),刀具直徑必須再縮小,其發(fā)展趨勢(shì)是利用納米材料如納米碳管來制作超小刀徑的車刀或銑刀。
b.超精密磨削
超精密磨削是在一般精密磨削基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鏡面磨削方法,其關(guān)鍵技術(shù)是金剛石砂輪的修整,使磨粒具有微刃性和等高性。超精密磨削的加工對(duì)象主要是脆硬的金屬材料、半導(dǎo)體材料、陶瓷、玻璃等。磨削后,被加工表面留下大量極微細(xì)的磨削痕跡,殘留高度極小,加上微刃的滑擠、摩擦、拋光作用,可獲得高精度和低表面粗糙度的加工表面,當(dāng)前超精密磨削能加工出圓度0.01μm、尺寸精度0.1μm和表面粗糙度為Ra0.005μm的圓柱形零件。
c.超精密研磨
超精密研磨包括機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械研磨、浮動(dòng)研磨、彈性發(fā)射加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨的關(guān)鍵條件是幾乎無振動(dòng)的研磨運(yùn)動(dòng)、精密的溫度控制、潔凈的環(huán)境以及細(xì)小而均勻的研磨劑。超精密研磨加工出的球面度達(dá)0.025μm,表面粗糙度Ra達(dá)0.003μm。
d.超精密特種加工
超精密特種加工主要包括激光束加工、電子束加工、離子束加工、微細(xì)電火花加工、精細(xì)電解加工及電解研磨、超聲電解加工、超聲電解研磨、超聲電火花等復(fù)合加工。激光、電子束加工可實(shí)現(xiàn)打孔、精密切割、成形切割、刻蝕、光刻曝光、加工激光防偽標(biāo)志;離子束加工可實(shí)現(xiàn)原子、分子級(jí)的切削加工;利用微細(xì)放電加工可以實(shí)現(xiàn)極微細(xì)的金屬材料的去除,可加工微細(xì)軸、孔、窄縫平面及曲面;精細(xì)電解加工可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度,且表面不會(huì)產(chǎn)生加工應(yīng)力,常用于鏡面拋光、鏡面減薄以及一些需要無應(yīng)力加工的場(chǎng)合。
超精密加工技術(shù)在國際上處于領(lǐng)先地位的國家有美國、英國和日本。這些國家的超精密加工技術(shù)不僅總體成套水平高,而且商品化的程度也非常高。美國50年代未發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù),稱為“SPDT技術(shù)”(SinglePointDia-mondTurning)或“微英寸技術(shù)”(1微英寸=0.025μm),并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機(jī)床,用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。英國克蘭菲爾德技術(shù)學(xué)院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所(簡(jiǎn)稱CUPE)是英國超精密加工技術(shù)水平的獨(dú)特代表。如CUPE生產(chǎn)的Nanocentre(納米加工中心)既可進(jìn)行超精密車削,又帶有磨頭,也可進(jìn)行超精密磨削,加工工件的形狀精度可達(dá)0.1μm,表面粗糙度Ra<10nm。日本對(duì)超精密加工技術(shù)的研究相對(duì)于美、英來說起步較晚,但是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家。北京機(jī)床研究所是國內(nèi)進(jìn)行超精密加工技術(shù)研究的主要單位之一,研制出了多種不同類型的超精密機(jī)床、部件和相關(guān)的高精度測(cè)試儀器等,如精度達(dá)0.025μm的精密軸承、JCS—027超精密車床、JCS—031超精密銑床、JCS—035超精密車床、超精密車床數(shù)控系統(tǒng)、復(fù)印機(jī)感光鼓加工機(jī)床、紅外大功率激光反射鏡、超精密振動(dòng)-位移測(cè)微儀等,達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在金剛石超精密切削、金剛石刀具晶體定向和刃磨、金剛石微粉砂輪電解在線修整技術(shù)等方面進(jìn)行了卓有成效的研究。清華大學(xué)在集成電路超精密加工設(shè)備、磁盤加工及檢測(cè)設(shè)備、微位移工作臺(tái)、超精密砂帶磨削和研拋、金剛石微粉砂輪超精密磨削、非圓截面超精密切削等方面進(jìn)行了深入研究,并有相應(yīng)產(chǎn)品問世。我國超精密加工技術(shù)與美日相比,還有不小差距,特別是在大型光學(xué)和非金屬材料的超精加工方面,在超精加工的效率和自動(dòng)化技術(shù)方面差距尤為明顯。
0 緒論
0.1 超精密氣浮定位工作臺(tái)簡(jiǎn)介
0.2 超精密定位工作臺(tái)的發(fā)展概況0.2.1 超精密定位工作臺(tái)的發(fā)展過程
0.2.2 國外超精密定位工作臺(tái)技術(shù)的現(xiàn)狀
0.2.3 國內(nèi)超精密定位工作臺(tái)技術(shù)的現(xiàn)狀
0.3 超精密定位工作臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)
0.3.1 定位工作臺(tái)的直線導(dǎo)向技術(shù)
0.3.2 定位工作臺(tái)的控制技術(shù)
0.3.3 定位工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)
0.3.4 定位工作臺(tái)的測(cè)量技術(shù)
0.3.5 定位工作臺(tái)的材料
0.4 本書的研究目的和主要內(nèi)容
0.4.1 本書的研究目的
0.4.2 本書的主要內(nèi)容
1 永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的基本原理及其控制
1.1 永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理
1.1.1 基本結(jié)構(gòu)
1.1.2 工作原理
1.2 直線電動(dòng)機(jī)的建模與分析
1.2.1 永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型
1.2.2 永磁同步直線電動(dòng)機(jī)中的磁場(chǎng)
1.2.3 永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的電磁參數(shù)
1.2.4 永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的d-a印軸模型和推力
1.3 交流永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的控制
1.3.1 傳統(tǒng)控制策略
1.3.2 現(xiàn)代控制策略
1.3.3 智能控制策略
1.4 本章小結(jié)
2 氣浮軸承模型及有限元分析法
2.1 靜壓氣浮支承潤(rùn)滑系統(tǒng)概述
2.1.1 靜壓氣浮支承潤(rùn)滑系統(tǒng)的組成
2.1.2 靜壓氣浮軸承的節(jié)流形式
2.1.3 靜壓氣浮軸承的節(jié)流原理
2.1.4 氣浮導(dǎo)軌的類型
2.2 氣浮軸承潤(rùn)滑問題的描述
2.2.1 小孔流量節(jié)流公式
2.2.2 雷諾方程式
2.2.3 氣浮軸承潤(rùn)滑問題的變分表示法
2.3 用有限元法解氣浮軸承的靜壓潤(rùn)滑問題
2.3.1 有限元的劃分與插值函數(shù)
2.3.2 氣浮軸承潤(rùn)滑方程的有限元法
2.3.3 有限元的計(jì)算過程
2.4 氣浮軸承的靜壓潤(rùn)滑穩(wěn)定性
2.4.1 影響氣浮軸承穩(wěn)定性的因素
2.4.2 提高氣浮軸承穩(wěn)定性的措施
2.5 本章小結(jié)
3 氣浮軸承動(dòng)力學(xué)建模與參數(shù)辨識(shí)
3.1 氣浮軸承的主要性能參數(shù)
3.1.1 氣浮軸承的靜態(tài)特性及主要參數(shù)
3.1.2 氣浮軸承的動(dòng)態(tài)特性及主要參數(shù)
3.2 氣浮軸承性能參數(shù)的仿真計(jì)算與辨識(shí)
3.2.1 氣浮軸承性能參數(shù)的辨識(shí)方法
3.2.2 矩形氣浮軸承的特性及主要參數(shù)辨識(shí)
3.2.3 環(huán)形氣浮軸承的特性及主要參數(shù)辨識(shí)
3.3 氣浮軸承參數(shù)的實(shí)驗(yàn)辨識(shí)方法
3.3.1 靜態(tài)測(cè)試方法
3.3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試方法
3.4 本章小結(jié)
4 氣浮軸承動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)分析
4.1 結(jié)構(gòu)形狀對(duì)性能參數(shù)的影響
4.1.1 分析方法
4.1.2 仿真模型
4.1.3 有限元計(jì)算結(jié)果與分析比較
4.1.4 結(jié)構(gòu)形狀與性能參數(shù)之間的關(guān)系
4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)性能參數(shù)的影響
4.2.1 節(jié)流孔直徑的影響
4.2.2 節(jié)流孔高度的影響
4.2.3 壓力腔高度的影響
4.2.4 壓力腔寬度的影響
4.2.5 壓力腔長(zhǎng)度的影響
4.2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與性能參數(shù)之間的關(guān)系
4.3 工藝參數(shù)對(duì)性能參數(shù)的影響
4.3.1 氣膜厚度的影響
4.3.2 供氣壓力的影響
4.3.3 工藝參數(shù)與性能參數(shù)之間的關(guān)系
4.4 本章小結(jié)
5 超精密氣浮定位工作臺(tái)動(dòng)力學(xué)特性研究
5.1 氣浮定位工作臺(tái)的數(shù)學(xué)模型
5.1.1 氣浮定位工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)
5.1.2 氣浮定位工作臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型
5.2 動(dòng)力學(xué)參數(shù)的求解
5.3 動(dòng)態(tài)特性的仿真分析
5.3.1 系統(tǒng)幅值的仿真計(jì)算
5.3.2 固有頻率的計(jì)算
5.3.3 外力對(duì)定位工作臺(tái)動(dòng)態(tài)特性的影響
5.3.4 剛度對(duì)定位工作臺(tái)動(dòng)態(tài)特性的影響
5.4 超精密氣浮定位工作臺(tái)動(dòng)態(tài)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究
5.4.1 非氣浮狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
5.4.2 氣浮狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
5.4.3 基座中心至氣浮軸承中心的傳遞函數(shù)分析
5.4.4 y向直線電動(dòng)機(jī)的定子至動(dòng)子的傳遞函數(shù)分析
5.4.5 頻率對(duì)剛度參數(shù)靈敏度的影響
5.4.6 直線電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)多參數(shù)靈敏度分析與優(yōu)化
5.5 本章小結(jié)
6 超精密氣浮定位工作臺(tái)定位精度研究
6.1 氣浮定位工作臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型
6.2 混合趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制模型的建立與仿真
6.2.1 滑動(dòng)模態(tài)及滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本概念
6.2.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制仿真模型的建立
6.2.3 基于混合趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法
6.2.4混合趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法的仿真
6.3 定位工作臺(tái)輸出位移的仿真實(shí)驗(yàn)與精度分析
6.3.1 輸出位移的仿真實(shí)驗(yàn)
6.3.2 控制精度的分析
6.4 超精密氣浮定位工作臺(tái)的定位精度實(shí)驗(yàn)
6.4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng)
6.4.2 水平直線度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
6.4.3 垂直直線度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
6.4.4 非氣浮狀態(tài)下的定位精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
6.4.5 氣浮狀態(tài)下的定位精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
6.5 本章小結(jié)