IC超精密加工平台的超声悬浮/气浮的混合悬浮减振驱动机理及控制方法

The project focuses on the mechanism of a mixed levitation driving manner of ultrasonic levitation and aerodynamic levitation. The damping theory and control method of IC ultra-precision machining acted by the mixed levitation are studied. The effect of minishing stage vibration of the mixed levitation is obtained using the near-field acoustic levitation to decrease gas vortex and vibration hammer of The project focuses on the mechanism of a mixed levitation driving manner of ultrasonic levitation and aerodynamic levitation. The damping theory and control method of IC ultra-precision machining acted by the mixed levitation are studied. The effect of minishing stage vibration of the mixed levitation is obtained using the near-field acoustic levitation to decrease gas vortex and vibration hammer of the gas bearing in the exsiting aerodynamic levitation stage and improve the stiffness of aerodynamic levitation.The damping driving mechanism and control method of the near-field ultrasonic/aerodynamic mixed levitation for IC ultra –precision machining stage are studied.The detailed contents include: A kinetic model of the mixed levitation acted by ultrasonic and aerodynamic levitation is established. Next, the influence characteristics of the levitated stage are considered based on physics, vibration theory and control theory. The stiffness of mixed levitation and the relationship between near-field acoustic levitation and aerodynamic levitation are investigated. Finally, the damping driving mechanism of the stage and the driving control method are discussed. The research will provide the reference value in the fields of damping driving mechanism and control methods of IC ultra-precision machining stage.

项目研究超声波悬浮／气浮的混合悬浮作用机理，并研究这种混合悬浮现象对IC超精密加工平台的混合悬浮减振作用的形成机理及控制方法。通过超声波近声场悬浮来减小现有气浮平台中气浮支承的气旋现象和气锤振动，提高悬浮刚度，来实现这种混合悬浮式平台的减振驱动效果。项目研究这种超声波近声场悬浮和气浮的叠加效应、混合悬浮的减振驱动能力及控制方法。具体工作包括：建立超声波悬浮和气浮的混合悬浮的动力学模型，探讨物理学、振动学及控制学因素对超声波悬浮和气浮的混合悬浮平台的减振驱动特性；研究这种混合悬浮的悬浮刚度；研究超声波近声场悬浮与气浮支承之间的关系；研究超声波悬浮和气浮的混合悬浮平台的减振驱动机理；研究实现这种驱动的控制方法。项目的研究成果将为IC超精密加工平台的悬浮减振作用机理及控制等方面提供具有借鉴参考价值的依据。

设计了能产生较大超声驱动能力的圆盘式夹心聚焦超声换能器，分别对不同结构的换能器振子的超声驱动特征进行研究。通过使用ANSYS软件与COMSOL软件，分别对圆盘式夹心压电换能器进行整体分析。在ANSYS软件中通过模态分析，得出圆盘和压电换能器的共振频率，分析圆盘的尺寸与压电换能器的声压分布之间的关系，得出圆盘的最佳半径与厚度。. 使用COMSOL软件，得出了圆盘表面上各个位置的声压值与振幅关系曲线图，并且对发射式超声聚焦功率换能器和接收式超声聚焦功率超声换能器的位置安置方式问题进行论证和实验研究。对超声波近声场悬浮气体挤压膜内的气体流动特性和声辐射压进行了理论研究，分析其近声场悬浮的声压分布情况，采用微扰法，用ANSYS软件来模拟计算近声场悬浮的声辐射压。. 通过对混合悬浮时混合场内的气体压力分布的数值模拟，得出混合悬浮可减少气浮平台的振动幅度的理论依据。建立聚焦超声换能器的振动数学模型，通过超声波动力方程和纳维-斯托克斯方程推导出混合悬浮的气体流动方程，通过理论和实验仿真分析揭示混合悬浮气浮支承的振动状态及特性。从理论上得出这种混合悬浮减振方式的优点通过流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamics）理论对聚焦超声换能器进行超声悬浮/气浮的混合流场分析，理论分析混合悬浮压力腔内气体振动以及支撑刚度变化情况，并利用理论分析指导混合悬浮中单轴旋转驱动机构和混合悬浮移动行波驱动机构的综合实验分析，对以上两种方案的空间混合悬浮减振驱动特性进行实验设计，并且得出重要理论和实验数据。. 通过以上理论分析和实验验证，结果证明通过加入在气浮中加入超声悬浮后形成的混合悬浮中，超声悬浮能有效的减小气浮支承中的气旋振动和气锤振动，从而提高了IC超精密加工平台的驱动能力。为日后的延伸研究，打下了坚实的理论和实验基础。