跨尺度高速纳米多维运动平台的振动抑制及多变量迟滞补偿研究

The macro-micro combined approach, as the effective way to realize trans-scale nano-precision positioning with multi-dimensions and high velocity, plays a significant role in IC manufacturing field. The current difficulties are the conflicts between high velocity and high precision, which always caused the vibration coupling and the hysteresis cross coupling phenomena in the macro-micro manipulator. The proposal is aimed for solving the accuracy decreasing issues lead by the vibration coupling and the hysteresis cross coupling problems. The working principle of the vibration coupling, the micro disturbance response characteristics, and the cross-coupling hysteresis existed in the multi-dimensional compliant manipulator driven by PZT actuators are studied. Through establishing the rigid-flexible dynamic model and multivariable hysteresis model, the active vibration control method and the compensator of the cross coupling hysteresis are developed. Taking the macro manipulator and the micro manipulator as an overall system, the global control strategies are explored by combining the feedforward and the feedback controllers. The issues of how to integrate the hysteresis compensator, vibration controller, decoupling controller, and trajectory tracking controller as the best topology structure are investigated, in order to realize the trans-scale positioning with high accuracy and high velocity. The objectives of this proposal are to promote the independent development process of the IC manufacturing instruments in our country, prepare the core talents in trans-scale nano-precision positioning fields, and further provide more experiences in the optimization of such nano-manufacturing equipment.

跨尺度高速多维纳米定位技术是芯片制造装备升级的门槛，宏微结合方法是跨越这一障碍的有效途径之一，目前存在的主要问题是高速与高精度的矛盾问题，高速情况下，振动耦合和迟滞交叉耦合问题凸显。本项目针对多自由度宏微运动平台的振动耦合和迟滞交叉耦合对定位精度的影响，研究宏微结合纳米多维运动平台的刚柔耦合规律及微扰动响应特性，多自由度柔顺机构中由于多压电陶瓷驱动导致的迟滞交叉耦合作用机理等科学问题，通过建立宏微运动平台的刚柔耦合动力学模型和多变量迟滞模型，提出宏微运动平台的主动振动控制方法和迟滞交叉耦合特性的补偿方法，以多自由度宏微运动平台整体作为控制目标，研究前馈结合反馈的全局复合控制策略，探索将迟滞补偿器、振动控制器、解耦控制器、以及轨迹跟踪控制器有机融合的最佳拓扑结构，实现宏微运动平台的高速、高精度控制，形成自主知识产权，培养装备核心技术人才，以提升源头创新能力，支持纳米制造装备的整体优化。

芯片制造能力是国家制造业水平的重要标志，工作台定位精度是更高集成度得以实现的重要支撑，其定位精度、定位速度和行程范围直接影响着芯片制造装备的生产质量和效率。精密定位平台要实现大行程高速度高精度的定位，目前亟待解决的两个关键问题是：1.大行程（厘米）与高精度（纳米）之间的矛盾；2.高加速度（5-10g）与高精度（纳米）之间的矛盾。本项目以这两个关键问题为出发点，着重展开了以下研究：.大行程多维柔顺机构构型优化。针对柔顺机构弹性变形有限制约精密操作器工作空间的领域难题，基于卡式第二定理和柔性梁理论，提出了考虑负载力条件下的柔顺机构放大比例优化及分析方法，精度优于目前主流建模方法，与有限元误差相比小于5%，达到国际先进水平（MSSP, 1区, TOP）。.柔性并联运动平台振动耦合机理。针对振动造成的并联操作器精度下降问题，采用自适应滑模控制法在独立模态空间内对三根中间连杆的振动进行了主动振动控制，三根连杆的一阶自由振动模态频率的功率谱密度分别下降了64.98%，59.47%和62.28%。通过对不同连杆的组合施加主动振动控制，得到随着施加主动振动控制的连杆数目增加，每根连杆的振动控制效果以及动平台的振动抑制效果会随之加强，其本质原因是由于三根连杆通过末端动平台相互约束并相互耦合，主动振动控制杆数越多，抑振效果越好。阐明了含多柔性部件的运动平台振动耦合机理。.基于柔顺机构的宏动平台精度补偿技术。针对压电驱动器输出的迟滞及迟滞交叉非线性问题，采用基于智能算法的解耦控制器解决了多维压电纳米驱动难题，在单维纳米定位的基础上实现了多维纳米定位技术的突破，实现了厘米工作空间下多自由度纳米定位（XY方向50纳米，绕Z轴旋转1urad精度）。缓解了精密定位系统中多自由度大行程高精度之间的矛盾。.应用前景：基于本项目研发的抑振定位同步控制方法，与航天八院共同开展星载微重力环境下六自由度指向隔振系统的研发，相关技术在芯片制造、先进光电系统等尖端装备具有重大应用前景。