【正文】 作用在動(dòng)力設(shè)備上的激振力通常具有。動(dòng)力設(shè)備的質(zhì)量慣性力是由不平衡質(zhì)量運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，為消除這種不平衡，可以在相應(yīng)的位置加配重，從而使動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)動(dòng)部分達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，消除振動(dòng)。因?yàn)槭芸貙?duì)象的響應(yīng)時(shí)由振動(dòng)激勵(lì)引起的，振源消除或減弱，響應(yīng)自然也會(huì)消除或減弱。對(duì)于振動(dòng)源可以采取消振的方法。2. 防振措施為了達(dá)到振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，建立實(shí)驗(yàn)室時(shí)需要采取一系列隔振措施，包括場(chǎng)地選擇、地基土處理、建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制、建筑物外振源隔振、精密設(shè)備隔振等。溫度和濕度控制需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室整體設(shè)計(jì)，上海盈藍(lán)環(huán)境科技有限公司是中國(guó)高精度恒溫恒濕環(huán)境工程和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境控制的佼佼者?！嬉詢?nèi)。在通常情況下，采用這樣的設(shè)施可以把房間溫度和刻劃?rùn)C(jī)罩內(nèi)溫度分別控制在177。在恒溫區(qū)保持氣流的直流，使地面上和恒溫區(qū)外集積的塵粒不致由于回旋渦流而卷入工作區(qū)。（3）環(huán)境控制方法環(huán)境控制方法中最重要的是溫度控制和防振措施。6. 電磁干擾為了抑制電磁干擾的影響，光刻機(jī)所在的實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要進(jìn)行電磁屏蔽，建設(shè)電磁屏蔽實(shí)驗(yàn)室。4. 振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)目前國(guó)內(nèi)設(shè)備分別指向不同的國(guó)際或者國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，參照我國(guó)冶金部部級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，一級(jí)光柵刻劃?rùn)C(jī)允許的振動(dòng)速度為，荷蘭ASM Lithography公司的PAS2500/300型光刻機(jī)，容許振動(dòng)值由加速度功率譜密度PSD控制，速度限制在以下，加速度限制在以下5. 氣壓標(biāo)準(zhǔn)要使得恒溫室保持恒定的氣壓是很困難的，因此可以允許有部分的電壓變化。對(duì)于新風(fēng)可采取措施包括新風(fēng)管道口加上過(guò)濾器等去塵措施。為了盡量避免人員帶入室外灰塵, 需要制定嚴(yán)格的制度。2. 濕度標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)中華人民共和國(guó)電子工業(yè)推薦信部標(biāo)準(zhǔn)SJ/Z ，實(shí)驗(yàn)室屬于A級(jí)空調(diào)場(chǎng)所，按照標(biāo)準(zhǔn)將相對(duì)濕度控制在不小于35%，不大于75%的范圍內(nèi)。由于本項(xiàng)目擬采用雙頻激光干涉儀作為測(cè)量?jī)x器，該儀器對(duì)溫度的要求較高，因此擬定將溫度變化控制在177。日本日立公司光柵刻劃?rùn)C(jī)的實(shí)驗(yàn)溫度控制范圍為177。如果不進(jìn)行干擾抑制，外界干擾會(huì)通過(guò)輻射、耦合、接地網(wǎng)等方式引入到光刻機(jī)中，而光刻機(jī)中的電子設(shè)備受到干擾的影響會(huì)產(chǎn)生偏差，在高精密機(jī)械中，這種偏差就會(huì)對(duì)光刻機(jī)的運(yùn)行帶來(lái)非常大的影響，因此需要進(jìn)行電磁干擾抑制。6. 電磁影響電磁干擾是指由電場(chǎng)、磁場(chǎng)及射頻等產(chǎn)生的輻射信號(hào)源。但是環(huán)境中大氣壓變化時(shí)，會(huì)造成光波波長(zhǎng)的變化，從而直接影響刻劃精度。同時(shí)對(duì)激光干涉儀等光譜儀器，空氣中的灰塵顆粒會(huì)造成光的折射和反射等，影響儀器光路的準(zhǔn)確性，從而使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。因此,要長(zhǎng)期穩(wěn)定地保持實(shí)驗(yàn)室中的相對(duì)濕度。光柵刻劃?rùn)C(jī)刻線誤差圖3. 濕度影響大型儀器設(shè)備出現(xiàn)故障的最主要因素是銹蝕，工作人員進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室會(huì)帶進(jìn)室外的水蒸氣，在實(shí)驗(yàn)室恒溫的條件下，露點(diǎn)形成，熱飽和空氣會(huì)附著在儀器上，凝結(jié)成小水珠，進(jìn)而腐蝕儀器。下圖是一臺(tái)光刻機(jī)四晝夜時(shí)間刻劃出來(lái)的光柵的刻線誤差曲線，從圖中明顯可以看出有四個(gè)大的周期，對(duì)應(yīng)時(shí)間來(lái)看，在每個(gè)周期中，刻線誤差從早上的時(shí)間起開(kāi)始明顯增大，到中午時(shí)間有一個(gè)小的低谷，然后下午刻線誤差又開(kāi)始增大，晚上刻劃的部分誤差最小。同時(shí)在光柵刻劃?rùn)C(jī)中分度結(jié)構(gòu)的間歇運(yùn)動(dòng)以及馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)等都會(huì)造成內(nèi)部振動(dòng)。內(nèi)部振動(dòng)是指機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中本身所產(chǎn)生的振動(dòng)。人工振源的振動(dòng)頻率在1Hz150Hz之間。環(huán)境振動(dòng)的振源一般分為自然振源和人工振源兩種。2. 振動(dòng)影響振動(dòng)包括環(huán)境振動(dòng)和內(nèi)部振動(dòng)兩部分。同時(shí)溫度波動(dòng)對(duì)光柵刻劃?rùn)C(jī)分度誤差的影響是一個(gè)及其復(fù)雜的過(guò)程，除了與溫度波動(dòng)的幅值和周期有關(guān)之外，還與機(jī)器的結(jié)構(gòu)形式、其主要零件的形狀、導(dǎo)熱系數(shù)以及光柵基坯的材料和安裝形式等因素有關(guān)。同時(shí)一些光學(xué)儀器中光的波長(zhǎng)在不同的溫度環(huán)境中也會(huì)發(fā)生變化，溫度的變化會(huì)使電子元器件參數(shù)發(fā)生漂移。在這六個(gè)因素中，溫度和振動(dòng)是最主要的因素。光柵刻劃?rùn)C(jī)對(duì)工作環(huán)境要求很高，工作環(huán)境對(duì)光柵刻劃?rùn)C(jī)的刻劃結(jié)果有重要的影響。表1 壓電驅(qū)動(dòng)器及其控制器性能參數(shù)表位移量（μm）30噪聲（mV），0~10kHz5開(kāi)環(huán)分辨率（nm）非線性＜%驅(qū)動(dòng)電壓（V）0~100分辨率（nm）推力（N）1000開(kāi)環(huán)位移（μm）30剛度（N/μm）27閉環(huán)位移（μm）30共振頻率（KHz）14無(wú)載荷全程位移響應(yīng)時(shí)間（ms）＜電容（μF）3無(wú)載荷24μm位移響應(yīng)時(shí)間（ms）＜1尺寸直徑D（mm）1210KHz頻率響應(yīng)長(zhǎng)度L（mm）50圖14 壓電驅(qū)動(dòng)器及其控制器三． 實(shí)驗(yàn)環(huán)境超精密加工對(duì)環(huán)境的要求相當(dāng)苛刻，當(dāng)精度達(dá)到納米量級(jí)的時(shí)候，加工環(huán)境更是要嚴(yán)格的控制，一個(gè)高穩(wěn)定性的加工環(huán)境是保證超凈加工精度的重要因素。（）； 高加速性能：最大加速度性能可達(dá)到200m/S2 (20G)以上； 高恒速特性：通常速度波動(dòng)低于 +/%，實(shí)現(xiàn)使用絲桿無(wú)法實(shí)現(xiàn)的恒速特性； 行程不受限制； 快速參數(shù)整定功能，調(diào)試電機(jī)更方便、快捷； 結(jié)構(gòu)多樣化：平板式，U型槽式，弧形電機(jī)；微動(dòng)驅(qū)動(dòng)器采用壓電陶瓷，其中壓電驅(qū)動(dòng)器的分辨力、頻率響應(yīng)以及力矩等對(duì)控制系統(tǒng)的性能有很大影響，在滿足力矩、行程以及剛度等基本要求的條件下，盡量選取高分辨力、高頻率響應(yīng)的元件，使壓電驅(qū)動(dòng)器具有高分辨力和高頻率響應(yīng)，滿足超精密定位平臺(tái)控制系統(tǒng)的參數(shù)要求。壓電陶瓷通過(guò)其控制器由DSP主控板控制。對(duì)電機(jī)的控制動(dòng)作，由相應(yīng)的控制卡完成。圖12. 宏微聯(lián)合前饋智能控制器流程圖控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超精密定位平臺(tái)的控制系統(tǒng)包括宏動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、微動(dòng)驅(qū)動(dòng)器（壓電陶瓷）及其控制器、電機(jī)控制卡、計(jì)算機(jī)、DSP主控板、干涉儀等元件構(gòu)成，其搭建的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖13所示。該控制算法將實(shí)現(xiàn)下面三個(gè)方面的功能：(1) 基于剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型、動(dòng)靜摩擦模型和壓電陶瓷Preisaeh非線性遲滯模型設(shè)置前饋控制器，直接反映輸入輸出的狀態(tài)方程和傳遞函數(shù)；(2) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊智能補(bǔ)償模塊的自學(xué)習(xí)性，利用系統(tǒng)的輸出誤差進(jìn)一步針對(duì)前饋模型中的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)整、修正，以進(jìn)一步提高模型的適應(yīng)性和控制的定位精度。因此，在上述對(duì)超精密定位平臺(tái)的剛?cè)狁詈闲?、非線性、遲滯性和摩擦的影響進(jìn)行深入分析，并建立了相應(yīng)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型、壓電陶瓷Preisaeh非線性遲滯模型和動(dòng)靜摩擦模型后，我們針對(duì)超精密定位平臺(tái)的模型特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如下圖所示的宏微聯(lián)合前饋智能控制器。這是因?yàn)檫@兩種控制方案在設(shè)計(jì)過(guò)程中，都沒(méi)有考慮到系統(tǒng)的剛?cè)狁詈闲浴⒎蔷€性、遲滯性和摩擦的影響，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的PID參數(shù)整定過(guò)程不準(zhǔn)確。若進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)速率，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性下降，定位精度反而繼續(xù)下降。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)，該控制算法的快速性不足以抑制由外界環(huán)境（如地基振動(dòng)、摩擦狀態(tài)的不確定性）引起的定位工作臺(tái)的振動(dòng)，見(jiàn)圖11?？梢?jiàn)，這種智能控制算法可以有效的提高超精密定位的定位精度，而且能夠很好的抑制外界的振動(dòng)干擾，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，魯棒性很好。圖9是采用不同的單神經(jīng)元學(xué)習(xí)規(guī)則進(jìn)行算法有效性的仿真檢測(cè)結(jié)果。我們?cè)O(shè)計(jì)的基于單神經(jīng)元的智能PID控制算法的結(jié)構(gòu)如圖8所示。采用基于單神經(jīng)元的智能PID控制可以充分的利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能，從變化無(wú)窮的非線性組合中找到PID控制器中比例、積分和微分三種控制變量的最佳組合。圖5. 傳統(tǒng)PID控制結(jié)構(gòu)圖6. 傳統(tǒng)定常PID控制定位精度測(cè)試結(jié)果 因此，傳統(tǒng)的PID控制不能滿足光柵技術(shù)中納米級(jí)的超精密定位要求。若采用傳統(tǒng)的定常系數(shù)PID控制，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5，不僅不能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的定位精度，而且可能由于定常系數(shù)確定的偏差導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，成為發(fā)散系統(tǒng)。傳統(tǒng)的PID控制算法簡(jiǎn)單，但是能夠?qū)崿F(xiàn)的精度有限，目前只能滿足微米級(jí)的定位要求。圖4. 新型的整合宏微觀效應(yīng)的剛?cè)狁詈稀⑻搶?shí)混合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)圖因此，為滿足超精密定位工作臺(tái)大行程、重載荷、高精度的定位要求，我們必須針對(duì)其機(jī)構(gòu)中存在的剛?cè)狁詈?、壓電陶瓷非線性遲滯及動(dòng)靜摩擦的微觀效應(yīng)等機(jī)構(gòu)特性，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種納米級(jí)精度的定位控制方案。借助這種手段可以更直觀快速的仿真實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合理論模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化分析。實(shí)驗(yàn)建模有以下三種主要目的：(1) 提供材料(如黏彈性材料和復(fù)合材料)和元件(如隔振墊)的剛度和阻尼特性；(2) 驗(yàn)證系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算的動(dòng)力特性，包括動(dòng)態(tài)響應(yīng)、原點(diǎn)、跨點(diǎn)導(dǎo)納和振動(dòng)分析中系統(tǒng)或部件的振動(dòng)模態(tài)參數(shù)；(3) 確定系統(tǒng)中一些難以由動(dòng)力學(xué)理論分析得到的復(fù)雜因素，如系統(tǒng)和部件的非線性、系統(tǒng)時(shí)滯、系統(tǒng)阻尼、約束和支撐處的間隙、摩擦等；(4) 用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證上述理論模型是否完備準(zhǔn)確。由于超精密定位工作臺(tái)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，其系統(tǒng)模型中的某些參數(shù)具有非線性和未知性，為理論動(dòng)力學(xué)分析帶來(lái)了困難。動(dòng)摩擦的動(dòng)力學(xué)模型，我們采用剛毛模型，如下圖所示。針對(duì)這種特性，我們將采用的摩擦模型框圖如下所示。本課題中，針對(duì)摩擦模型的類型，將建立動(dòng)摩擦和靜摩擦兩種模型。因此，深入分析摩擦對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性的影響并建立數(shù)學(xué)模型予以表達(dá)，十分重要。在超精密定位工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)摩擦和靜摩擦交替存在，極大的影響著工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性，產(chǎn)生爬行、遲滯、非線性、Stribeck效應(yīng)等不易控制的因素。為了解決這一難題，我們擬采用實(shí)驗(yàn)法在數(shù)值擬合過(guò)程中引入神經(jīng)智能算法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電壓極值點(diǎn)位移值的求解，從而建立關(guān)于壓電陶瓷的準(zhǔn)確的Preisach模型，為實(shí)現(xiàn)超精密工作臺(tái)的納米級(jí)定位控制提供理論依據(jù)。因此，我們選擇Preisach模型法對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行建模。Preisach模型從壓電陶瓷產(chǎn)生非線性遲滯的內(nèi)部機(jī)理進(jìn)行分析建模，能夠較準(zhǔn)確的描述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的特性，被廣泛使用。BoucWen模型可以較為準(zhǔn)確的描述遲滯非線性，但是其參數(shù)設(shè)計(jì)必須依賴于其初始值，因此模型的準(zhǔn)確性依賴于參數(shù)識(shí)別。其中，多項(xiàng)式擬合法較簡(jiǎn)單，但是無(wú)法描述遲滯性。為減小遲滯非線性的影響，必須對(duì)其進(jìn)行合理建模，從而實(shí)現(xiàn)有效控制，提高壓電陶瓷的輸出位移精度和改善動(dòng)態(tài)性能。然而，它同時(shí)具有蠕變、遲滯非線性等缺點(diǎn)，也成為引起系統(tǒng)非線性和遲滯性的一個(gè)重要因素。然后，將剛?cè)狍w的聯(lián)結(jié)耦合起來(lái)，形成一個(gè)統(tǒng)一的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。對(duì)剛體運(yùn)動(dòng)，我們擬采用NewtonEuler方程、Lagrange方程等宏觀運(yùn)動(dòng)學(xué)方法建立受力分析、運(yùn)動(dòng)方程，求解其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。微動(dòng)階段由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈發(fā)生納米級(jí)的彈性變形而實(shí)現(xiàn)微動(dòng)，屬于典型的小行程柔性鉸鏈變形運(yùn)動(dòng)。(1) 宏觀剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型本課題中，超精密定位工作臺(tái)的大行程高精度定位通過(guò)宏動(dòng)和微動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式配合實(shí)現(xiàn)。除此之外，工作臺(tái)中的各個(gè)組件在大行程、高精度的工作過(guò)程中，不可避免的存在摩擦，摩擦的存在也會(huì)對(duì)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，尤其是運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)、停止等產(chǎn)生很大的影響。由于超精密定位工作臺(tái)中既含有會(huì)發(fā)生彈性變形的柔性鉸鏈，又含有剛度極大的工作臺(tái)、直線電機(jī)，因此它是一個(gè)剛?cè)狁詈系亩囿w機(jī)械結(jié)構(gòu)。這其中包括該機(jī)械系統(tǒng)：(1) 啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)特性；(2) 停止運(yùn)動(dòng)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)特性。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，近年來(lái)發(fā)展了智能控制，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制理論。然而，PID控制算法只能實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的定位精度。針對(duì)大型復(fù)雜機(jī)構(gòu)的定位精度控制，有很多學(xué)者進(jìn)行了研究，提出了很多控制方法。首先，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)外層臺(tái)完成大行程的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到微米級(jí)的定位精度；然后，安裝于內(nèi)外臺(tái)之間的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)由柔性鉸鏈支撐的內(nèi)層臺(tái)完成小行程運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的定位精度。本部分主要內(nèi)容分析所設(shè)計(jì)的光柵刻劃?rùn)C(jī)中超精密定位工作臺(tái)，運(yùn)用多種手段和理論指導(dǎo)，建立能夠充分反映其各種特性的物理模型和仿真方法，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)有效的控制方案，最終實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)納米級(jí)的定位精度。其中，控制方案是建立在機(jī)械系統(tǒng)環(huán)節(jié)基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步顯著提高工作臺(tái)穩(wěn)定性和定位精度的一個(gè)環(huán)節(jié)，不僅較易實(shí)現(xiàn)，而且代價(jià)較低。然而，光柵質(zhì)量的決定性因素在于光柵制造過(guò)程中的定位精度，而超精密定位工作臺(tái)則是實(shí)現(xiàn)光柵毛坯的定位的主要運(yùn)動(dòng)部件，其定位精度直接影響光柵的光譜雜散光和鬼線強(qiáng)度，是光柵刻劃?rùn)C(jī)中至關(guān)重要的部分。二． 建模與控制方案一、 總體介紹光柵制造技術(shù)是當(dāng)今最為精密的技術(shù)之一，大型光柵刻劃?rùn)C(jī)更是因其極高的運(yùn)行精度而被稱為“精密機(jī)械之王”。 CAE分析根據(jù)刀架導(dǎo)軌設(shè)計(jì)圖，在理論分析完成之后，采用CAE軟件建立其虛擬樣機(jī)，然后對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析，得出的結(jié)果同理論計(jì)算相對(duì)比，以得到其變化趨勢(shì)及敏感因子，從而對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。因?yàn)榱荷系耐饬瓦吔鐥l件都對(duì)跨度中點(diǎn)對(duì)稱，所以在跨度中點(diǎn)，撓曲線切線的斜率和截面的轉(zhuǎn)角都等于零，即把以上兩個(gè)邊界條件分別代入，則可以求得：于是得轉(zhuǎn)角方程和撓曲線方程為：即： 從而將刀架導(dǎo)軌設(shè)為簡(jiǎn)支梁，將其自重考慮為均布載荷，分析其撓度變化。由于實(shí)際情況中撓曲線較平坦，很小，在（4）式中和1相比就可以省略，于是得到撓曲線的近似微分方程為： （14）簡(jiǎn)支梁的計(jì)算 如上圖，梁的質(zhì)量可以看做均布載荷q，計(jì)算簡(jiǎn)支梁的反力，得出彎矩方程。由上圖，顯然有 則（11）式化為： （12）由公式1，因?yàn)?，上式成為將?2）式代入，即得撓曲線的微分方程： （13）該方程適用于彎曲變形的任意情況，是非線性的。通常情況下，剪力對(duì)彎曲的影響可以忽略不計(jì)。所以有： （11）在純彎曲情況下，彎矩和曲率之間的關(guān)系為： 其中：撓曲線的曲率半徑； 材料的彈性模量； 彎矩； 梁截面的慣性矩。所以，截面轉(zhuǎn)角θ就是y軸