Введение к работе
Актуальность проблемы. Во многих областях современной науки и техники требуется использование прецизионных позиционирующих механизмов Особенно данная проблема актуальна для автоматизированного оборудования электронной промышленности
Определяющим и наиболее сложным процессом в производстве интегральных схем является литография Одной из основных операций, отвечающих за качество получаемой структуры, является операция совмещения изображений на шаблоне и подложке При этом, например, в оборудовании для рентгеновской литографии при изготовлении современных сверхбольших интегральных микросхем для совмещения подложки и шаблона требуется обеспечить шестикоординатное перемещение с точностью не хуже 20 нм, при миллисекундном быстродействии в линейном диапазоне до 300 мм
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является одним из наиболее перспективных средств и методов нанотехнологий, позволяющих контролировать поверхность на атомарном уровне Для операции сканирования требуется перемещать зонд с точностью до 1 нм с быстродействием на уровне нескольких миллисекунд Перспективным является возможность осуществлять сканирование в широком диапазоне (до нескольких миллиметров) без существенных потерь в быстродействии, что ставит проблему сочетания нанометровои точности с достаточно большим диапазоном перемещений
Развитие современной астрофизики неразрывно связано с интенсивным развитием астрономических средств нового поколения Одним из основных направлений развития является создание сверхбольшого оптического телескопа (диаметр главного зеркала более 20 м) То, что главное зеркало таких телескопов состоит из большого числа отдельных оптических элементов (элементарных зеркал - ЭЗ), приводит к необходимости автоматического поддержания их как общей поверхности Кроме этого необходима функция коррекции искажения волнового фронта в реальном времени Для управления элементами составных зеркал требуется обеспечить многокоординатную юстировку с точностью линейных перемещений 50 нм, угловых перемещений 0 02" и быстродействием не хуже 200 мс в линейном диапазоне до 10 мм и угловом диапазоне до 1
Большинство современных технологических и исследовательских комплексов (например, установки анализа поверхностей, системы контроля положения в СЗМ) в качестве каналов связи используют оптоволокно Для настройки оптоволоконных систем необходимо юстировать оптоволокно относительно источника излучения по трем координатам с точностью 20-50 нм в диапазоне до 4 мм Существующие системы осуществляют данную
задачу за десятки секунд из-за необходимости сочетать разные устройства для предварительного и точного позиционирования
Работа сверхточного оборудования, в том числе позиционирующих устройств, требует качественной виброизоляции для снижения амплитуд вибрации, действующей со стороны основания, что очень важно, в частности, при производстве изделий электронной техники Модули сверхточного позиционирования выполняют также функцию элементов активной виброзащиты При этом традиционные устройства, используемые в электронике, имеют ряд значительных недостатков, таких как малая нагрузочная способность, высокая инерция, проблемы с контролем по положению
Традиционные механизмы сверхточных перемещений, например электромеханические, не в состоянии обеспечить весь комплекс требований предъявляемых перспективным оборудованием Так, при достаточно высокой точности перемещений существенно снижается диапазон и быстродействие Из-за использования сверхточных деталей цена таких механизмов очень высока Наиболее распространенные в электронике пьезо-и магнитострикционные активаторы имеют недостаточный диапазон перемещений и очень малую нагрузочную способность Ранее было предложено решить комплекс задач, связанных с обеспечением прецизионного позиционирования, за счет использования новых механизмов, основанных на применении управляемых «смарт» жидкостей, таких, как магнито- и электрореологические суспензии Были показаны возможности использования и заложены основы создания реологических механизмов сверхточного позиционирования Однако для обеспечения требований перспективного оборудования требуется улучшение рабочих характеристик механизмов, в частности, за счет оптимизации параметров управления При этом должны быть повышены динамические характеристики, рабочий диапазон перемещений, статическая жесткость при обеспечении субмикронной точности позиционирования
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка теоретических основ и методов расчета и выбора параметров управления магнитореологическими (MP) модулями линейных перемещений для повышения точности и быстродействия многокоординатной юстировки
Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи
определить комплекс требований к качеству систем юстировки сверхточного оборудования
разработать физические модели поведения MP жидкостей для экстремально малых сдвиговых скоростей (до 10"4 с"1)
разработать динамические модели поведения MP жидкостей и MP модулей для различных режимов работы
определить влияние свойств MP жидкостей на параметры MP модуля
исследовать поведение MP жидкостей в исполнительных элементах MP модулей и определить влияние управляющих сигналов на свойства MP жидкости, характеризующие параметры модуля
разработать инженерную методику расчета и выбора параметров управления MP дросселями и MP модулями
Методы исследований. Теоретические исследования основаны на теории магнитной гидродинамики, теории реологических процессов, теории вероятности, теории точности, теории систем автоматического регулирования Экспериментальные исследования проводились на специально изготовленных стендах в лаборатории кафедры МТ-11 «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им Н Э Баумана и кафедры «Динамика магнитных жидкостей» Дрезденского Технического Университета (Дрезден, Германия) Обработка результатов экспериментов, оценка их точности и достоверности выполнялись на ЭВМ с применением теории вероятности, математической статистики, регрессионного анализа
Научная новизна.
Разработанная физическая модель MP дросселя, учитывающая поведение магнитореологической (MP) жидкости при экстремально малых сдвиговых скоростях и ее магнитные характеристики, позволяет регулировать точность, динамические параметры и жесткость MP модуля за счет выбора уровней управляющих сигналов и полей постоянного магнита
Разработанные динамические модели поведения MP жидкости и MP модуля, позволяют управлять временем переходных процессов в реологической среде (временем структурирования и релаксации) и элементах MP модуля за счет регулирования полями постоянного магнита и управляющими сигналами реологических свойств MP жидкости
Разработанная инженерная методика расчета и выбора параметров управления MP модулем позволяет провести анализ и синтез САР МР-модуля для юстировки, работающего в режиме точной регулировки положения, при котором происходит реверсивное перемещение Методика также позволяет регулировать постоянные времени и коэффициенты передачи элементов модуля для обеспечения заданных характеристик
Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы для проектирования устройств сверхточного позиционирования с магнитореологическим управлением и для разработки их систем автоматического управления (САУ)
На защиту выносится.
1 Физическая модель MP дросселя, являющегося основным исполнительным элементом MP модулей линейных перемещений Модель учитывает нелинейное поведение реологической жидкости, находящейся в рабочем зазоре дросселя
2 Динамическая модель MP модуля линейных перемещений,
основанная на динамических моделях поведения MP среды, в том числе под
действием экстремально малых сдвиговых скоростей (до 10~3 с"1)
3 Инженерная методика расчета и выбора параметров управления MP
модулем линейных перемещений
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры МТ-11 «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им НЭ Баумана, на научных семинарах кафедры «Динамика магнитных жидкостей» Дрезденского Технического Университета, 2-м Международном Трибологическом Конгрессе (Вена, Австрия, 2001), 7-м Европейском Вакуумном Конгрессе (Мадрид, Испания, 2001), 4-м Международном симпозиуме «Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, Украина, 2001), 8,10 и 11-й научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника», (Судак, Украина, 2001, 2003, 2004), Российско-японском семинаре "Future Trends In Tnbology" (Москва, Россия, 2002), «Федеральной научно-технической конференции творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам» (Зеленоград, Россия, 2003), Всероссийской Астрономической Конференции "Горизонты Вселенной" (Москва, Россия, 2004), XVI-й Международной Интернет-конференции молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (Москва, Россия, 2004), 470-м коллоквиуме Европейского Общества Механики «Recent Development in Magnetic Fluid Research» (Дрезден, Германия, 2006), 7-м немецком коллоквиуме по магнитным жидкостям «Kolloidale magnetische Flussigkeiten Grundlagen, Entwicklung und Anwendung neuartiger Ferrofluide» (Бенедиктбоерн, Германия, 2006) и др Технические разработки, основанные на результатах работы, представлялись на 7-м Международном салоне промышленной собственности «Архимед-2005» (Москва, Россия, 2005) и Европейской научно-технической выставке «Expo Science Europe 2004» (Дрезден, Германия, 2004)
Публикации. Основное содержание работы отражено в 11 печатных работах
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов по работе, библиографического списка использованной литературы Содержит 184 страницы машинописного текста, 124 рисунка, 20 таблиц и библиографический список из 105 наименований
