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[0066]图1为一个典型的H型气浮运动平台结构，该平台基座10采用结构刚度大、平整度高的花岗岩材料，利用其减振特性来增强系统稳定性，并提供该系统的全局定位基准。直梁20采用工程陶瓷等轻质、高刚度、密度小的材料；直梁两端分别与两个相互平行的直线电机(51、52)动子相连接，以实现直梁沿X方向的双边同步驱动，驱动力分别为Fl、F2 ;直梁由两端的承载气体轴承41进行支持，以减小X向电机的驱动摩擦力。Y方向直线电机53的定子安装在直梁上，动子与滑块30固接，实现滑块沿Y方向方向的运动，滑块在三台直线电机的作用下在XOY平面内平动。滑块30底面也有承载气体轴承41以消减滑块30运动过程中与基面10的摩擦，滑块与直梁两侧面通过导向气体轴承42连接，以消减滑块在运动过程中与直梁之间的摩擦，如图1所示。其中直梁几何尺寸为0.85m，滑块与直梁的质量比为1:3，驱动力F1/F2的范围为O?300N，直梁质心与滑块质心的相对位置P范围为-0.15m?0.15m0
[0067]步骤一:利用Mfforks平台，对该H型气浮运动平台建立多刚体模型，如图5所示。
[0068]步骤二:对由直梁与滑块构成的子系统进行瞬态动力学仿真。
[0069]当该系统用作扫描光刻机的粗动平台时，所要求的直梁最大扭转角度误差小于90 μ rad,则直梁上与滑块对应区域节点的UX、UY、UZ三个方向阀值为66 μ m，在此基础上，我们对该子系统建立有限元模型并进行仿真分析。
[0070]仿真条件1:设定滑块与直梁质心的相对位置P固定，例如位于距直梁上端2/5处，设定直梁两端所受驱动力Fl = F2，且为随时间变化t的动态驱动力，例如函数Fl = F2=kt(按0.02秒的步长，进行离散值的驱动力加载)，k为固定系数值，如图6所示。以此对直梁滑块子系统进行瞬态动力学分析，明确直梁两端驱动力F1/F2对直梁扭转偏移误差的敏感度。
[0071]仿真条件2:设定直梁两端所受驱动力Fl = F2相同且恒定，例如可设定如图7所示Fl、F2驱动力。由于驱动力F3的作用，滑块与直梁质心的相对位置P发生改变，设置位移函数为P = P(t)，P最大范围为±0.15m。以此对直梁滑块子系统进行瞬态动力学分析，明确滑块与直梁质心的相对位置P对直梁扭转偏移误差的敏感度。
[0072]依据仿真条件I和仿真条件2的结果，综合分析直梁两端驱动力F1/F2与直梁滑块子系统质心相对位置P的共同作用下对直梁扭转偏移误差的影响，找出避免直梁产生较大扭转偏移误差的合理组合条件，得出驱动力F1/F2—一直梁滑块质心相对位置P的二维关系O
[0073]步骤三:通过步骤二得出的分析结果，将二维区域图，以及对应二维区域图的直梁的变化趋势反馈给步骤一建立的多刚体模型，从而控制直线电机推力，消减直梁扭转误差，达到提高滑块(工作平台)定位精度的目的。
[0074]步骤四:在此基础上，在对多刚体模型进行进一步的仿真，直至达到设计要求，从而完成对H型气浮运动平台的优化。
[0075]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种H型气浮运动平台的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)建立H型气浮运动平台的多刚体模型，并设置所述多刚体模型的参数；所述多刚体模型包括Xl向电机、X2向电机、直梁以及滑块，所述直梁与Y轴平行设置，所述滑块设置于所述直梁上，在Y方向与所述直梁相对位移为P，所述Xl向电机以及X2向电机分别用于向直梁的两端施加X方向的驱动力Fl和F2 ; (2)根据多刚体模型的部分参数，建立直梁和滑块子系统的有限元模型；所述部分参数为直梁和滑块的形状、尺寸、质量以及材料； (3)对所述直梁的前端或后端施加沿Y轴方向的约束，对所述直梁的前端和后端施加绕Y轴方向的旋转约束； (4)根据所述多刚体模型中，滑块与直梁的相对位移P的最大值Pmax，以及X方向的驱动力Fl和F2的最大值Fmax，对O?Pmax和O?Fmax分别进行离散化；然后设定Fl = F2=F，用步骤(2)中所述有限元模型进行第一仿真以及第二仿真，所述第一仿真用于找出P在固定离散值下，F满足最低设计要求的第一临界点F。，所述第二仿真用于找出F在固定离散值下，P满足最低设计要求的第二临界点Pm最后根据仿真结果，找到F和P满足设计要求时的参数范围组合；其中，所述设计要求为直梁的变形程度； (5)利用步骤(4)得到的所述参数范围组合，对步骤(I)中所述多刚体模型中X方向的驱动力Fl和F2进行调整，使得所述多刚体模型中的F和P满足所述参数组合。2.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤(4)中第一仿真的步骤具体为: 5411.设置P为O?Pmax之间的任意离散值，设置F= F(t)，F(t)为随时间t变化的连续函数； 5412.变化t，使得F(t)遍历O?Fmax之间的所有离散值，观察所述直梁的变形程度，并寻找所述直梁的变形程度满足最低设计要求的第一临界点F。； 5413.如果F。寻找成功，或者P已经遍历O?Pmax之间的所有离散值，第一仿真结束，否则根据S412中所述直梁的变形程度重新设置P为O?Pmax之间的其它任意离散值，进入 S412。3.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤(4)中第二仿真的步骤具体为: 5421.设置F为O?Fmax之间的任意离散值，设置P= P⑴，P⑴为随时间t变化的连续函数； 5422.变化P，使得P(t)遍历O?Pmax之间的所有离散值，观察所述直梁的变形程度，并寻找所述直梁的变形程度满足最低设计要求的第二临界点Pc; 5423.如果P。寻找成功，或者F已经遍历O?Fmax之间的所有离散值，第二仿真结束，否则根据S422中所述直梁的变形程度重新设置F为O?Fmax之间的任意离散值，进入S422o4.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为: 521.根据所述多刚体模型中直梁和滑块的形状和尺寸，分别建立直梁和滑块的实体模型； 522.根据所述多刚体模型中直梁和滑块的质量、形状、尺寸以及材料，设置所述实体模型中直梁和滑块的密度以及弹性模量，所述有限元模型即建立完成。5.如权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤S22中，还包括设置所述直梁和滑块的泊松比。6.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述直梁的变形程度为所述直梁的偏转程度、扭转程度或扭曲程度。7.如权利要求1-6中任意一项所述的仿真方法，其特征在于，还包括步骤￠):运行所述多刚体模型，并判断是否满足其它系统设计要求，满足则仿真结束，否则重新设置多刚体模型的参数，返回步骤(2)。8.如权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，步骤(6)中所述多刚体模型的参数为形状、尺寸、质量或者材料。
【专利摘要】本发明公开了一种H型气浮运动平台的仿真方法，首先建立H型气浮运动平台的多刚体模型，包括X1向电机、X2向电机、直梁以及滑块，并设置所述多刚体模型的参数，然后根据多刚体模型中的参数，建立直梁和滑块的有限元模型，对直梁和滑块子系统进行仿真分析，找出满足系统设计要求的X向电机驱动力F、直梁和滑块相对位移P的组合参数范围，最后利用该分析结果，对多刚体模型中的参数进行调整。通过本发明，消除了直梁变形而对系统定位造成的影响，从而使得H型气浮运动平台的仿真分析的精确度提高。
【IPC分类】G05B17/02
【公开号】CN105259782
【申请号】CN201510648358
【发明人】陈立平, 丁建完, 陈昌雄, 张洪昌
【申请人】华中科技大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年10月9日