CN104881554A - 一种适用于ic装备工件定位运动台的仿真系统及其建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统及建模方法，该方法包括：获取运动台基础部件的部件模型，将所述部件模型以学科领域进行分类，构建部件级多领域模型库；选用部件级多领域模型库中的部件模型，构建功能模块级模型库；选用所述功能模块级模型库中的模型构建系统级模型；对系统级模型进行检查，检查无误后设定模型参数，以完成运动台仿真系统的建模。该系统包括部件级多领域模型库、功能模块级模型库、系统级模型、模型编译及仿真模块、输出模块。上述部件级多领域模型库、功能模块级模型库和系统级模型均在MWorks统一建模环境基于Modelica建模语言进行。本发明适用性强，建模效率高，可有效解决多领域耦合的问题。

Description

一种适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统及其建模方法

技术领域

本发明属于仿真系统建模技术领域，更具体地，涉及一种适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统及其建模方法。

背景技术

IC装备工件定位运动台是一种超精密机械结构，其主要由气体轴承实现支承和导向，由直线电机直接驱动，结构上具有无机械接触特点，能够在行程范围内实现微阻力的精确定位运动。IC装备工件定位运动台涉及机械、气压、电磁、电控等多个学科领域，整个运动台的动力学特性为多个领域交互作用结果。

目前，关于IC装备工件定位运动台的设计研究过程中，主要是分别对多体动力学、气压轴承、电磁驱动等领域单独进行仿真分析。例如，采用FLUENT、Phoenics、CFX、Star-cd等软件对气压轴承进行流体力学建模仿真分析，采用ANSYS等软件对电磁驱动元件进行有限元建模仿真分析，采用ADAMS等软件对运动块进行多刚体建模仿真分析。在进行单学科领域或部件级建模仿真时，只注重研究该学科领域或部件自身的细节问题，忽略了部件之间的交互耦合作用因素，这就使得所建立的运动台模型不能准确反映完整系统行为特征，也无法发挥建模仿真方法在运动台设计研究中的作用和意义。此外，一些基于多种建模软件接口的联合仿真方法，虽然实现了IC装备工件定位运动台中少数几个学科领域或部件之间的共同求解计算，但由于受限于软件接口功能，以及建模仿真操作过程对开发人员要求非常高，因此，也不利于用户很好的掌握和使用。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统及其建模方法，其中从具体仿真对象的整体结构和框架设计出发，实现了IC装备工件定位运动台的可视化、层次化、参数化、多领域统一建模，建立了可准确反映完整系统行为特征的仿真模型。对由多学科领域构成的复杂的相互作用和影响的运动台进行整体性能研究，从而避免了复杂的联合建模与仿真，减少了循环设计和试验次数，为IC装备工件定位运动台系统的设计及部件结构的改进提供了有力支撑。此外，本发明还通过对各个部件设置统一的输入和输出接口，使得同一领域内的部件可以有效的对接，适用于不同型号规格的IC装备工件定位运动台的仿真建模，适用性强，操作简便。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统建模方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：该方法包括如下步骤：

(1)构建部件级多领域模型库：对所述IC装备工件定位运动台的整个系统结构进行模块化逐层级分解，以分解出组成该系统的所有基础部件；基于Modleica基础元件模型库分别建立与上述基础部件相对应的部件模型；将获得的所述部件模型进行分类，由此形成气压模型库、电磁模型库、机械模型库和电子模型库；

(2)构建功能模块级模型库：选用步骤(1)中所述的气压模型库、电磁模型库、机械模型库和电子模型库中的部件模型进行可视化组合建模，从而构建获得气体轴承模型、直线电机模型、承载机构模型和直线电机驱动器模型；

(3)构建系统级模型：依据所述IC装备工件定位运动台的系统结构，选用步骤(2)中所述气体轴承模型、直线电机模型、承载机构模型和直线电机驱动器模型构建获得系统级模型；

(4)构建运动台仿真系统：对步骤(3)构建的所述系统级模型进行检查，检查无误后进行模型参数设定，获得IC装备工件定位运动台仿真系统，以此方式，实现整个IC装备工件定位运动台仿真系统的建模。

进一步优选的，所述气压模型库中优选包含气室部件模型、气压管路部件模型、三通管路部件模型、节流孔部件模型、气浮腔部件模型和环境气压部件模型。

进一步优选的，所述电磁模型库中优选包含线圈部件模型、动极部件模型和定极部件模型。

进一步优选的，所述机械模型库中优选包含滑块部件模型、横梁部件模型、导轨部件模型以及Y方向直线电机多体近似模型。

进一步优选的，所述电子模型库中优选包含换向模块模型以及电流/电压调节模块模型。

进一步优选的，对于同一类型结构的不同规格的IC装备工件定位运动台，在已构建的所述功能模块级模型库的基础上，通过Modelica模型的参数化复用特性，采用继承原有所述功能模块级模型库的方式进一步扩展得到新的功能模块级模型库；然后再组合上述新的功能模块级模型库，从而实现新规格的IC装备工件定位运动台仿真系统的建模。

进一步优选的，被划分在同一模型库中的部件均设置有相同的接口，该接口包括输入接口和输出接口，并且前一部件的输出接口和后一部件的输入接口相连。

按照本发明的另一个方面，提出了一种适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统，其特征在于，该系统包括部件级多领域模型库、功能模块级模型库、系统级模型、模型编译及仿真模块，其中：

该部件级多领域模型库通过将部件模型以学科领域进行分类获得，其包括气压模型库、电磁模型库、机械模型库和电子模型库；

该功能模块级模型库包括气体轴承模型、直线电机模型、承载机构模型和直线电机驱动器模型；

该系统级模型根据所述气体轴承模型、直线电机模型、承载机构模型和直线电机驱动器模型进行组合构建；

该模型编译及仿真模块，首先用于对所述系统级模型进行检查，然后用于对上述检查无误后的系统级模型进行编译及仿真建模，由此获得IC装备工件定位运动台的仿真系统。

进一步优选的，该仿真系统还包括输出模块，用于输出仿真结果，其包括曲线显示和3D动画演示。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明改变了目前仿真过程中只重视具体模型编程实现，而忽略对具体仿真对象模型整体结构和框架设计的问题；基于具体仿真对象的整体结构，采用可视化、层次化、参数化、多领域统一建模方式，实现了IC装备工件定位运动台仿真系统的建模，对由多学科领域构成的复杂的相互作用和相互影响的运动台进行整体性能研究，避免了复杂的联合建模与仿真，减少了循环设计和试验次数，为运动台系统设计及部件结构改进提供了支持工具。

2.本发明有效的解决了IC装备工件定位运动台中气压、机械、电磁、控制等多领域耦合的问题，极大的提高了建模效率，并且本发明借助于多领域统一的建模仿真环境，使用户可以基于近乎于物理结构的系统模型进行系统的仿真分析，为构建IC装备工件定位运动台的建模仿真系统提供了有力支撑。

3.由于IC装备工件定位运动台设计中最为关键的部分是保证支撑台能够平稳的运动，因此需避免因气体轴承输出气体压力的变化而导致支撑台出现绕X轴或Y轴或Z轴做旋转运动，本发明构建的适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统可有效的对上述的一切情况进行仿真和分析，用户可以通过仿真结果直观明了的查看一些重要设计参数，本发明适用性强，可适用于不同型号规格的气浮IC装备工件定位运动台的研究与设计使用。

附图说明

图1是IC装备工件定位运动台的结构图；

图2是单孔圆形气体轴承结构；

图3是各功能模块模型之间的连接关系图；

图4是IC装备工件定位运动台的仿真系统示意图；

图5是模块化逐层级分解流程图；

图6是部件模型建模过程及模型检查流程图；

图7是系统级模型建模流程图；

图8是IC装备工件定位运动台仿真系统的建模流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明系统是在MWorks建模仿真环境下，根据IC装备工件定位运动台的物理结构，分别构建运动台各个学科领域模型库，包括其相关部件模型库，再通过模块化和层次化建模方式，由部件级模型建立运动台的系统级模型，以此形成IC装备工件定位运动台的建模仿真系统。

本发明的适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统建模方法，由如下技术方案实现，该方法具体包括如下步骤：

(1)构建部件级多领域模型库：对所述IC装备工件定位运动台系统的整体结构进行模块化逐层级分解，以分解出组成该系统的所有基础部件；基于Modleica基础元件模型库分别获得与上述基础部件相对应的部件模型；将获得的所述部件模型以学科领域进行分类，构建获得气压模型库、电磁模型库、机械模型库和电子模型库；

(2)构建功能模块级模型库：根据所述功能模块的物理结构，选用步骤(1)中所述气压模型库、电磁模型库、机械模型库和电子模型库中的部件模型进行可视化组合建模，从而构建获得气体轴承模型、直线电机模型、承载机构模型和直线电机驱动器模型；

(3)构建系统级模型：选用步骤(2)中构建的所述气体轴承模型、直线电机模型、承载机构模型和直线电机驱动器模型，根据系统结构组成原理原理进行组合建模，从而建立完整的IC装备工件定位运动台的系统级模型；

(4)构建运动台仿真系统：对步骤(3)构建的所述系统级模型进行模型检查，检查无误后进行模型参数设定，获得IC装备工件定位运动台仿真系统，以此方式，实现整个IC装备工件定位运动台仿真系统的建模。

本发明针对的IC装备工件定位运动台由气体轴承、直线电机、承载机构、直线电机驱动器、基座等部件组成，如图1所示，其中，基座和横梁上分别安装有X和Y方向运行的直线电机，实现上端滑块的两维度运动，气体轴承实现以气浮方式支承上端物体。

本发明适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统建模方法，具体实施方式如下(建模流程图参见图8)：

步骤(1)：构建部件级多领域模型库，其是根据真实IC装备工件定位运动台系统的实际整体的物理结构进行构建，并根据学科领域分为机械、气压、电磁、电子等领域，其依据系统级需求→功能模块级需求→各学科领域中的部件级需求的层次化顺序，对运动台系统进行模块化的逐层级分解，分解出组成运动台系统的最为基础的底层部件，具体流程参见图5。

部件分析及建模是运动台系统层次化建模基础，先根据各学科领域库的典型特征和相应的物理定律，建立上述基础的底层部件的数学模型，再采用Modelica多领域统一建模语言，在已有的Modelica基础元件模型库上进行模型继承或编制新的模型代码或封装接口，以建立与上述基础的底层部件相对应的部件模型，部件模型建模过程如图6所示(部件模型建模过程一般是对拆解后的运动台部件先进行数学建模，即同一部件的物理模型通过其输入接口与输出接口之间的方程组来描述，然后再根据数学模型并选用Modelica语言进行面向对象的程序化建模，并在建模过程中充分利用Modelica语言提供的基本元件库)；将获得的所述部件模型以学科领域进行分类，获得部件级多学科领域模型库。

部件级的各学科领域模型库及其构建方法如下：

1)气压模型库：根据气体轴承工作原理及其物理结构拆分为基础部件，主要包括气室、气压管路、三通管路、节流孔、气浮腔、环境气压等部件。其中，气室、气压管路、三通管路、节流孔、环境气压等部件模型是在Modleica的气压基础元件模型库的基础上建立，主要建模方法是对现有元件模型库进行模型继承及封装接口方式实现。气浮腔模型是根据气浮台与支撑台之间形成的气膜原理进行简化后建立的，其简化数学建模为：支撑力＝净压强×作用面积。在此数学模型基础上，在通过Modelica语言的文本建模方式建立其多领域模型。

2)电磁(电机)模型库：根据直线电机工作原理进行建模，模型库包括线圈、动极、定极等部件模型。电磁(电机)模型库是在Modleica基础模型库中的步进电机模型的基础上继承并变换而来。首先是对步进电机模型的数学模型进行分析，在此基础上修改磁极数量、线圈绕数、磁极面积、工作电流、工作电压等参数，以此形成电磁(电机)模型。不同的电磁(电机)模型可以配置修改相应的参数。

3)机械模型库：根据承载机构多体关系进行建模，模型库包括滑块、横梁、导轨等部件模型，以及包括随横梁一起运动的Y方向直线电机多体近似模型。机械模型库的各部件模型均是在Modleica的多体基础元件模型库基础上建立的，主要建模方法是对现有元件模型库进行模型参数化配置及封装接口方式实现。机械模型库无需建立各部件的数学模型，根据承载机构物理结构，通过选择多体基础元件模型库中的相应的元件模型，以可视化方式直接建立相应部件模型。

4)电子模型库：根据直线电机驱动器工作原理并作必要简化，先建立其数学模型或绘制电气特性曲线，再通过Modelica文本建模方式或曲线插值方式建立相应的部件模型。电控模型库主要包括换向模块、电流/电压调节模块等模型。为便于部件模型的可重用性，在建模过程中采用了参数化建模方法。对构建好的部件模型进行封装，用户只需要修改其参数，便可适用于不同的部件模型，参数化建模具有直观、明了、重用性强的优点。

同一学科领域的最明显特点是有相同的物理学背景，因此，在部件建模过程中需构建同一领域部件的接口，所谓同一领域部件，也就是将机械、气压、电磁或电控等同一领域内的部件模型的接口分为输入接口和输出接口，接口保证了部件之间的参数传递，前一部件的输出接口和后一部件的输入接口连接，不同类型的部件之间的传递要保证其有相同的接口，如气压管路可以和气室部件相连，主要是两者都有共同的气压接口。

步骤(2)：根据功能模块具体的物理结构，选用步骤(1)中各学科领域库中的部件模型，以Modleica语言进行可视化组合建模，构建获得气体轴承模型、直线电机模型、承载机构模型和直线电机驱动器模型。

实现完整的IC装备工件定位运动台的建模仿真，需要包含以下功能模块模型：

1)气体轴承模型：其由气压系统的节流孔、高压气膜、机械结构件等部件组成，实现对滑块和横梁的支撑作用，单孔圆形气体轴承结构如图2所示；气体轴承模型的构建采用气压领域模型库中相关部件构建其气路模型，采用机械领域模型库中的相关部件构建其多体模型。

2)直线电机模型：其由定子(相对固定极)、转子(相对移动极)、线圈等组成，实现电磁转换，形成X和Y方向运动驱动力，实现横梁和滑块的精准移动；直线电机模型的构建采用电磁领域模型库中的部件进行构建，包括X和Y方向两种规格的直线电机模型。

3)承载机构模型：其包括滑块、横梁、导轨等部件，其中还包括随横梁一起运动的Y方向直线电机；承载机构模型的构建主要是采用机械领域模型库中的部件构建其多体模型，其中把Y方向直线电机简化近似为一个多体模块。

4)直线电机驱动器模型：主要实现直线电机的运动控制，包括换向模块、电流/电压调节模块等。直线电机驱动器模型的构建主要是采用电子领域模型库中的部件构建其驱动器模型，包括X和Y方向直线电机的两种规格的驱动器。各功能模块模型之间的连接关系如图3所示。

步骤(3)：选用步骤(2)中构建的所述气体轴承模型、直线电机模型、承载机构模型和直线电机驱动器模型，以Modleica语言进行组合建模，从而建立完整的IC装备工件定位运动台的系统级模型，其建模过程如图7所示。其主要过程是通过建模平台中的图形化界面功能(包括窗口管理、拖放/移动模型图标、接口连接、模型参数设置等)操作实现，通过所建立的气体轴承、直线电机、承载机构、直线电机驱动器等功能模块模型构建整个IC装备工件定位运动台的系统级模型，实现对运动台的动力学分析等研究进行仿真。

步骤(4)：对步骤(3)构建的所述系统级模型进行检查，检查无误后进行模型参数设定，获得IC装备工件定位运动台仿真系统，以此方式，实现整个IC装备工件定位运动台仿真系统的建模。步骤(4)的具体操作过程如下：

1)在MWorks建模仿真环境中，通过拖拽机械、气压、电磁、电子等多领域部件模型库搭建好运动台系统级模型之后，对模型进行模型检查，模型检查的检查过程如图6所示。模型检查主要包括两部分，一是用户对模型的自我检查，即功能性检查，功能性检查检查模型能否达到设计要求，主要检查模型搭建是否符合物理规律，比如，气压管路的两个接口之间的距离是否与实际物理距离一样，直线电机最大行程要能满足支撑台运动需要，如果参数不合适，则仿真结果会出现较大偏差等。二是建模仿真软件中的语法、逻辑检查，即语法性检查，主要是检查模型能否运行，MWorks中的模型编译及仿真模块的功能之一就是检查模型之间是否兼容、语法是否正确、能否符合逻辑，当检查出错误的时候，仿真计算是无法继续进行的。两种检查方式的区别在于：功能性错误要回到最初的数学建模上，语法性错误主要出现在编程上；用户检查出现错误的情况，模型可能并无语法错误，只是模型功能无法达到预期目标。因此，为了得到更为准确的模型仿真结果，两种检查内容都必须都进行。

2)模型检查无错误之后，进行模型编译和仿真。模型编译和仿真的首要任务是用户对相关参数进行设定。由于本发明采用模块化、参数化建模，参数对模型仿真结果影响非常大，用户在进行模型仿真时需保证参数符合实际物理情况。模型参数化的目的是保证模型具有更好的重用性，例如，对于同一类型结构的不同规格的四孔、六孔、八孔气体轴承，用户可以直接在已有的气体轴承功能模块模型的基础上，通过设置相应的模型参数，即可扩展得到新的功能模块模型。该环节需要设置的另一个参数是相关仿真参数，主要是包括求解算法选择、仿真时间设置(仿真的初始时间和终止时间)及其他仿真参数设置等。通过再组合上述新的功能模块模型，可建立新规格的运动台系统模型，并设定模型中各个部件的参数和参数的初始值，最终获得一个根据用户需求而建立的新规格的运动台完整仿真模型。

本发明还包括步骤(5)：模型仿真之后将其结果输出，输出结果主要有结果曲线显示和3D动画演示。曲线结果显示可以提供支撑台气膜高度变化曲线、直线电机位移速度变化曲线、气体压力变化曲线等结果，可以满足设计者的几乎所有设计参数，所有仿真结果曲线均为时间-变量值曲线。本发明还支持多体机构的3D动画演示，可以演示支撑台的X向或Y向运动的几乎所有的动态特性。

本发明中的一种适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统，如图4所示，该系统包括部件级多领域模型库、功能模块级模型库、系统级模型、模型编译及仿真模块，其中：该部件级多领域模型库通过将部件模型以学科领域进行分类获得，其包括气压模型库、电磁模型库、机械模型库和电子模型库；该功能模块级模型库包括气体轴承模型、直线电机模型、承载机构模型和直线电机驱动器模型；该系统级模型根据所述气体轴承模型、直线电机模型、承载机构模型和直线电机驱动器模型进行组合构建；该模型编译及仿真模块，首先用于对所述系统级模型进行检查，然后用于对上述检查无误后的系统级模型进行编译及仿真建模，由此获得所述IC装备工件定位运动台的仿真系统。

为了便于仿真结果的呈现，该系统还设置有输出模块，用于输出仿真结果，其包括曲线显示和3D动画演示。本发明中的各部件级学科领域模型库、功能模块级模型库和运动台系统级模型均采用Modleica建模语言实现，建模仿真环境、模型编译及仿真模块、模型仿真结果输出模块均是在MWorks软件中实现。

IC装备工件定位运动台设计中最为关键的部分是保证支撑台能够平稳的运动，需避免气体轴承输出气体压力的变化而导致支撑台出现绕X轴或Y轴或Z轴的旋转运动。本发明可以对上述的一切情况进行仿真和分析，用户或者设计者可以通过仿真结果直观明了的查看一些重要设计参数，对IC装备工件定位运动台设计具有重要的实际指导意义，本发明适用性强，适用于不同型号规格的气浮IC装备工件定位运动台的研究与设计使用。

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。

Claims (9)

1.一种适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统建模方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)构建部件级多领域模型库：对所述IC装备工件定位运动台的整个系统结构进行模块化逐层级分解，以分解出组成该系统的所有基础部件；基于Modleica基础元件模型库分别建立与上述基础部件相对应的部件模型；将获得的所述部件模型进行分类，由此形成气压模型库、电磁模型库、机械模型库和电子模型库；

(2)构建功能模块级模型库：选用步骤(1)中所述的气压模型库、电磁模型库、机械模型库和电子模型库中的部件模型进行可视化组合建模，从而构建获得气体轴承模型、直线电机模型、承载机构模型和直线电机驱动器模型；

(3)构建系统级模型：依据所述IC装备工件定位运动台的系统结构，选用步骤(2)中所述气体轴承模型、直线电机模型、承载机构模型和直线电机驱动器模型构建获得系统级模型；

(4)构建运动台仿真系统：对步骤(3)构建的所述系统级模型进行检查，检查无误后进行模型参数设定，获得IC装备工件定位运动台仿真系统，以此方式，实现整个IC装备工件定位运动台仿真系统的建模。

2.如权利要求1所述的适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统建模方法，其特征在于，所述气压模型库中包含气室部件模型、气压管路部件模型、三通管路部件模型、节流孔部件模型、气浮腔部件模型和环境气压部件模型。

3.如权利要求1或2所述的适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统建模方法，其特征在于，所述电磁模型库中优选包含线圈部件模型、动极部件模型和定极部件模型。

4.如权利要求3所述的适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统建模方法，其特征在于，所述机械模型库中优选包含滑块部件模型、横梁部件模型、导轨部件模型以及Y方向直线电机多体近似模型。

5.如权利要求4所述的适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统建模方法，其特征在于，所述电子模型库中优选包含换向模块模型以及电流/电压调节模块模型。

6.如权利要求4或5所述的适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统建模方法，其特征在于，对于同一类型结构的不同规格的IC装备工件定位运动台，在已构建的所述功能模块级模型库的基础上，通过Modelica模型的参数化复用特性，采用继承原有所述功能模块级模型库的方式进一步扩展得到新的功能模块级模型库；然后再组合上述新的功能模块级模型库，从而实现新规格的IC装备工件定位运动台仿真系统的建模。

7.如权利要求6所述的适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统建模方法，其特征在于，被划分在同一模型库中的部件均设置有相同的接口，该接口包括输入接口和输出接口，并且前一部件的输出接口和后一部件的输入接口相连。

8.一种由权利要求1-7任一项所述的建模方法构建的适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统，其特征在于，该系统包括部件级多领域模型库、功能模块级模型库、系统级模型、模型编译及仿真模块，其中：

该部件级多领域模型库通过将部件模型以学科领域进行分类获得，其包括气压模型库、电磁模型库、机械模型库和电子模型库；

该功能模块级模型库包括气体轴承模型、直线电机模型、承载机构模型和直线电机驱动器模型；

该系统级模型根据所述气体轴承模型、直线电机模型、承载机构模型和直线电机驱动器模型进行组合构建；

该模型编译及仿真模块，首先用于对所述系统级模型进行检查，然后用于对上述检查无误后的系统级模型进行编译及仿真建模，由此获得IC装备工件定位运动台的仿真系统。

9.如权利要求8所述的适用于IC装备工件定位运动台的仿真系统，其特征在于，该仿真系统还包括输出模块，用于输出仿真结果，其包括曲线显示和3D动画演示。