大行程納米級精度多自由度運動系統的基礎研究

《大行程納米級精度多自由度運動系統的基礎研究》是依託華南理工大學，由張憲民擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：大行程納米級精度多自由度運動系統的基礎研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：張憲民
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

本項目面向國家對納米製造技術的重大需求，以光刻、納米壓印、納米操作、納米測量等典型納米製造裝備的共性基礎問題為研究對象，首先研究新型大撓度精密柔性鉸鏈的疲勞可靠性理論，在此基礎上, 最優拓撲最佳化方法和偽剛體方法相結合,考慮機構的運動學和動力學特性，進一步研究新型大行程柔順機構的設計理論和方法。研究新型壓電驅動器的驅動機理、精度保持機制、微擾動回響規律，研製具有高位移解析度、高位置保持能力的壓電驅動器。通過研究多自由度精密運動系統的非線性動力學行為，揭示系統的微擾動和耦合機制，並進一步研究魯棒性好、自適應能力強的控制方法。. 大行程納米級精度多自由度運動系統以其獨特的優良性能和廣泛的套用前景已成為了新的研究熱點，在納製造、精密測量等許多尖端領域具有廣泛的套用前景。對這類系統內在機制和設計方法進行深入系統的研究具有重要的理論意義和套用價值。

結題摘要

大行程納米級精度多自由度運動系統以其獨特的優良性能和廣泛的套用前景已成為了新的研究熱點，在微納製造、精密測量等許多領域具有廣泛的套用前景。本項目針對納米製造精密裝備中超精密運動系統的共性基礎問題，從原理和關鍵技術兩個層面進行研究。主要研究內容包括：新型柔順機構的設計理論與方法、新型壓電驅動器驅動機理和高精度運行機制、壓電驅動系統微擾動回響規律和控制方法、宏微結合多自由度精密運動系統的非線性動力學行為、納米精度多自由度運動系統的控制技術等。 圍繞這些研究內容取得了系列研究結果：1.給出了典型柔性鉸鏈疲勞壽命經驗公式，發現以屈服強度作為約束條件，結合安全係數的設計方法導致柔順機構各個柔性鉸鏈的疲勞壽命相差幾個數量級，會造成機構過早失效。 2. 給出了採用拓撲最佳化方法尋找新型柔順鉸鏈的策略與方法，建立了平動和轉動柔性鉸鏈得輸入輸出關係，為採用拓撲最佳化理論尋找高精度、大變形柔順鉸鏈奠定了理論基礎。3.給出了一種多自由度柔順機構拓撲最佳化新方法，揭示了柔順機構拓撲最佳化過程中產生類鉸鏈的內在機理，提出了一種可有效避免產生類鉸鏈的最小化性能差柔順機構拓撲最佳化方法。4. 發明了一種基於柔順機構的大行程精密定位平台，定義了放大機構的位移損失因子，建立了相應的分析模型，實驗結果與仿真結果表明，通過兩級放大機構有效提高了柔順機構的行程。5. 通過研究運動副間隙大小、運動副間隙位置、運動副間隙數量、材料摩擦係數等十種不同因素對宏微耦合系統動力學性能的影響，發現系統對運動副間隙尺寸、材料恢復係數、材料摩擦係數最為敏感。6.對於特定的超聲電機存在一個面積比與溝槽寬度的最優值，使得摩擦因數最大、最穩定。圍繞這些成果在國際主流SCI收錄期刊發表論文56篇，國內EI收錄期刊發表論文22篇；申請發明專利32件，其中已授權16件，含PCT2件。本項目成果對相關領域的發展具有重要的理論意義和套用價值。