基于双模式叠加的跨尺度压电驱动技术的研究

For the practical requirement of precision actuating technology in areas such as ultra-precision machining, micro-nano manufacturing and microelectronics manufacturing, a piezoelectric precision actuating solution with characters of high speed, large stroke and nanoscale positioning is proposed in this project based on the merging of AC drive resonance and DC drive non-resonance working modes. The key problem of this project is the link and complementation of the two working modes. The final goal is adding functions of micron-scale stroke and nanoscale positioning on piezoelectric actuator besides previous characters of high speed, large thrust force, unlimited stroke and micron-scale positioning, which can realize the cross-scale actuation actually. The main research contents of this project include: planning the new configuration of piezoelectric actuator that can works under both AC drive resonance and DC drive non-resonance working modes; establishing the impact of the excting voltage, the load, the position of the driving foot, the position of the piezoelectric elements, the equivalent of the piezoelectric elements on the displacement and vibration characteristics of the driving foot under the two working modes, respectively; modelling the hysteresis and creep of the piezoelectric element for dynamic control; merging the AC drive resonance and DC drive non-resonance working modes; building the driving and control method for double modes merging; building the model of the alternating stress strain field model and thermal field of the actuator; establishing the output compensation control method for adapting the change of the thermal field; verifing the corresponding theory and method of this project after the fabrication of the piezoelectric actuator experiment system.

针对超精密加工、微纳制造、微电子制造等领域对精密驱动技术的实际需求，基于交流驱动共振和直流驱动非共振两种工作模式叠加的思想，提出了快速、大行程和纳米级精度的压电精密驱动技术解决方案，重点解决两种工作模式的合理衔接与互补问题，最终目标是要在快速、大推力、行程不受限、微米尺度定位之外赋予压电驱动器微米尺度行程、纳米尺度定位功能，实现真正的跨尺度驱动。规划适合两种工作模式叠加的压电驱动器新构型，建立两种工作模式下激励电压、外部负载、驱动足设置位置、压电元件的设置位置和使用当量对驱动足位移和振动特性的影响关系，建立适用于动态控制的压电元件迟滞和蠕变模型，研究交流驱动共振和直流驱动非共振两种工作模式的融合设计与实现技术，建立适用于双模式叠加的驱动与控制方法，建立交变应力应变场模型以及驱动器温度场模型，建立适应温度场变化的驱动器输出补偿控制方法。建立压电驱动器实验系统，验证相关的基本理论与方法。

针对超精密加工、微纳制造、微电子制造、微纳操控等领域对精密驱动技术的实际需求，基于共振和非共振驱动两种工作模式叠加的基本思想,本项目提出了快速、大行程和纳米级精度的压电精密驱动技术解决方案，以弯曲复合、纵向复合、纵弯复合为基本运动组合方式，从致动方式、运动类型、频率简并、压电陶瓷设置、致动区域选择等方面对压电驱动器进行了深入研究，揭示了适用于双模式叠加驱动的压电驱动器的致动原理，建立了适用于双模式叠加驱动的压电驱动器的激励方法。建立了弯曲复合压电驱动器双模式叠加驱动的融合设计方法，建立了其动力学模型，解决了两种工作模式的合理衔接与互补问题；驱动器在共振模式下最大输出速度达1104mm/s，在非共振模式下位移分辨率达16nm，在具备快速、大行程输出的同时兼顾了纳米尺度定位的能力。基于驱动足振动轨迹的可控性实现了共振模式下弯振复合驱动器的低速控制，消除了传统共振型压电驱动器存在的速度死区问题，获得了良好的低速可控特性。搭建了纵弯复合压电驱动器的闭环控制系统，定位精度达到了30nm，跟踪正弦信号的最大相位滞后为2.808°，幅值误差为0.177μm。深入研究了工作在共振模式下压电驱动器的热耦合特性，得到了驱动器在空载、带载情况下的温升特性，揭示了压电驱动器热耦合特性的变化规律。规划了多种适用于两种工作模式叠加的压电驱动器基本构型，研发了多种新型压电驱动器样机并开展了实验研究。将所研制的适用于双模式叠加的压电驱动器成功用于控制力矩陀螺、折展机构、可旋转式套筒机构等领域，实验结果充分证明了该类压电驱动器已经具备了在各类高端装备领域获得广泛应用的潜力。在本项目资助下，发表学术论文58篇（SCI收录47篇），获得授权发明专利22项，培养已毕业博士2人、硕士13人，另有3名博士研究生正在本项目的资助下开展课题研究。本项目的研究成果可为大尺度纳米级压电驱动器的设计与分析提供基础的理论指导，对拓宽压电驱动技术的应用领域有十分积极的意义。