面向超快激光制造的大动态范围纳米运动系统与轨迹控制

Many emerging applications such as ultrafast laser micro/nano fabrication heavily rely on nano-motion systems with large dynamic range (large ratio between stroke and precision), and pose significant challenges to the design, modeling and tracking control theory of nano-motion systems, different from nano-positioning techniques. In this study, it will be studied the design, modeling, and tracking control theory supporting large rang and high precision ultrafast laser fabrication. Nonlinear dynamic model, parasitic error motion and ultra-precision trajectory tracking control problems will be studied to show how to restrict parasitic error motion, and to propose the transient performance and optimization methods during complex trajectory tracking, and to explore the process of the heat dissipation micro/nano structure of ultrafast laser manufacturing. The expected outcomes of this study lie in: establish a set of large dynamic range compliant mechanism design, modeling and robust tracking control methods for ultra-fast laser micro/nano manufacturing, and provide theoretical and technical foundation to promote the development of high performance nano-motion systems in ultra-precision manufacturing process and equipment and industrial applications.

超快激光微纳制造等新兴应用日益依赖具有大动态范围的纳米运动系统。不同于现有纳米定位技术，大动态范围纳米运动系统在设计、建模与跟踪控制理论等方面面临显著不同的挑战。本研究拟开展面向高精度超快激光微纳制造的柔顺纳米运动系统的研究，分析复杂轨迹工况下非线性刚度动力学模型、寄生误差运动和超精密轨迹跟踪控制等问题，阐明大行程并联柔顺机构的寄生误差抑制机理，提出复杂轨迹跟踪过程中的瞬态性能分析和优化方法，探索超快激光制造散热功能微纳结构工艺。项目预期成果的重要意义在于：形成面向宏-微-纳跨尺度高精度超快激光微纳加工的大动态范围柔顺机构设计、动力学建模和鲁棒跟踪控制方法，为推动高性能纳米运动系统在超精密微纳制造工艺及其装备等领域的发展和工程应用提供理论和技术基础。

超快激光微纳制造等新兴应用日益依赖具有大动态范围（跨尺度）的纳米运动系统。不同于现有纳米定位技术，大动态范围纳米运动系统在设计、建模与跟踪控制理论等面临显著不同的挑战。为有效研究适用于大幅面高精度超快激光微纳制造的柔顺纳米运动系统，本项目从大动态范围柔顺机构设计、寄生误差运动分析与抑制、大动态范围柔顺纳米运动系统纤维增强性能优化、柔顺纳米系统双轴光栅测量方法、复杂轨迹跟踪控制方法和针对执行器在大行程运动中的抗饱和控制策略等方面开展了理论研究，并以此为基础进行了飞秒激光微纳制造高性能多功能表面的实验研究。重要研究结果包括：提出自抗扭转的柔性机构设计方法，从原理上消除了寄生旋转误差。设计并实现了大动态范围XY柔顺纳米运动台。并实现了运动台关键板簧处的碳纤维增强，显著提高了系统的机械性能。提出了光栅双轴直接测量方法，显著减低了测量的系统误差。提出适于多轴系统的时变内模轮廓跟踪控制方法。针对驱动器输入饱和问题，提出增强的抗饱和策略。基于所提出的协同控制框架，进行了大幅面激光抛光实验，实现了抛光的表面粗糙度和效率的双提升。探索飞秒激光微纳加工制备高性能多功能多材料表面制备工艺。项目预期成果的重要意义在于：形成面向宏-微-纳跨尺度高精度飞秒激光微纳加工的大动态范围柔顺机构设计、动力学建模和鲁棒跟踪控制方法，为推动高性能纳米运动系统在超精密微纳制造工艺及其装备等领域的发展和工程应用提供理论和技术基础。