单一摩擦界面两自由度并联压电冲击驱动机构的运动耦合与控制

Impact driving is a typical driving manner to realize the trans-scale precision positioning and manipulation technology. Parallel piezoelectric impact drive mechanisms can realize multi-degree-of-freedom motions with compact structure designs. However, the degrees of freedom are mostly energized non-simultaneously to avoid the motion coupling of each other with a single friction interface, for which the efficiency, accuracy, and flexibility of complex motion control cannot meet the application requirements. In this project, taking two-dimensional precision positioning stages as objects, the motion coupling characteristics and optimal control strategies of parallel piezoelectric impact drive mechanisms will be studied. Complete dynamic models and vector friction models of the two-degree-of-freedom parallel piezoelectric impact drive mechanisms will be established to analyze the generation mechanism of orthogonal direction motion coupling and its influence on typical motion processes. Based on the determination of critical states of orthogonal direction stick-slip motions and their influence factors, interaction relationships between the exciting parameters and motion parameters will be analyzed in the stepping and smooth impact modes, so that the effective control methods can be proposed to achieve motion decoupling and coordination in the simultaneous energizing condition. Aiming at the application requirements of trans-scale nano-positioning, principle prototypes will be designed and fabricated and the experiment platform will be set up, in order to verify the accuracy of theoretical models and the effectiveness of control methods and to evaluate and improve the open-loop control performances of complex plane motions. The project research will expand and enrich theoretical system of impact driving mechanism and provide technical references for engineering applications of the parallel piezoelectric impact drive mechanisms.

冲击驱动是实现跨尺度精密定位操作技术的典型驱动方式。并联压电冲击驱动机构可通过紧凑的结构设计实现多自由度运动，目前多采用分时驱动方式避免各自由度在单一摩擦界面下的运动耦合，复杂运动控制的效率、精度和灵活性难以满足应用需求。本项目以二维精密定位平台为对象，研究并联压电冲击驱动机构的运动耦合特性和优化控制策略。构建两自由度并联压电冲击驱动机构的完整动力学模型和矢量化摩擦模型，分析正交方向运动耦合的生成机理及对典型运动过程的影响规律；确定正交方向粘滑运动的临界状态及影响因素，分析步进、平滑驱动模式下激励参量与运动参量的交互关系，提出同时驱动情况下运动解耦协调的有效控制方法；面向跨尺度纳米定位的应用需求，设计制作原理样机并搭建实验平台，验证理论模型的准确性和控制方法的有效性，评估提高复杂平面运动的开环控制性能。项目研究将拓展丰富冲击驱动的理论体系，为并联压电冲击驱动机构的工程应用提供技术参考。

现代诸多学科微纳前沿领域对跨尺度精密定位操作技术有着迫切的需求，压电冲击驱动机构具有结构简单、控制方便、运动精密等优点而得到广泛应用。并联、谐振等新型压电冲击驱动机构的提出为复杂操作任务需求提供了更好的解决方案。.本项目以新型压电冲击驱动机构为研究对象，分析优化压电冲击驱动机构特性和性能。主要研究内容包括：.（1）建立基于摩擦和惯性驱动的二维并联压电冲击驱动机构的运动耦合动力学理论模型，构建二维并联运动方程组和矢量化的Karnopp摩擦模型，建立动力学仿真程序框图进行数值分析，研制3款摩擦驱动、2款惯性驱动的二维并联压电冲击驱动平台/马达，通过有限元仿真优化结构参数，制作原理样机并搭建实验平台，实验验证并联冲击驱动的理论和仿真分析结果，测试结果表明原理样机具有良好的二维驱动性能。.（2）提出一种新的谐振式压电冲击驱动机构并建立动力学理论模型，分析固有振动频率匹配方法和固有振动特性，建立动力学仿真模型和结构仿真模型，研制两款基于非对称音叉和柔性放大机构的谐振式压电冲击直线马达，实验验证谐振冲击驱动的理论和仿真分析结果，测试结果表明谐振平滑驱动模式相比传统步进驱动模式，运动速度和功率输出能力都获得了极大地提升。.（3）研制适用于对称压电驱动的电压和电荷激励电路，电压激励电路可通过单个高压功放为一对压电驱动器提供正向的差动电压激励，降低了高压驱动电路的复杂性，适用于高速冲击驱动过程，电荷激励电路可通过差动电荷放大电路提供电荷差激励，适用于高精度扫描驱动过程。研制具有纳米级分辨率的电涡流位移传感器，用于多自由度压电精密定位平台的位移测量控制。.本项目研究成果拓展丰富了压电冲击驱动的理论体系，建立了完整的理论、仿真和实验分析的研究方法，研制的原理样机具有较好的应用价值，为并联、谐振等新型压电冲击驱动机构的工程应用提供了丰富的技术积累。