一种新型大行程微纳尺度运动实现方法研究

The demand for micro-nano-scale technologies is becoming more and more urgent in the development of industries such as modern information, equipment manufacturing and aerospace. However, the current micro-nano-scale displacement is mostly based on intelligent materials such as electricity, magnetism, heat, light, acoustic effect and so on. However, these methods have obvious defects such as non-linearity, peristalsis, minimal travel and small rigidity, which makes it difficult to achieve micro-scale control under large travel. To this end, based on the principle of liquid static (dynamic) screw nut screw drive, creatively proposed a new method of micro-nano motion. Namely: the development of a new type of liquid static (dynamic) pressure screw nut pair, through the screw, nut almost the same size of each independent, to the same two macro-motion spiral "differential" motion synthesis, to achieve micro-nano precision manufacturing . The new method overcomes the shortcomings of current micro-nano actuators and solves the problems of micro-nano fabrication and measurement in the fields of large-scale travel and micro-nano scale with high precision and cross-scale. At the same time, this is different from the conventional single-servo servo system composite servo actuator, but also through the "plus" synthesis (two motors in the direction of the macro-speed opposite) to achieve twice the conventional system of high-speed feed control. Therefore, this research project with disruptive and innovative technologies will surely have important theoretical significance and significant engineering practical value.

现代信息、装备制造、航空航天等产业的发展对微纳尺度技术的需求日益迫切。然而当前微纳尺度位移多是基于智能材料的电、磁、热、光、声致效应等驱动实现的。这些方法却存在非线性、蠕动、行程极小、刚性小等明显的缺陷，致使很难实现大行程下的微纳尺度控制。为此，基于"差动“合成和液体静压丝杠螺母副螺旋传动原理，创造性地提出一种新型微纳运动实现方法。即：基于研制的新型“差动”液体静压丝杠螺母副，通过丝杠、螺母各自独立的大小几近相等、转向相同的两个宏动的“差动”运动合成，实现微纳尺度运动。新方法克服了当前现行微纳驱动执行器的弊端，解决了大行程跨尺度领域的微纳精度制造、测量等问题。同时，这一新型微纳运动实现系统，还可以通过“加动”合成（两个电机的宏动转速方向相反）实现两倍于常规系统的高速度进给控制。因此，这一具有颠覆性创新技术的立项研究，必将具有重要理论意义和重大工程实用价值。

项目背景：现代信息、装备制造、航空航天等产业的发展对微纳尺度技术的需求日益迫切。然而当前微纳尺度位移多是基于智能材料的电、磁、热、光、声致效应等驱动实现的。这些方法却存在非线性、蠕动、行程极小、刚性小等明显的缺陷，致使很难实现大行程下的微纳尺度控制。为此，基于“差动”合成和液体静压丝杠螺母副螺旋传动原理，创造性地提出一种新型微纳运动实现方法，恰恰克服了现有技术之瓶颈。.项目主要研究内容总结如下：.1.对提出的双驱液体静压螺旋差动微纳运动实现方法进行了系统的理论研究。主要包括:推演建立了考虑螺母位姿误差、不同液体节流方式、油膜滑移和螺旋升角的双驱液体静压丝杠副油膜流动模型，构建了双驱液体静压机电液耦合动学模型,探究了多因素下静、动态特性；.2.研究了双驱液体静压螺旋传动机理和极低速下变负载进给时的螺母位移波动特性和减少位移波动的方法；.3.基于油膜变粘度理论建立了油膜动态摩擦计算模型，提出了一种全组件精细化摩擦识别方法；基于Backstepping方法设计了温升等外扰动影响的全组件自适应摩擦补偿控制算法；.4.研究了双驱液体静压丝杠副轴向承载能力和轴向刚度系数分布规律以及其在极低速、变载荷等极端工况下进给时的稳定性。.5. 研制了双驱液体静压丝杠副伺服进给系统试验台，开展了其动态性能和微量进给运动特性的试验研究。.研究的重要结论性结果和关键数据：.1.创造性地提出了一种新的大行程微纳尺度运动实现方法，并获得自主知识产权发明专利。.2.提出了在极低速、变载荷下减少传动位移波动提高运动精度的方法。研制了双驱液体静压丝杠螺旋传动副，开发了基于KRMotion平台的开放体系结构的微纳插补软件化数控系统。.3.开发了基于双驱液体静压丝杠副的单自由度微纳运动伺服试验台，理论和实验研究结果表明：新技术可以获得均匀、极低的微纳尺度级进给运动。和常规伺服系统技术比较其运动控制精度及位移分辨率可提高一个数量级，而达到亚微米级，这是常规伺服系统难以比拟的。和当前国际上现有微纳进给实现方法比较，新技术具有大行程、高精度、高刚性、高频响、低噪声、无“蠕动”等特点。. 科学意义：项目技术通过较低的成本便可获得极高的微纳进给性能，实现了大行程、跨尺度范围内的高精度驱动控制。对突破我国高端数控装备、超精密尖端技术等“卡脖子”难题，具有重大科学意义。