基于虚拟直线基准的空间直线运动方法与测量模型研究

The developments of ultra-precision engineering and top equipment manufacturing demand spatial linear motion technique to balance high speed, high acceleration, large stroke and high accuracy at the same time. In order to solve this problem, spatial linear motion method and six Degree of Freedom (6DoF) measurement model based on virtual linear datum are researched in this project. Firstly, in the 6DoF measurement space based on multi-displacement sensors, the virtual spatial line is applied as motion and measurement reference. The influence mechanism of nonlinear 6DoF solution errors and structural errors is researched. Then a full model with unclosed measurement loop is established, and sub-nanometer 6DoF measurement accuracy within a large stroke is achieved. Secondly, with analysis on the dynamic interaction mechanism of a dual-actuation system, technique of low stiffness magnetic levitation is studied, as well as methods of parasitic stiffness and damping identification and compensation. Then 6DoF motion technique with quasi-zero stiffness and damping suspension is realized to suppress the vibration disturbance, to achieve nanometer-scale real-time track spatial line within a large stroke with high speed and high acceleration. The performance of proposed spatial linear motion will be further improved with the development of measurement, drive and control techniques. The expected specifications: with speed and acceleration higher than 2m/s and 60m/s2, respectively, and within in a stroke of larger than 200mm, the accuracy of spatial linear motion will be better than 20nm. The research outcome of this project will be valuably theoretical fundament and technical reserve for the next generation high-end manufacturing and instrument equipment.

超精密工程和高端/尖端装备制造的发展对空间直线运动技术提出兼顾高速、高加速度、大行程和高精度的极端需求，针对该问题，本项目开展基于虚拟直线基准的空间直线运动方法与测量模型研究。首先，通过多位移传感器构建六自由度测量空间，直接以虚拟的空间直线作为测量和运动参考，研究非线性解算耦合误差和结构类误差的影响机理，建立非封闭测量环全局测量模型，将大行程内六自由度测量理论精度突破至亚纳米量级；其次，分析宏/微驱动中宏微相互作用机理，研究磁悬浮低刚度和寄生刚度与阻尼的辨识与补偿方法，通过准零刚度与阻尼悬浮的六自由度微动抑制振动干扰，实现高速高加速度下大行程内纳米量级实时跟踪空间直线运动，并随未来测量、驱动和控制技术的发展具有成长性。预计指标：在大于2m/s和60m/s^2的高速高加速度下大于200mm行程内空间直线运动精度优于20nm，为下一代尖端制造和仪器装备的发展提供重要的理论基础和技术储备。

本项目提出了一种基于六自由度实时测量与运动调整的空间直线基准实现方法，首先，通过多位移传感器构建六自由度测量空间，同时获取参考点的空间位置和设计轴线对应的空间直线，实现了参考点位置测量和设计轴线的统一，建立的非封闭测量环全局测量模型，消除了非封闭部分引起的多自由度间位置解算耦合误差，以及封闭部分中位置解算误差和诸多系统误差在各自由度位置测量的耦合作用，建立的全局测量模型理论精度在200mm大行程内六自由度测量理论精度突破至7×10^-10m量级。其次，提出了一种基于准零刚度和准零阻尼悬浮的六自由度运动技术，采用回转对称式磁悬浮重力补偿器，初步实现了微动系统在运动空间内低刚度悬浮，针对实际宏微系统中存在的若干寄生刚度和低阻尼，通过分析其产生机理，分别在时域和频域辨识了由此产生的位置和速度相关干扰力在各自由度的分布，并通过位置和速度相关力前馈方法实施补偿，最终实现了微动系统的准零刚度准零阻尼的悬浮，实验表明：水平和垂向悬浮刚度分别低于500N/m和70N/m，阻尼低于0.23Ns/m；位移和角度分辨力分别小于30nm和8μrad。最后，基于上述研究搭建了实验平台，实现了空间直线运动基准在220mm范围内的合成标准不确定度为21nm。.此外，在项目研究过程中，发现了静压悬浮的稳定性和精度问题，针对该问题，本项目首次提出了一种带有节流孔的空气静压浮选系统设计和优化方法，并借助雷诺方程和结构动力学方程研究了该系统的静态和动态特性。气浮系统的机械尺寸决定了气浮系统的稳定性、安全性和抗干扰能力。实验测量表明，建模的平均误差仅为2.48%，挠度和弯曲刚度的乘积仅为2.5×10^−6N·m^2，这两个值都远小于现有的建模方法和空气静压浮选系统的机械结构。因此，所提出的系统在空气厚度精度和均匀平整度方面优于现有系统。理论和实验验证还表明，所提出的空气静压浮选系统可以使具有初始翘曲的板材变平，并使悬浮板材具有一定的抗干扰能力。此外，所提出的建模方法普遍适用于不同的空气静压浮选系统，并且更适合于正负限流器的机械尺寸的优化。