高性能宏行程纳米精度压电惯性-摩擦的驱动器技术的研究

This research aims to make a transformative advancement for macro-range nano-resolution actuator(MRNS)technology. A basic idea underlying the proposed research is that "regular aspirity" surface engineering is integrated with aparticular actuation principle, namely" inertia-friction". Another basic idea behind the proposed research is that the actuation control system includes a physics-based model with which to perform off-line periodic model updating.The model updating facility is further employed in the periodic adjusting to the actuation system. This research may also generate new control technology, i.e, integration of (on-line) adaptive control and (off-line) model updating and system adjusting. The MRNS technology is very important to micro-chips assembly and high energy beam positioning control (e.g., synchrotron radiation facility), which are timely critical to manufacturing industryand national defense of China.

本研究的目标是进一步发展宏行程纳米精度驱动器技术,并使之获得一个根本性的进展。两个新的技术理念将确保这一目标的实现。第一个理念是：把"规则微凸体"表面工程技术融合于"惯性-摩擦"驱动原理。第二个理念是：驱动器的控制系统包含驱动器的综合建模，对模型进行离线阶段性的修正，以期对驱动器有正确的描述，结合在线的控制，最形成完美的驱动。本研究的结果有可能改变人们对表面摩擦的认识与看法，产生一个全新的表面摩擦理论。本研究的结果还将产生一种新的控制理论，即"离线调整与在线控制的集成控制"。宏行程纳米精度的驱动技术是微元件装配、高能量光源（如上海光源）定位与控制、高精度定位及跟踪控制等的最关键技术之一。同时，基于"惯性-摩擦"的驱动是研制完全自主运动机器系统的关键技术。因此，本研究将对制造业、国防有极深远的意义。

压电惯性摩擦驱动器（PIFA）结合了压电驱动原理与惯性摩擦驱动原理，因此它具有长行程，高精度，结构简单，便于计算机控制的特点。PIFA被广泛应用于宏行程纳米精度驱动技术领域。在本项目内容中，提出了有着宏行程高精度的 PIFA综合数学模型和搭建了PIFA原型机。该模型集成了各种子模型，包含了压电驱动器迟滞非线性、驱动目标和压电驱动器的动力学模型、摩擦导致的温度升高和相关地摩擦行为的变化。设计一个普遍性的控制方法用以提高PIFA系统的效率和回复性。最终，制成了一个相较于现有的PIFA系统有着更好的位置精度、更高的驱动速度、更大的行程且有高度弹回复性的压电惯性摩擦驱动器。