大尺度全载荷宏微驱动回转系统亚角秒级定位机理及耦合控制

Due to the urgent problems of small travel, bad load performance and low positioning existing in the rotary system with macro/micro dual-drive, this project develops a micro rotary mechanism based on the compound motion principle of flexure hinge to accurately transform input of linear motion into output of rotary motion according to a certain relationship. Under the motion coupled, the kinematics of the micro drive system is analyzed based on establishing the kinematics model of the system. Moreover, the stiffness analysis of the micro drive system is completed based on the stiffness model with the uniform beam method. The strength as well as the modal analysis and performance study of the micro drive system are completed. The positioning performance and character of the micro drive system are studied form theory and experiment. The scheme of the rotary system with macro/micro dual-drive is designed under the large-scale and all-load performance matching situation. The dynamic performance is studied by the dynamic model based on the Newton-Euler method. The error and compensation performance of the system are analyzed by experiments. And the sub-arc-second positioning mechanism of the system is completed based on the positioning performance of the micro drive system. The high precision and synchronization coupled control mechanism is established under the motion character matching of the macro drive system and the micro drive system. The system performance experiments under the coupled control are finished by the continuous compensation method of positioning error. This project has important reference value in performance research on the rotary system with macro/micro dual-drive. Besides, it will improve the backward present situation of the macro/micro dual-drive technology.

鉴于目前宏微驱动回转系统研究存在亟待解决的运动范围小、载荷性能差、定位精度低等问题，提出大尺度全载荷亚角秒级宏微驱动回转系统，完成其亚角秒级定位机理及耦合控制研究。利用柔性铰链运动复合原理研制微动回转机构，实现直线-回转运动精密转换；针对运动耦合微动系统，在建立运动学模型基础上解析其运动性能，基于边界元法刚度模型完成其刚度分析，开展强度及动态性能分析和相关性能试验研究，从理论和试验角度研究微动系统定位性能及特性。提出大尺度全载荷性能匹配下宏微驱动回转系统设计方案，利用牛顿欧拉法动力学模型解析系统动态性能，通过试验分析宏动误差及微动补偿性能，结合微动系统定位性能解析，完成系统亚角秒级定位机理研究。实施宏动及微动运动特性匹配，建立系统高精度实时耦合控制机制，采用定位误差连续补偿方法进行耦合控制下系统性能试验。本研究对宏微驱动回转系统性能研究具有重要参考价值，可改善宏微驱动回转技术研究滞后现状。

鉴于目前宏微驱动回转系统研究存在亟待解决的运动范围小、载荷性能差、定位精度低等问题，提出了大尺度全载荷亚角秒级宏微驱动回转系统，完成了其亚角秒级定位机理及耦合控制研究。利用柔性铰链运动复合原理研制微动回转机构，实现了直线-回转运动精密转换；针对运动耦合微动系统，在建立运动学模型基础上解析其运动性能，基于边界元法刚度模型完成了刚度分析，开展强度及动态性能分析和相关性能试验研究，从理论和试验角度研究微动系统定位性能及特性。提出了大尺度全载荷性能匹配下宏微驱动回转系统设计方案，利用牛顿欧拉法动力学模型解析系统动态性能，通过试验分析宏动误差及微动补偿性能，结合微动系统定位性能解析，完成了系统亚角秒级定位机理研究。实施宏动及微动运动特性匹配，建立了系统高精度实时耦合控制机制，采用定位误差连续补偿方法进行耦合控制下系统性能试验，研究结果显示经宏微补偿后系统的重复定位误差和定位误差分别降低了78.8%、95.2%，系统的最大定位误差小于1″，系统定位精度达到亚角秒级。. 项目执行期间完成了宏微驱动系统亚角秒级定位机理研究，实现微驱动系统亚角秒级定位；建立了宏微驱动回转系统耦合控制机制，实现了宏微驱动系统的宏动与微动联合实时控制；完成了宏微驱动回转系统相关性能研究，并研制了大尺度全载荷亚角秒定位的宏微驱动精密回转系统试验样机，对样机进行性能实验研究，研究结果证明样机性能优良；依托本项目，课题组发表高水平论文14篇，申请专利6项（授权发明专利3项、实用新型专利2项），培养博士研究生2名、硕士研究生6名、青年教师3名，参加学术会议4次。本项目实施可推动超精密加工、芯片封装运动平台、医学精密仪器、军工等超精密机械领域发展。同时，本项目在本地企业进行了一定的应用与推广，并取得了较好的经济效益及社会效益。. 本研究对宏微驱动回转系统性能研究具有重要参考价值，可改善宏微驱动回转技术研究滞后现状。