大行程纳米级精度多自由度运动系统的基础研究

Aiming at the nation requirement of the nano-manufacturing technology, the fundamental problems of the multi-degree-of-Freedom (MDOF) macro/micro systems which are widely used in the nano-manufacturing instrument such as X-ray lithography, nano-imprint lithography, nano-manipulation, and nano-metrology, are as the research object. The fatigue and reliability theory of the large range motion flexure hinges will be studied first, then, combining the topology optimization method and the pseudo-rigid-body model method, considering kinematic and dynamic performances, the integrated design method for MDOF large range motion compliant mechanism will finally be developed. Other research items includes: the new actuating method and the accuracy holding theory, developing new actuators with high performance; revealing the rules of the micro-perturbation, coupling effect between the macro motion and the micro motion by nonlinear dynamic analysis of the MDOF system ; developing a control method with robust and adaptation for the system.. MDOF systems with large range of motion and nano-accuracy positioning resolution are highly needed for industrial applications which is a hot research field. This kind of system with remarkable performance is widely used in the high-tech fields such as nano-manufacturing, nano-metrology. The project has important theoretical significance and application value.

本项目面向国家对纳米制造技术的重大需求，以光刻、纳米压印、纳米操作、纳米测量等典型纳米制造装备的共性基础问题为研究对象，首先研究新型大挠度精密柔性铰链的疲劳可靠性理论，在此基础上, 最优拓扑优化方法和伪刚体方法相结合,考虑机构的运动学和动力学特性，进一步研究新型大行程柔顺机构的设计理论和方法。研究新型压电驱动器的驱动机理、精度保持机制、微扰动响应规律，研制具有高位移分辨率、高位置保持能力的压电驱动器。通过研究多自由度精密运动系统的非线性动力学行为，揭示系统的微扰动和耦合机制，并进一步研究鲁棒性好、自适应能力强的控制方法。. 大行程纳米级精度多自由度运动系统以其独特的优良性能和广泛的应用前景已成为了新的研究热点，在纳制造、精密测量等许多尖端领域具有广泛的应用前景。对这类系统内在机制和设计方法进行深入系统的研究具有重要的理论意义和应用价值。

大行程纳米级精度多自由度运动系统以其独特的优良性能和广泛的应用前景已成为了新的研究热点，在微纳制造、精密测量等许多领域具有广泛的应用前景。本项目针对纳米制造精密装备中超精密运动系统的共性基础问题，从原理和关键技术两个层面进行研究。主要研究内容包括：新型柔顺机构的设计理论与方法、新型压电驱动器驱动机理和高精度运行机制、压电驱动系统微扰动响应规律和控制方法、宏微结合多自由度精密运动系统的非线性动力学行为、纳米精度多自由度运动系统的控制技术等。.围绕这些研究内容取得了系列研究结果：1.给出了典型柔性铰链疲劳寿命经验公式，发现以屈服强度作为约束条件，结合安全系数的设计方法导致柔顺机构各个柔性铰链的疲劳寿命相差几个数量级，会造成机构过早失效。 2. 给出了采用拓扑优化方法寻找新型柔顺铰链的策略与方法，建立了平动和转动柔性铰链得输入输出关系，为采用拓扑优化理论寻找高精度、大变形柔顺铰链奠定了理论基础。3.给出了一种多自由度柔顺机构拓扑优化新方法，揭示了柔顺机构拓扑优化过程中产生类铰链的内在机理，提出了一种可有效避免产生类铰链的最小化性能差柔顺机构拓扑优化方法。4. 发明了一种基于柔顺机构的大行程精密定位平台，定义了放大机构的位移损失因子，建立了相应的分析模型，实验结果与仿真结果表明，通过两级放大机构有效提高了柔顺机构的行程。5. 通过研究运动副间隙大小、运动副间隙位置、运动副间隙数量、材料摩擦系数等十种不同因素对宏微耦合系统动力学性能的影响，发现系统对运动副间隙尺寸、材料恢复系数、材料摩擦系数最为敏感。6.对于特定的超声电机存在一个面积比与沟槽宽度的最优值，使得摩擦因数最大、最稳定。围绕这些成果在国际主流SCI收录期刊发表论文56篇，国内EI收录期刊发表论文22篇；申请发明专利32件，其中已授权16件，含PCT2件。本项目成果对相关领域的发展具有重要的理论意义和应用价值。