面向精密快速加工微纳操作机器人的驱动控制关键技术

This project will study the magnetostrictive material based key actuation and control technology oriented in the demand of fast precision manufacturing. The first task will be the construction of the dynamic modelling of the magnetostrictive actuators by considering the rate-dependent and load-dependent characteristics. The second task will be the control design of the magnetostrictive actuators to fulfil the advanced positioning requirement in ultra-precision manufacturing. The third task will be the design of the so-called "3D fast manufacturing unit" and the development of its control strategy such that it can perform eliptical precision motion in a prescribed plane. The developed unit will be equiped to a 4-axis high precision stage to construct the “fast precision manufacturing micro/nano operating robot”. The special robot aims to achieve advanced manufacturing such as micro-prism array mould, complicated micro surface, etc, and to shorten the manufacturing time. The purpose of this project is to develop a set of original control technology to achieve micro/nano operation based on magnetostrictive materials, and to get the leading position in the ultra-precision manufacturing field.

本项目以精密快速加工为需求背景，重点研究基于超磁致伸缩材料的微纳操作驱动控制关键理论和核心技术。分析超磁致伸缩驱动器的工作机理，构造输入特性变化、负载变化等多种工作条件下的复杂回滞特性建模方法，并提出纳米级精密驱动控制理论和控制算法。同时本项目将瞄准微纳驱动控制技术在精密快速加工微纳操作机器人中的应用，搭建由超磁致伸缩材料驱动的“3D快速加工单元”，结合其工作模式及系统特性，分析三方向之间的耦合特性、以及单元的固有模态、动态响应及切削工艺等因素对驱动性能的影响，实现其高速微纳操作及高频驱动控制。进而在精密4轴平台上安装所设计的“3D快速加工单元”，构筑“精密快速加工微纳操作机器人”。旨在达到性能提升的技术指标，实现模具和复杂曲面等的高精度加工，缩短加工时间。以实现我国在基于超磁致伸缩驱动器的微纳操作驱动技术方面国际领先为目标，赢得超精密加工及制造领域自主创新发展的主动权。

随着超精密加工技术的发展，具有微纳操作能力的精密快速加工机器人越来越受到重视,并在精密制造、航空航天等领域应用广泛，成为衡量一个国家科技发展水平的重要标志。本项目面向精密快速加工，以超磁致伸缩驱动器为基础，研制了一套宏微结合的微纳操作机器人，主要包括3D快速加工单元及其控制模块和4轴宏动加工平台，着重研究了其微纳驱动控制的关键理论和核心技术。项目揭示了超磁致伸缩驱动器的非线性驱动规律，分析了其在输入特性变化、负载变化等多种工作条件下的工作特性和参数特性，建立了动静态串联组合模型；依据动静态组合模型，提出了基于隐逆的自适应动态滑膜隐式逆控制方法和基于无逆构造的自适应控制方法来实现微纳驱动系统的精确控制；分析了3D快速加工单元中3轴的耦合特性，建立了耦合模型，并提出有限时间输出反馈自适应解耦控制技术实现刀尖的精密快速定位及运动；针对宽位移超精密部件的加工要求，采用宏微结合加工工艺，揭示了宏微复合运动的交互规律和机理，提出了自适应精密补偿同步控制技术。该微纳操作机器人达到了预期技术指标，其中3D快速加工单元（行程50μm×50μm×50μm，伺服带宽1.2KHz，分辨率10nm），4轴宏动平台（X-Y-Z行程180mm×120mm×110mm，定位精度±1.5μm）。本项目取得了如下重要成果：1）设计了超磁致伸缩驱动器、3D快速加工单元、4轴宏动平台，并集成宏微平台建立了微纳操作机器人；2）揭示了超磁致伸缩驱动器的非线性规律，构建了动态、静态和动静态组合等模型；3）基于动静态组合模型提出了基于隐逆和无逆构造的精密驱动控制技术；4）构建了3D快速加工单元的耦合模型，并提出了基于自适应解耦的精密定位技术；5）在宏动平台稳定控制技术基础上，提出了自适应精密补偿的宏微协调同步控制技术。本项目的研究在微纳操作驱动方面提出了一套新方法和新技术，为超精密加工及制造领域自主创新发展提供了一种新思路，在超精密制造和智能机器人领域具有广阔的应用前景。