基于全柔顺并联支撑机构的空间微纳尺度超精密定位系统研究

超精密定位技术广泛应用于微电子制造、精密加工及测量、微机电系统、生物医学工程等尖端领域，是先进制造领域重要研究方向之一。建立完整的超精密定位系统动力学模型、抑制强非线性振动及环境参数等随机干扰是目前亟待解决的技术难题。本项目拟采用新型全柔顺并联支撑机构，基于螺旋理论及空间拓扑优化设计方法，对支撑机构空间构型进行综合与参数优化设计；采用多柔体弹性动力学理论，建立空间超精密定位系统弹性振动微分运动方程，探寻具有非线性时滞耦合特性的微分运动学/动力学方程求解方法，解决微纳尺度超精密定位过程中强非线性振动抑制问题；采用非线性分岔精密控制理论，研究多柔体复杂系统动力学特性，探讨微纳尺度定位过程中强随机性干扰对精密控制系统稳定性和鲁棒性的影响；研制微纳尺度空间超精密定位平台缩尺模型，完成试验研究。这一工作拓宽柔顺、并联机构研究范畴，对空间微纳尺度超精密定位技术的动力学研究具有较高的理论和实际应用价值。

机构是机械设备装备的特征骨架，机构创新决定了产品的创新性，机构设计理论的研究是现代机械设备设计的重要基础和发明创造的源泉，是提高国家制造水平和国际竞争能力的关键。本项目研究立足于微纳制造装备领域，开展了智能蠕动弹性机构拓扑构型综合及精密控制系统设计等方面的系统研究工作。. 通过项目第一阶段对全柔顺并联机构构型综合方法的研究，揭示了微观领域应力应变传递与宏观弹性变形运动之间的内在联系，阐明了拓扑优化理论在微纳机构构型综合中的有限元本质思想，从而首次提出智能蠕动弹性机构的概念，建立了面向微纳精密制造与加工装备的智能蠕动弹性机构空间拓扑构型综合新方法。. 建立了空间微纳尺度超精密定位平台及其精密控制系统设计新方法:以弹性力学为理论基础，综合考虑应力应变在机构中的传递特性，提出采用弹性平衡方程结合雅可比矢量映射方程建立了智能蠕动弹性机构的整体运动学及动力学模型，并采用滑模变结构控制方法进行了精密控制系统设计。. 基于以上理论研究成果，开展了平面智能蠕动弹性机构拓扑构型的研究工作，加工出运动行程为1nm、5nm、30nm、100nm、500nm的新型平面智能蠕动弹性机构构型，并采用双频激光干涉仪对其进行了开环/闭环运动特性等相关实验研究，得出一系列重要研究成果。. 本项目的研究严格按照项目任务计划书的时间规划，研究工作从2012年1月开始，至2015年12月结束。项目研究以首次提出的、区别于传统全柔顺并联机构的新型智能蠕动弹性机构空间拓扑构型综合及参数优化设计等为主要研究内容，分别从微观角度的应力应变传递及宏观角度的弹性变形两个方面阐述了智能蠕动弹性机构构型综合新方法，并提出建立该机构完整运动学/动力学方程及精密控制系统设计方法。项目的研究拓宽了传统机构学研究范畴，对智能蠕动弹性机构在超精密加工制造装备技术领域中的应用具有重要的学术和应用价值。. 项目实施过程中，完成了项目计划书中的预期研究成果：1. 首次提出智能蠕动弹性机构概念，并建立了智能蠕动弹性机构空间构型综合新方法；2. 建立了空间微纳尺度超精密定位平台精密控制系统新方法；3. 加工出不同运动行程的平面智能蠕动弹性机构构型并进行了相关实验研究；4. 在国内外发表相关领域学术研究论文31篇，其中EI检索5篇、出版学术专著2部，申请国家专利7项，获授权国家发明专利2项、获江西省高等学校科技成果奖二等奖1项。