面向高速扫描与微操作的强模态阻尼柔顺机构设计与控制

In order to guarantee its high efficiency and high throughput in a nano-manufacturing process, such as that of semiconductor chips, MEMS, microfluidics and cell manipulations etc., the high control bandwidth of a compliant-mechanism-based nano-positioning stage should be required from the corresponding technical characteristics of high speed and high accuracy of the stage. Reinforcing system damping can efficiently widen the motion control bandwidth, but the present active and passive damping methods have some shortcomings in the respects of dealing with the relations between modal damping and input-driving efficiency, the location of input driving not at a modal-shape peak and damping-reinforcing efficiency, and some deficiencies on fast response from driving etc.. For these problems, this project will implement the research on a modal-damping reinforcing mechanism of local-resonant-metastructure--based member/ compliant mechanisms and its optimal design/ control, and focus on solving two scientific problems of modal-damping reinforcing mechanism of local-metastructure-absorber-based member/ compliant mechanisms due to its negative mass density and Poisson ratio characteristics, and its influence rules on the broad-band control algorithm of the stage. Through this project, we hope that the theory and method of low-order modal-damping reinforcing for local-metastructure-absorber-based compliant mechanisms and the corresponding design and control methods can be built up. Hence, this project has important scientific significance and application value.

为了保证半导体芯片、MEMS、微流、细胞操作等纳米制造过程达到高效率、高产出，要求基于柔顺机构的纳米定位平台具有高速、高精度定位运动的技术特征，这对其运动控制带宽提出了要求。增大系统阻尼可以有效提高运动控制带宽，但是现有纳米定位平台的主动阻尼与被动阻尼控制方法在调和模态阻尼与有效驱动能力的关系、非振型峰值驱动点与阻尼增大效率的关系以及非共振区驱动敏捷性降低等方面存在不足。针对这些不足，本项目在内嵌局部谐振超结构单元的刚性构件/柔顺机构的模态阻尼增强机理、优化设计与控制方面展开研究，重点解决所提出的机构构件及柔顺机构的负质量密度/负泊松比模态阻尼增强机理及其对宽带控制算法性能的影响规律这两个科学问题。通过本项目的研究，可望构建内嵌超结构单元的机构构件与柔顺机构的模态阻尼增强的理论以及相应的设计与控制方法。因此，本项目研究具有重要的科学意义和应用价值。

为了保证半导体芯片、MEMS、微流、细胞操作等纳米制造过程达到高效率、高产出，要求基于柔顺机构的纳米定位平台具有高速、高精度定位运动的技术特征，这对其运动控制带宽提出了要求。增大系统阻尼可以有效提高运动控制带宽，但是现有纳米定位平台的主动阻尼与被动阻尼控制方法在调和模态阻尼与有效驱动能力的关系、非振型峰值驱动点与阻尼增大效率的关系以及非共振区驱动敏捷性降低等方面存在不足。针对这些不足，项目通过建立单/多相材料局部谐振单元及其动力学参数梯度分布阵列局部谐振模块离散动力学模型与频率响应解析表达，完成了其阻尼增强机理的研究；以二维柔顺导向机构以及XYZ并联柔顺机构构成的精密定位平台为研究对象，建立了内嵌梯度局部谐振单元的强模态阻尼柔顺机构动态设计方法与有限元仿真瞬态分析；建立了内嵌梯度局部谐振单元的XY/XYZ两种并联压电驱动柔顺定位实验平台，在PI（比例积分）与PI+IRC（积分共振控制）两种低阶控制器配置下，针对是否内嵌梯度局部谐振单元，完成了阶跃、圆轨迹、锯齿波、三角波、螺旋面等多种轨迹的不同扫描频率下的轨迹跟踪精度对比分析。通过这些研究工作，构建了内嵌超结构单元的机构构件与柔顺机构的模态阻尼增强的理论以及相应的设计与控制方法，并且表明在基于柔顺机构的精密定位平台的输出平台内嵌具有动力学参数梯度分布式特征的局部谐振单元，可以有效抑制平台低阶模态振动，改善其线性动力学性能。其科学意义在于面向有限设计空间、小附加质量、高频传感噪声约束情况，内嵌具有梯度分布局部谐振器可以有效改善低阻尼柔顺机构线性动力学性能，仅采用低阶控制器即可扩展有效扩展平台控制带宽，可应用于高速扫描与高速高精度微操作场景。