基于非线性连接刚度的宏微复合平台高速精密运动实现原理研究

Under the influence of friction and the elastic deformation of the motion stage, the positioning accuracy of the traditional mechanical bearing high speed direct-drive motion stage can only reach the micron level, it is difficult to meet the requirement of high speed precision positioning (such as electronic packaging equipment, on-line inspection, there are a large number of submicron-level high-speed positioning Macro-Micro composite method is a common means to solve the contradiction between speed and precision of motion. At present, the global use the stacked macro-micro stages to achieve a long stroke of precision positioning, but there is micro-drive saturation, switching process coupling serious, low positioning efficiency, and the connection stiffness fixed, cannot adapt to the dynamic condition adjustment requirements. The project proposed to subvert the traditional design, the direct-drive motion stage is changed into the macro-scale and micro-scale stages through the nonlinear stiffness flexure hinge connection, and friction dead zone can be compensated by elastic deformation, by applying the dynamic optimization and active disturbance rejection control, the project can provide the theory supporting for greatly improve the moving speed and positioning accuracy. Specific studies include: 1) Research on the influence of the non-linear linear stiffness connection mode of macro-micro stages on the dynamic performance of the macro-micro stages; 2 The optimal configuration and realization method of nonlinear connection stiffness of macro-micro stages; 3 Effect of non-uniform friction and nonlinear elastic deformation on macro-micro stages;4) High speed precision motion control method of macro-micro stages based on active disturbance rejection control.

受摩擦和平台弹性变形影响，传统机械导轨高速直驱平台定位精度一般只能到达微米级，难于满足亚微米级的高速精密定位要求（如电子后端制造装备、在线检测中存在大量亚微米级高速定位需求）。宏微复合方式是解决运动速度与精度矛盾的通用手段，目前国际普遍采用叠层式宏微复合来实现大范围精密定位，但存在微驱动饱和、切换过程耦合严重，定位效率低，且连接刚度固定，无法适应动态工况调节需求等。本项目拟颠覆传统设计，将直驱平台改为非线性刚度柔性铰链连接的宏微复合平台，由弹性变形补偿摩擦死区，并通过动力学优化和自抗扰控制，为运动速度与定位精度实现量级提升提供理论支持支撑。具体研究包括：1）研究宏微平台非线线性刚度连接方式对宏微复合平台的动态性能的影响机制；2）宏微复合平台的非线性连接刚度优化配置与实现方法；3）非均匀摩擦与非线性弹性变形对宏微复合运动的影响规律；4）基于自抗扰控制的宏微复合平台高速精密运动控制方法等。

电子制造受摩尔定律约束，要求速度精度同步提升，目前已由微米级向亚微米级跃升，超出了机械导轨运动平台的精度极限。本项目首创刚柔耦合超精密运动平台技术，利用柔性铰链非线性刚度特性，实现宏微系统自适应切换控制（即在定位补偿阶段低刚度，高速运动过程中处于高刚度），突破了原有先宏后微、以宏带微的低效切换控制模式，获得2020年广东省专利金奖和2022年中国专利优秀奖。 .项目建立了柔性铰链非线性刚度的解析模型，揭示了非线性刚度对动态性能和疲劳寿命的影响规律。提出了基于位移均匀性和机械控制一体化设计的刚柔耦合平台设计方法。提出了非工作方向刚度增强的空间柔性铰链结构，上述成果均发表在机构学领域顶级期刊MMT上。.项目发明了刚柔耦合平台机械控制一体化设计的方法，并基于模型预测控制，实现了机械和控制参数的一体化设计。.项目提出了直线电机卧式驱动的非对称柔性铰链设计方法，实现了偏心驱动下的位移均匀分布，对标国际巨头美国Aerotech品牌Pro 190LM系列精密平台，定位误差降低了62.5%，精度提高近3倍。.在控制方法方面，提出了PID增益调度的控制方法，解决定位阶段与运动阶段模型不一致的问题。另外，针对柔性铰链刚度非线性特征，将非线性刚度线性化的误差引入扩张状态观测器估计，实现弹性扰动的实时量测补偿。.在驱动器方面，开发了DSP+FPGA架构的双反馈自抗扰驱动器，支持ABZ数字脉，海德汉绝Endat 2.2, 雷尼绍Biss-C和多摩川等常见的协议，FPGA双核同步测量，实现了柔性铰链变形量和变形速率的实时测量。量测与扰动估计复合，降低了扰动的带宽要求。.本项目还研究了刚柔耦合平台的磨损问题，通过建模仿真和导轨温升测量实验，验证了刚柔耦合平台能够大幅降低导轨的磨损，有助于精度保持，特别适合高频往复的电子制造操作。.发表期刊论文10余篇，其中SCI收录5篇，EI收录3篇。积极参加学术会议交流，发表会议论文9篇。申请发明专利23件，已获得授权发明专利10余件，专利转让产生收益80万元，横向技术服务20万元，共计100万元。