高带宽纳米定位平台研究综述：设计、建模与控制新进展
高带宽纳米定位平台研究综述：设计、建模与控制新进展
**高带宽纳米定位平台具有快速动力学响应、高运动刚度和纳米级分辨率等特性，被广泛应用于现代超精密、超快测量和制造领域。近期，上海交通大学机械与动力工程学院朱利民教授团队在《极端制造》期刊上发表综述文章，系统介绍了高带宽纳米定位平台在机械设计、系统建模、参数优化和运动控制等方面的研究热点和最新进展，并阐述了其在超精密测量和制造领域的典型应用和未来展望。
研究背景
高带宽纳米定位平台借助其高定位精度、纳米级运动分辨率和千赫兹级工作频率，被广泛应用于原子力显微镜、快速刀具伺服等现代超快、超精密测量和制造装备，在高性能光学、半导体、微机电系统制造以及生物、化学、材料工程等领域发挥着重要作用。然而，传统的低速纳米定位平台难以满足高速高精纳米定位和运动的需求。近年来，国内外学者在高带宽纳米定位平台的设计、建模和控制等方面开展了大量研究工作，并在超精密加工和测量领域得到了验证。
最新进展
高带宽纳米定位平台通常由高速超精密驱动器、高分辨率柔性导向机构、高性能位移传感器、机电系统和运动控制系统五个部分组成。其最新研究进展主要分为四个部分：机械设计、系统建模、高带宽运动控制和典型应用。
机械设计
高带宽纳米定位平台的机械设计主要包含驱动器选型和柔性导向机构设计两个部分。常用的高速超精密驱动器包括压电陶瓷驱动器、磁致伸缩驱动器和法应力电磁驱动器三类。柔性导向机构通常采用多条分布式或集中式柔性支链，经过双平行四边形布置来实现单轴方向的直线运动导向。在多轴柔性导向机构设计方面，通常将单轴柔性导向支链通过串联或并联的方式构建多轴直线运动导向，可分为串联型、并联型和串并混联型三类。
图2：用于纳米定位平台直线运动导向的多轴柔性机构分类
系统建模
纳米定位平台的综合动力学模型旨在完整描述纳米定位平台开环系统的复杂动力学行为，为内部运作机理分析、结构参数优化和控制器设计提供理论基础。现有的研究已经构建了压电驱动、磁致伸缩驱动和法应力电磁驱动纳米定位平台的综合动力学模型。这些动力学模型基于对应纳米定位平台的实际物理硬件构建，包含电路/电磁子模型和机械子模型两个部分，且两个子模型之间存在明显的耦合关系。通过对时域综合动力学模型进行拉普拉斯变换发现：对于三种不同驱动方式的纳米定位平台，其频域综合动力学模型均可用Hammerstein型结构进行描述，即可以等效为一个静态磁滞非线性模型与一个线性动力学模型级联。
图3：不同驱动模式下纳米定位平台的综合动力学模型
高带宽运动控制
高带宽纳米定位平台固有的磁滞非线性、低阻尼谐振振动、多轴交叉耦合、以及闭环系统相位滞后等问题，为其跟踪精度和跟踪带宽的提升带来巨大的挑战。面向纳米定位平台的高带宽运动控制算法大致可以分为多自由度控制方法和学习类控制方法两类。其中，多自由度控制方法由多个相对独立的子控制器组成，如图4所示，每个子控制器可分别进行设计且用于处理某一类的控制问题。学习类控制方法则是将纳米定位平台的参考轨迹信息集成到控制器设计中以进一步提升跟踪性能。
图4：高带宽纳米定位平台的多自由度控制方法
典型应用
在超精密测量领域，高带宽纳米定位平台被广泛用于替换传统压电陶瓷管以实现原子力显微镜XY轴的高速扫描运动或Z轴方向的探针高频振动。在超精密制造领域，高带宽纳米定位平台被用于设计快速刀具伺服系统，通过赋予金刚石刀具单轴或多轴方向的高频振动能力来提高刀具伺服系统的加工精度、效率和能力。
图5：应用于（a）原子力显微镜和（b）快速刀具伺服的典型高带宽纳米定位平台
未来展望
高带宽纳米定位平台及其关键技术已逐渐成为高速超精密应用领域的核心技术，尽管该领域已经取得了较多的研究成果，但随着超精密测量和制造向着多尺度、智能化、极端化方向发展，未来仍然面临诸多挑战。其未来前景主要包括以下几个方面：
- 运动行程和谐振频率是相互制约的性能指标，需要研究性能可调的纳米定位平台
- 已有的高带宽控制方法需要参考轨迹的先验信息，需要研究参考轨迹或干扰未知情况下的高带宽控制方法
- 机器学习方法在描述非线性系统方面具有巨大潜力，但较大计算量严重制约了该方法在实时控制方面的应用
- 纳米定位平台的末端执行器与样本或工件的接触力包含丰富的过程信息，需要研究力位混合控制的高带宽纳米定位平台
作者简介
朱利民教授是上海市网络化制造与企业信息化重点实验室主任、教育部“长江学者奖励计划”特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、国家重点研发计划项目首席、中国机械工程学会极端制造分会副主任委员、美国机械工程师学会会士、国际纳米制造学会会士。长期从事精密超精密加工与检测方面的研究，主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家科技重大专项课题等科研项目40余项。担任IMechE, Part B: JEM、IJEM、CJME等七份国际学术期刊的副编辑和编委。由科学出版基金资助出版专著1部，发表SCI论文340余篇。以第一完成人获教育部自然科学一等奖1项，作为主要完成人获国家自然科学二等奖和国家科技进步二等奖各1项。