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作者

黃維維、王湘元、孟義軒、李琳琳、張鑫泉、任明俊、朱利民

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機 構

上海交通大學

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Citation

Huang W W, Wang X Y, Meng Y X, Li L L, Zhang X Q, Ren M J, Zhu L M. Design, modeling and control of high-bandwidth nano-positioning stages for ultra-precise measurement and manufacturing: a survey. Int. J. Extrem. Manuf.2024.6 062007.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad6ecc

撰稿 | 文章作者

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文章導讀

高帶寬納米定位平臺具有快速動力學響應、高運動剛度和納米級分辨率等特性，被廣泛應用于現代超精密、超快測量和制造領域。然而，驅動器非線性、導向機構低阻尼諧振和多軸交叉耦合效應給高帶寬納米定位平臺的設計、建模和控制帶來了巨大挑戰。近期，上海交通大學機械與動力工程學院朱利民教授及其科研團隊成員：黃維維博士后、王湘元博士生、孟義軒博士生、李琳琳博士后、張鑫泉副教授、任明俊教授在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發表《面向超精密測量與制造的高帶寬納米定位平臺設計、建模和控制研究進展》的綜述，系統介紹了高帶寬納米定位平臺在機械設計、系統建模、參數優化和運動控制等方面的研究熱點和最新進展，如圖1所示，并闡述了高帶寬納米定位平臺在超精密測量和制造領域的典型應用和未來展望，旨在為高速、高精度和高分辨率定位與運動領域研究提供參考。

關鍵詞

納米定位平臺；高帶寬；柔性機構設計；動力學建模；運動控制

亮 點

• 分析了高帶寬納米定位技術的研究熱點與難點；

• 綜述了高帶寬納米定位平臺在設計、建模和控制方面的研究進展；

• 總結了高帶寬納米定位平臺在超精密測量和制造中的應用；

• 探討了高帶寬納米定位技術的未來研究方向。

圖1高帶寬納米定位平臺在設計、建模和控制方面的研究綜述。（插圖）經許可使用。版權所有（2012）AIP Publishing；版權所有（2022，2023）Elsevier；版權所有（2012，2017，2019，2020，2021，2022）IEEE；版權所有（2020）ASME。

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研究背景

高帶寬納米定位平臺借助其高定位精度、納米級運動分辨率和千赫茲級工作頻率被廣泛應用于原子力顯微鏡、快速刀具伺服等現代超快、超精密測量和制造裝備，在高性能光學、半導體、微機電系統制造以及生物、化學、材料工程等領域發揮著重要作用。事實上，在過去幾十年里，納米定位平臺在設計和控制方面已經取得了長足的發展，但相關研究主要聚焦于傳統的低速納米定位平臺，難以滿足高速高精納米定位和運動的需求。例如，原子力顯微鏡中常將壓電陶瓷管作為驅動部件，但壓電陶瓷管的大慣性質量、磁滯非線性和低阻尼諧振模態等特性，導致其難以同時實現高速和高精度運動。針對高速納米定位帶來的新挑戰，近年來國內外學者在高帶寬納米定位平臺的設計、建模和控制等方面開展了大量研究工作，并在超精密加工和測量領域得到了驗證。在本文中，朱利民教授等人對高帶寬納米定位技術的研究現狀進行了系統梳理和詳細介紹。

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最新進展

最新進展主要分為四個部分：高帶寬納米定位平臺的機械設計，系統建模，高帶寬運動控制和在超精密加工與測量中典型應用。高帶寬納米定位平臺通常由高速超精密驅動器、高分辨率柔性導向機構、高性能位移傳感器、機電系統和運動控制系統五個部分組成。首先，需要對其各功能部件和機械結構進行選型和設計。然后，基于機械設計結果對納米定位平臺的動力學行為進行建模，從而在預設性能指標下實現驅動器和柔性導向機構參數的優化設計。最后，針對納米定位平臺固有的非線性、線性動力學特性和抗擾性能等設計高帶寬運動控制器，實現高帶寬納米定位平臺的高速、高精度和高分辨率定位和運動。

高帶寬納米定位平臺的機械設計主要包含驅動器選型和柔性導向機構設計兩個部分。常用的高速超精密驅動器包括壓電陶瓷驅動器、磁致伸縮驅動器和法應力電磁驅動器三類。其中壓電陶瓷和磁致伸縮驅動器目前都有商用成熟的產品可供選型，法應力電磁驅動器則需要根據行程、諧振頻率等指標需求進行機械設計。柔性導向機構是利用材料的彈性變形來實現具有納米級分辨率的運動導向，通常采用多條分布式或集中式柔性支鏈，經過雙平行四邊形布置來實現單軸方向的直線運動導向。在多軸柔性導向機構設計方面，通常將單軸柔性導向支鏈通過串聯或并聯的方式構建多軸直線運動導向，如圖2所示，因此多軸柔性導向機構可以分為串聯型、并聯型和串并混聯型三類。

圖2用于納米定位平臺直線運動導向的多軸柔性機構分類。經許可使用，版權所有（2012）AIP Publishing；經許可使用，版權所有（2007，2012，2013，2018，2022）IEEE。

納米定位平臺的綜合動力學模型旨在完整描述納米定位平臺開環系統的復雜動力學行為，從而為其內部運作機理分析、結構參數優化和控制器設計提供理論基礎。現有的研究已經構建了壓電驅動、磁致伸縮驅動和法應力電磁驅動納米定位平臺的綜合動力學模型，如圖3所示。這些動力學模型基于對應納米定位平臺的實際物理硬件構建，包含電路/電磁子模型和機械子模型兩個部分，且兩個子模型之間存在明顯的耦合關系，因此納米定位平臺系統呈現極為復雜的機電耦合或電磁機耦合特性。此外，通過對時域綜合動力學模型進行拉普拉斯變換發現：對于三種不同驅動方式的納米定位平臺，其頻域綜合動力學模型均可用Hammerstein型結構進行描述，即可以等效為一個靜態磁滯非線性模型與一個線性動力學模型級聯。該性質對納米定位平臺的模型辨識和控制器設計具有重要的指導意義。

圖3不同驅動模式下納米定位平臺的綜合動力學模型。經許可使用，版權所有（2012）IEEE；經許可使用，版權所有（2013）IOP Publishing；經許可使用，版權所有（2022）Elsevier。

高帶寬運動控制高帶寬納米定位平臺固有的磁滯非線性、低阻尼諧振振動、多軸交叉耦合、以及閉環系統相位滯后等問題，為其跟蹤精度和跟蹤帶寬的提升帶來巨大的挑戰。相比于采用電荷控制或增加額外阻尼裝置等硬件修改方法，基于數字信號處理的控制算法為解決這些問題提供了簡潔且有效的手段。面向納米定位平臺的高帶寬運動控制算法大致可以分為多自由度控制方法和學習類控制方法兩類。其中，多自由度控制方法由多個相對獨立的子控制器組成，如圖4所示，每個子控制器可分別進行設計且用于處理某一類的控制問題。例如，磁滯補償器用于抑制納米定位平臺的磁滯非線性，振動控制器用于增強納米定位系統的阻尼從而提高反饋控制增益。學習類控制方法則是將納米定位平臺的參考軌跡信息集成到控制器設計中以進一步提升跟蹤性能。納米定位領域常用的學習類控制方法包括重復控制、迭代學習控制和基于逆模型的迭代學習控制等。

圖4高帶寬納米定位平臺的多自由度控制方法：（a）磁滯補償器；（b）振動控制器；（c）跟蹤控制器；（d）相位滯后補償器；（e）抗擾控制器；（f）交叉耦合補償器。（a）經許可使用，版權所有（2012）AIP Publishing；經許可使用，版權所有（2011）IEEE。（b）經許可使用，版權所有（2009）ASME；經許可使用，版權所有（2017）Elsevier；經許可使用，版權所有（2009）IEEE。（c）經許可使用，版權所有（2009，2022）IEEE；經許可使用，版權所有（2022）Elsevier；經許可使用，版權所有（2009）IEEE。（d）經許可使用，版權所有（2017，2022）IEEE。（e）經許可使用，版權所有（2009，2015）IEEE。（f）經許可使用，版權所有（2014，2022）IEEE。

高帶寬納米定位平臺的典型應用在超精密測量領域，高帶寬納米定位平臺被廣泛用于替換傳統壓電陶瓷管以實現原子力顯微鏡XY軸的高速掃描運動或Z軸方向的探針高頻振動，如圖5（a）所示。在超精密制造領域，高帶寬納米定位平臺被用于設計快速刀具伺服系統，如圖5（b）所示，通過賦予金剛石刀具單軸或多軸方向的高頻振動能力來提高刀具伺服系統的加工精度、效率和能力。

圖5應用于（a）原子力顯微鏡和（b）快速刀具伺服的典型高帶寬納米定位平臺。（a）經許可使用，版權所有（2016）Elsevier；經許可使用，版權所有（2011）AIP Publishing；經許可使用，版權所有（2011，2017，2017）IEEE。（b）經許可使用，版權所有（2014，2022，2023，2023）Elsevier；經許可使用，版權所有（2019）MDPI；經許可使用，版權所有（2019，2022，2023）IEEE。

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未來展望

高帶寬納米定位平臺及其關鍵技術已逐漸成為高速超精密應用領域的核心技術，盡管該領域已經取得了較多的研究成果，但隨著超精密測量和制造向著多尺度、智能化、極端化方向發展，未來仍然面臨諸多挑戰。其未來前景主要包括以下幾個方面：運動行程和諧振頻率是相互制約的性能指標，為了滿足這兩種性能的自適應調整，需要研究性能可調的納米定位平臺，為了打破兩種指標之間的制約，需要研究宏微驅動納米定位平臺；已有的高帶寬控制方法需要參考軌跡的先驗信息才能實現高頻軌跡的精密跟蹤，因此需要研究參考軌跡或干擾未知情況下的高帶寬控制方法；機器學習方法在描述非線性系統方面具有巨大潛力，但較大計算量嚴重制約了該方法在實時控制方面的應用，因此具有低計算成本的數據驅動控制方法是目前高帶寬納米定位控制領域的重要研究方向；在超精密測量和加工領域，納米定位平臺的末端執行器與樣本或工件的接觸力包含豐富的過程信息，為了充分利用這些信息以提高測量或加工性能，需要研究力位混合控制的高帶寬納米定位平臺。

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作者簡介

朱利民

上海交通大學

朱利民教授是上海市網絡化制造與企業信息化重點實驗室主任、教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授、國家杰出青年科學基金獲得者、國家“萬人計劃”科技創新領軍人才、國家重點研發計劃項目首席、中國機械工程學會極端制造分會副主任委員、美國機械工程師學會會士、國際納米制造學會會士。長期從事精密超精密加工與檢測方面的研究，主持國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金重點項目、國家科技重大專項課題等科研項目40余項。擔任IMechE, Part B: JEM、IJEM、CJME等七份國際學術期刊的副編輯和編委。由科學出版基金資助出版專著1部，發表SCI論文340余篇。以第一完成人獲教育部自然科學一等獎1項，作為主要完成人獲國家自然科學二等獎和國家科技進步二等獎各1項。

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關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區。

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿:作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關利超

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