随着科技发展，在社会需求拉动和技术进步推动的双重作用下，超精密加工和微细加工越来越受到重视，人类在制造领域中采用的尺度将由微米迈向纳米。在这个进程中，高精度的微进给平台是实现纳米级定位和加工的关键技术。当前，在微电子器件、光学器件、微机械的制造及特种材料加工等工程领域，已经对纳米级微进给平台提出了要求。微位移的产生是微进给平台的基础。在现有的方法中，利用电介质的机电耦合效应制成的微位移器件是理想的选择。压电陶瓷器件（PZT）存在逆压电效应和电致伸缩效应，利用压电陶瓷制成的微位移器具有体积小、控制灵活、性能稳定、无发热问题等优点，具有较高的步距分辨率、定位精度和动态响应速度，能够提供微进给所需的驱动力和进给刚度。本课题紧密结合先进制造技术的需要，以纳米制造技术为研究内容，着重研究了纳米级磨削辅助微进给平台的动态设计和制造、运动学和动力学建模以及静动态特性分析和闭环反馈控制方法等几个方面。
一、主要技术
1.为了在超精密磨削中实现微量进给的需要，设计了一台以压电陶瓷驱动器为动力源以弹性铰链作为预紧和导向机构的纳米级微进给平台。该平台利用三点确定一个平面的原理，采用成对称布置的三个压电陶瓷驱动器和三个电容式位移传感器构成微进给平台的驱动机构和反馈装置，可以实现z向的进给和绕x、y轴的旋转。
2.基于理论分析和有限元方法相结合的思想，对微进给平台的关键部件弹性预紧机构进行了设计和分析。首先在利用理论分析结果对弹性铰链的尺寸进行了预估的基础上，设计了由三个弹性铰链构成的预紧机构。然后利用有限元分析方法对此预紧机构进行了静动态特性的研究，得到了其在外力作用下的变形图以及固有频率和模态振型。
3.在微进给平台特性分析方面，利用有限元方法对微进给平台的整体静动态特性进行了详细的研究。首先对微进给平台在磨削力和驱动力作用下的位移和动平台的变形进行了分析，然后对微进给平台的动态特性进行了研究，得到了微进给平台的固有频率、模态振型和传递函数曲线。
4.在运动学和动力学建模方面，在对动平台的姿态进行描述的基础上，建立了微进给平台的正、逆解运动学模型和状态观测模型。进而得到了动平台所能实现的姿态空间及其在不同位置的变换规律。建立了微进给平台的动力学模型，利用拉普拉斯变换法得到了微进给平台在阶跃控制信号作用下的响应，并对各个控制通道的响应进行了仿真分析。
5.在热力学分析方面，基于有限元的热力学分析模块，建立了微进给平台在磨削温度场下的模型，并对磨削参数的影响进行了分析。得到了不同的冷却方式对微进给平台在磨削过程中温升和变形的影响进行了详细的研究。
6.在微进给平台的闭环控制方面，在对微进给平台的输入和输出的交联性进行分析的基础上，提出了前馈解耦的控制方法，使得多输入多输出系统变为多个单输入单输出系统，从而对每个单输入单输出通道进行闭环反馈控制。
7.在试验研究方面，对所设计的微进给平台的静动态特性进行了研究，得到了微进给平台的位移特性、静态刚度和动态特性。经与理论分析结果对照，二者吻合较好，从而验证了理论分析的正确性。本课题创造性地提出了利用三个压电陶瓷驱动器和三个电容式位移传感器构成的多自由度微进给平台。该平台不仅具有很高的z向刚度而且具有姿态调整能力，克服了以往单驱动器微动平台的姿态误差不能补偿的缺点。对所设计的微进给平台的静动态特性进行了理论和数值方法的研究。
二、仿真和试验结果
仿真和试验结果表明：该微进给平台具有高刚度、高位移分辨率和动态响应速度。该微进给平台既可以作为磨床辅助进给平台和磨床原进给系统组成宏微进给装置实现大行程快速定位和精密进给，也可以用作精密测量工作台。
三、技术指标
研制出一台三作动器微进给平台，技术指标达到预期要求：①分辨率：小于10纳米。②行程：12微米。③重复定位精度：小于100纳米。④动态响应频率：大于600Hz。⑤具有姿态调整能力。
当前，在微电子器件、光学器件、微机械的制造及特种材料加工等工程领域，已经对纳米级微进给平台提出了要求。微位移的产生是微进给平台的基础。在现有的方法中，利用电介质的机电耦合效应制成的微位移器件是理想的选择。
