Q：在討論運動控制和納米定位時如何定義精度？

A：“精度”是一個經(jīng)典的機械工程術(shù)語，其標準定義為：多次定位試驗結(jié)果相對于均值的離散度，由理想量具測量得出。

該定義在亞微米和納米級運動控制中卻不太適用。精度顯然受到硬件的經(jīng)典規(guī)格影響，但還有更多因素需要考慮。而哪些部分最重要，則由用戶的應(yīng)用定義，因此必須與能夠全面評估應(yīng)用的供應(yīng)商合作。

根據(jù)用戶需求，精度還包括以最小偏差穩(wěn)定控制速度和多維路徑的能力。除了重復(fù)性（穩(wěn)定返回同一位置的能力），還包括最小增量運動（常與傳感器分辨率混淆）以及準確性（實際位置與目標位置的接近程度）等因素。在某些應(yīng)用中，基于預(yù)設(shè)坐標和速度的路徑跟蹤可能不是最高優(yōu)先級，而根據(jù)特定外部反饋精確跟蹤目標可能更為重要。

準確性與重復(fù)性的圖形化表示

例如，某應(yīng)用可能要求光纖與激光二極管的耦合重復(fù)性為0.02dB，需通過統(tǒng)計有效測量進行驗證。雖然經(jīng)典的定位重復(fù)性很重要，但不足以達到此精度水平。更為關(guān)鍵的是運動控制器對準算法的性能。這些算法完成任務(wù)的速度也是一個關(guān)鍵考慮因素。應(yīng)對此類挑戰(zhàn)需要具備深厚專業(yè)知識的供應(yīng)商一一不僅精通運動控制，還了解更廣泛的應(yīng)用背景。因此，人們會將“運動控制框架下的精度定義”視為深入探討應(yīng)用及其目標的一部分。

Q：運動控制性能如何影響過程變異？

A：過程變異性直接受定位精度的影響。在這種情況下，必須考慮多個因素：機械組件（如軸承、傳動螺桿、材料組合和底板精度）、反饋裝置的類型和存在（或缺失）、電子器件的質(zhì)量與噪聲水平，以及負責(zé)生成和校正運動路徑的運動控制器性能。最終影響整體精度和過程變異的其他因素，包括傳感器數(shù)據(jù)的準確性，以及系統(tǒng)用于生成或適應(yīng)運動的其他信息。

可配置的柔性多軸運動系統(tǒng)，包含基于EtherCat的ACS運動控制器?；诨◢弾r的運動系統(tǒng)常被用于激光加工應(yīng)用。

Q：哪些行業(yè)最依賴精密定位和運動控制？

A：精密運動控制在以下過程中至關(guān)重要：在準確、一致和可靠的運動和定位性能中，即使微小的偏差也可能導(dǎo)致失敗或低良率。示例如下：

激光加工/處理：定位臺、快速轉(zhuǎn)向鏡或振鏡掃描儀的精度直接影響工藝質(zhì)量。操控不精準的定位器（即重復(fù)性差、路徑和速度控制不佳）會導(dǎo)致部件尺寸偏差和良率低下，經(jīng)典問題如激光鉆孔中產(chǎn)生帶多余凸點的橢圓孔而非利落的圓孔，或側(cè)壁出現(xiàn)非理想錐度，這是因為控制器或機械結(jié)構(gòu)無法補償形成所需的側(cè)壁輪廓，當(dāng)產(chǎn)量增長時，這些誤差會被放大。 顯微鏡：掃描或切片樣本后返回指定點（如用于進一步分析）的能力取決于定位器的重復(fù)性性能?，F(xiàn)代顯微鏡平臺可提供納米級的重復(fù)性精度。

光子學(xué)：光子集成電路（PICs）需求預(yù)計將在近期增長三個數(shù)量級。定位和識別最佳對準點的能力取決于定位器掃描光子耦合并可靠返回到觀測或計算的最大光子通量點的能力。自動對準、測試及組裝設(shè)備需達到數(shù)十納米精度，才能實現(xiàn)性能目標。

用于數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的運動系統(tǒng)，將IMEC 6通道光纖陣列對準硅集成電光接收器。

半導(dǎo)體制造：高精度運動控制在光刻、晶圓測試與組裝中至關(guān)重要，即使是個位數(shù)納米的誤差也會影響產(chǎn)品質(zhì)量。

航空航天：用于衛(wèi)星間自由空間光通信的光束導(dǎo)向系統(tǒng)，以及攝像頭與光學(xué)組件的對準，均需要高精度。

光學(xué)元件：高精度光學(xué)元件的制造需對多鏡頭系統(tǒng)進行主動光學(xué)對準，從手機攝像頭到現(xiàn)代光刻系統(tǒng)用的高度復(fù)雜鏡頭和反射鏡，通常需要納米到亞納米級精度。

Q：精密運動控制的進步在哪些實際應(yīng)用中產(chǎn)生了顯著影響？

A：半導(dǎo)體技術(shù)：現(xiàn)代社會高度依賴半導(dǎo)體，尤其是CPU、微控制器和內(nèi)存模塊等集成電路。眾所周知的摩爾定律物理尺寸縮減推動了性能與處理能力的提升，以及單位晶圓產(chǎn)出更多芯片帶來的成本下降。這一切的實現(xiàn)，依賴于運動控制重復(fù)性的不斷提升，即達到亞微米乃至納米級別。20世紀60年代的第一批微處理器的結(jié)構(gòu)尺寸約為10微米，而最新一代芯片已縮減至個位數(shù)納米。如果沒有運動控制、精密機械和光學(xué)領(lǐng)域的持續(xù)進步，這一切是無法實現(xiàn)的，AI與自動駕駛車輛也仍將是科幻小說中的內(nèi)容。

用于半導(dǎo)體應(yīng)用的柔性導(dǎo)向XY壓電納米定位臺。

測量精度本身也需要精度。坐標測量機（CMM）及其他計量與檢測系統(tǒng)的運動控制系統(tǒng)，其分辨率與精度通常需要高于被測設(shè)備10倍。精密計量確保公差達標，降低缺陷概率。高精度光學(xué)元件的計量應(yīng)用關(guān)鍵在于精確測量其曲率與表面平滑度，因為任何微小瑕疵均會引發(fā)光線畸變，最終影響光學(xué)性能。

超分辨率掃描顯微鏡：納米定位掃描技術(shù)與精密運動控制的進步，實現(xiàn)了能夠?qū)ι顒拥募{米級精細結(jié)構(gòu)進行成像的光學(xué)分辨率。這實現(xiàn)了分辨率上的巨大飛躍，比受衍行射極限約束的經(jīng)典靜態(tài)顯微鏡高出數(shù)個數(shù)量級。

DNA測序：若沒有運動平臺與控制器在精度和速度方面的最新進展，基因組分析的廣泛應(yīng)用將無從談起。其典型配置通常需要三軸聯(lián)動：XY平面負責(zé)掃描樣本，而Z軸則借助高速聚焦平臺，確保最佳光學(xué)分辨率與最大檢測通量。

眼科手術(shù)：能夠精確同步激光輸出和運動路徑的運動系統(tǒng)和控制器，是成功進行激光眼科手術(shù)的前提。

TIRF顯微鏡示例——GATTAquant公司的GATTAscope采用壓電技術(shù)實現(xiàn)納米級位置分辨率 （圖片來源： GATTAquant）。

Q：實現(xiàn)高精度運動控制系統(tǒng)的典型障礙有哪些？

A：當(dāng)然，最大的挑戰(zhàn)在于這些應(yīng)用的成功不僅僅依賴于精度。多種因素共同作用，包括對環(huán)境及運動本身所誘發(fā)振動的控制。理想情況下，運動控制供應(yīng)商應(yīng)扮演咨詢合作伙伴的角色，充分利用其在同類應(yīng)用中積累的豐富經(jīng)驗。

通常，精度要求越高，所面臨的挑戰(zhàn)也呈倍數(shù)增長。諸如摩擦、空回、振動及軸承噪音等機械問題十分常見。解決這些問題的最佳方案包括采用無摩擦的空氣軸承或磁軸承、柔性鉸鏈，以及無摩擦的直接驅(qū)動機構(gòu)（如線性電機或 扭矩電機）或壓電促動器。

振動：振動是另一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)，其來源包括外部環(huán)境以及系統(tǒng)內(nèi)部組件（如電機和軸承），也可能由快速的加減速或不平穩(wěn)的速度控制所引發(fā)。針對這些影響性能的振動，可通過剛性設(shè)計、智能控制算法（如輸入整形、伺服增強或納米PWM驅(qū)動）或集成機載消振單元予以抑制。外部地面振動可采用被動氣浮隔振或壓電主動隔振地板（如TMCStacis）進行抵消。

傳感器帶寬、分辨率與精度：編碼器的分辨率和線性度是系統(tǒng)主要的誤差來源，因此，采用高精度編碼器并結(jié)合基于高精度激光干涉儀校準的線性化（內(nèi)置于控制器固件），可有效補償上述誤差，顯著提升系統(tǒng)精度。

控制系統(tǒng)帶寬：帶寬限制可導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)遲緩、跟隨誤差增大及穩(wěn)定時間延長，因此，選擇具備高伺服更新速率與EtherCAT 通信架構(gòu)的系統(tǒng)是成功的重要基礎(chǔ)。

另一項挑戰(zhàn)在于，運動控制供應(yīng)商所提供的規(guī)格參數(shù)常與實際應(yīng)用需求脫節(jié)。以“重復(fù)性”為例，其常通過蜂窩圖進行展示：即進行N次單向運動后，再進行N次反向運動。在此測試中，重復(fù)性由每次前進步驟與對應(yīng)反向步驟間的位置偏差所反映。然而，該方法的局限在于整個測試僅包含一次反向運動，因此無法獲得N個數(shù)據(jù)點。相較于上述方法，ISO230-1標準提供了更為嚴格的測量規(guī)范。

另一種統(tǒng)計意義上更有效的方法為：從M個隨機偏移位置出發(fā)，每次偏移后執(zhí)行隨機運動并返回原點。通過大量重復(fù)M次試驗，記錄每次隨機偏移位置與返回位置之間的差值，最終可匯總為符合高斯分布的重復(fù)性統(tǒng)計圖。需注意的是，此方法中每一個數(shù)據(jù)點均包含一次反向運動！這正是大多數(shù)應(yīng)用的典型工作方式。盡管該測試流程較為耗時，但其能夠充分揭示運動系統(tǒng)的潛在缺陷。

多數(shù)精密運動控制應(yīng)用均涉及多方向運動，因此系統(tǒng)整體性能無法僅憑單一組件或平臺的數(shù)據(jù)表參數(shù)簡單推斷。此時，盡管多軸誤差映射技術(shù)實施較為復(fù)雜，卻能顯著提升多軸運動應(yīng)用中的定位精度。

另一項挑戰(zhàn)則是精度數(shù)據(jù)常以靜態(tài)形式呈現(xiàn)，而運動本身具有動態(tài)屬性。系統(tǒng)在30mm/s與500mm/s輪廓速度下，其表現(xiàn)可能截然不同。

Q：哪些環(huán)境條件會影響運動控制系統(tǒng)的精度？

A：如上所述，振動必須被控制在與應(yīng)用目標相適應(yīng)的水平。例如，若任務(wù)要求掃描分辨率達到0.5微米——這常見于生命科學(xué)、光子學(xué)及半導(dǎo)體等領(lǐng)域——則支撐結(jié)構(gòu)及所有相關(guān)元件的振動幅度必須低于此數(shù)值。同樣，可能引起微米級尺寸變化的熱波動也需嚴格控制。環(huán)境中的電氣噪聲是另一影響因素，它可能造成數(shù)據(jù)損壞，進而影響系統(tǒng)精度。

溫度變化會導(dǎo)致組件熱脹冷縮，影響公差與對準，尤其在系統(tǒng)采用多種材料時更為顯著，例如鋁制工作臺主體上安裝的鋼制軸承。這種情況可能引起導(dǎo)軌錯位，從而損害定位精度。在航空航天等低溫應(yīng)用中，低溫會增大軸承和絲杠的摩擦；而高溫環(huán)境則會影響潤滑劑粘度，降低其潤滑效果。

真空應(yīng)用需選用特殊材料與潤滑劑，并對所有盲孔進行排氣處理，以避免虛漏。

灰塵、濕氣、金屬顆粒等污染物也會嚴重損害運動與定位系統(tǒng)的精度及可靠性。它們可能引入額外摩擦、污染軸承和編碼器，甚至引發(fā)電氣干擾或機械磨損。這些污染物會導(dǎo)致性能下降、重復(fù)性降低，并增加維護需求，尤其在高分辨率或無塵室等敏感應(yīng)用中更為突出。因此，運動系統(tǒng)必須配備有效的防護設(shè)計，以盡量減少污染物的影響。 

對于高真空與超高真空環(huán)境下的運動系統(tǒng)，還需采用特殊材料并執(zhí)行更嚴格的測試，以確保其性能可靠。

Q：系統(tǒng)復(fù)雜性如何影響運動控制性能？

A：系統(tǒng)復(fù)雜性有時體現(xiàn)在管理多根線纜這類普通環(huán)節(jié)上，但每一根線纜都可能成為振動與多余力傳遞至應(yīng)用敏感部件的通道。復(fù)雜性也可能源于更多機械部件通過螺栓連接在一起，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛性下降，從而引發(fā)振動并引入其他誤差。此外，使用較長元件也是復(fù)雜性的體現(xiàn)，會產(chǎn)生扭矩，削弱剛度并降低共振頻率，進而延長穩(wěn)定時間。顯然，簡單、優(yōu)雅且緊湊的運動學(xué)設(shè)計在精度和整體應(yīng)用性能方面更具優(yōu)勢?？蓪Ρ?/span>6軸六足位移臺并聯(lián)運動方法與六個單軸平臺的堆疊。

通常，多軸運動系統(tǒng)在精度管理上更為復(fù)雜，因為各自由度的導(dǎo)引誤差會累積并影響所有相關(guān)軸的精度。舉例來說，若X軸線性平臺的運動產(chǎn)生1微米的非期望橫向跳動，即使Y軸本身線性精度無誤，其實際位置仍會相對于受控的指定位置偏離1微米。此類誤差可通過復(fù)雜的干涉 儀配置進行多軸誤差映射來修正。

兩種多軸定位系統(tǒng)方法的比較：基于六足Stewart平臺的6軸平臺并聯(lián)運動，與多個單軸平臺堆疊形成的串聯(lián)運動。

Q：在運動系統(tǒng)設(shè)計中可采用哪些策略來克服精度挑戰(zhàn)？

A：應(yīng)對運動系統(tǒng)中的精度限制，需采用針對誤差根本原因的先 進技術(shù)與策略。例如，若需在寬溫度范圍內(nèi)保持高精度，通常選用低熱膨脹系數(shù)（CTE）材料，如花崗巖、殷鋼、陶瓷或Zerodur（一種鋰鋁硅酸鹽玻璃陶瓷）。然而，材料之間的恰當(dāng)匹配同樣關(guān)鍵。例如，將殷鋼平臺栓接到鋁結(jié)構(gòu)上可能適得其反，因為鋁的熱膨脹可能導(dǎo)致殷鋼平臺發(fā)生彎曲。采用直接測量編碼器與無摩擦直接驅(qū)動電機，并盡可能靠近線性平臺中心安裝，有助于減少因扭矩作用于移動平臺而引發(fā)的測量誤差。中央安裝的線性電機還能進一步減小移動平臺的幾何誤差。

對于XY和XY-Rot-Z定位系統(tǒng)，采用平面設(shè)計可有效提高精度—一即所有軸均參照同一底板，此為并聯(lián)運動方法。該架構(gòu)在平面氣浮運動系統(tǒng)、磁懸浮平臺及壓電柔性鉸鏈平臺中表現(xiàn)優(yōu)異，其固有剛度高、無摩擦、幾何穩(wěn)定性好，共同促成精度提升。

平面XY氣浮平臺， 所有軸共用同一花崗巖底座；與堆疊式平臺系統(tǒng)相比，該并聯(lián)運動設(shè)計顯著降低了誤差累積。

在六自由度定位系統(tǒng)中，并聯(lián)運動六足位移臺相較于傳統(tǒng)堆疊設(shè)計具有明顯優(yōu)勢，包括更小尺寸、更高結(jié)構(gòu)剛度、可編程樞軸點，以及消除單軸累積導(dǎo)引誤差。此外，六足位移臺避免 了線纜拖鏈引起的摩擦與扭矩，進一步優(yōu)化了精度與動態(tài)性能。

外部計量系統(tǒng)（如激光干涉儀）可提供獨立于驅(qū)動機構(gòu)的直接位置反饋，從而將系統(tǒng)精度推向更高水平。

先進的控制算法與電流紋波極低的驅(qū)動器（如ACS NanoPWM驅(qū)動器）也有助于提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和分辨率。

外部計量誤差映射技術(shù)可在控制器中構(gòu)建誤差曲線，實時校正實際位置與理想位置之間的偏差。若控制器具備高帶寬與強大處理能力，此類校正甚至可在高速運動過程中實時執(zhí)行，而不僅限于運動終點。

氣浮旋轉(zhuǎn)平臺在誤差映射前后的定位誤差與重復(fù)性對比

最重要的策略之一是選擇與經(jīng)驗豐富的運動系統(tǒng)供應(yīng)商合作，其應(yīng)樂于分享知識，并能以應(yīng)用或項目的合作伙伴身份參與。除了在開發(fā)早期引入此類合作伙伴所帶來的益處之外，理想的供應(yīng)商還應(yīng)具備深厚的技術(shù)積累，以及能夠支持從初期探索至快速規(guī)?；渴鸬纳虡I(yè)模式。

Q：運動控制領(lǐng)域的哪些最新創(chuàng)新提高了精度？

A：在快速發(fā)展的硅光子領(lǐng)域，將光纖與激光器、微透鏡、波導(dǎo)和光纖陣列等組件對準需要納米級精度。對于大批量工業(yè)生產(chǎn)，對準速度和精度都至關(guān)重要。新型支持AI的對準算法和機制，已將對準時間縮短了數(shù)個數(shù)量級。

光學(xué)編碼器技術(shù)也在持續(xù)進步，最新型號可提供皮米級分辨率。運動系統(tǒng)的定位精度高度依賴于位置傳感器的性能。

PILightning光子學(xué)對準算法能夠?qū)⑹状喂獠东@時間縮短多個數(shù)量級。

其他改進包括將傳統(tǒng)伺服電機促動器與壓電機構(gòu)相結(jié)合的混合方法。這類系統(tǒng)采用共用的亞納米級分辨率直線光柵尺進行反饋，并利用專用伺服控制器分離控制信號一一將高頻分量發(fā)送至壓電驅(qū)動器進行精細校正，將低頻分量發(fā)送至伺服驅(qū)動器實現(xiàn)粗調(diào)運動。

該混合方案已被用于全球最大的光學(xué)望遠鏡—一特大型望遠 鏡（ELT）的兩千多個納米定位促動器中。每個鏡面段使用三個促動器，可實現(xiàn)個位數(shù)納米級的路徑精度。

基于人工智能與機器學(xué)習(xí)的運動控制算法也帶來額外優(yōu)勢。

在傳統(tǒng)反饋與前饋伺服方案中，抗擾動能力受限于系統(tǒng)伺服帶寬。然而，采用基于學(xué)習(xí)的運動控制等最新技術(shù)，能夠有效補償超出傳統(tǒng)帶寬限制的擾動，顯著降低穩(wěn)態(tài)抖動，改善擾動抑制能力，從而實現(xiàn)更卓越的整體運動性能。

控制算法的進步還能優(yōu)化步進和穩(wěn)定行為，減少跟隨誤差，并更有效地利用電機動力學(xué)特性。這些創(chuàng)新甚至能提升電機的力常數(shù)，使其運行溫度更低，或以更緊湊的外形尺寸實現(xiàn)更高性能——同時提升精度和系統(tǒng)能效。

使用V-551.4D線性電機納米定位平臺執(zhí)行的1納米步進（左）和0.5納米步進（右），該平臺配備高分辨率PIOne增量線性編碼器，并由NanoPWM驅(qū)動器驅(qū)動。

PWM伺服驅(qū)動器技術(shù)近期也取得進展—一特別是NanoPWM技術(shù)—一現(xiàn)已能達到與線性放大器相當(dāng)?shù)牡驮肼曀?，同時顯著降低成本、尺寸與重量。這種低噪聲特性使定位分辨率可低于1納米，因而成為超精密應(yīng)用的理想選擇。

多軸誤差補償是精密運動控制中的另一項關(guān)鍵創(chuàng)新。該方法利用復(fù)雜的工廠計量系統(tǒng)測量多自由度的定位誤差。所得誤差曲線存儲在控制器的補償表中，系統(tǒng)據(jù)此自動調(diào)整每一個運動指令，以校正各軸的已知偏差。整個過程對用戶完全透明，無需在操作中額外投入即可提升系統(tǒng)精度。

Q：精密運動控制領(lǐng)域的未來趨勢與創(chuàng)新有哪些？

A：更高精度傳感器的發(fā)展趨勢預(yù)計將持續(xù)，同時人工智能（AI）技術(shù)有望進一步優(yōu)化運動控制器的性能。通過集成壓電促動與氣浮軸承等互補技術(shù)，將有望實現(xiàn)亞納米級精度的長行程運動，滿足下一代半導(dǎo)體測試與制造系統(tǒng)的嚴格要求，從而不斷突破精密運動控制的極限。

磁懸浮技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)完全無軸承的六自由度運動，消除機械接觸與摩擦，使定位過程更為平滑且精確，非常適合要求與無塵室兼容、免維護運行及高動態(tài)性能的應(yīng)用。

結(jié)合壓電促動器的主動表面整形技術(shù)，可實現(xiàn)對表面平整度的精確調(diào)控，顯著提升關(guān)鍵光學(xué)與半導(dǎo)體晶圓應(yīng)用的精度。此外，智能促動器技術(shù)能夠主動抑制系統(tǒng)內(nèi)部振動，在不犧牲定位精度的前提下，支持更高的控制帶寬與通量。