快速发展的生产过程推动了对运动控制系统的需求，可提供更高的精度，速度，分辨率和可重复性。作为响应，运动控制制造商释放了许多机构，位置和力反馈技术和机电致动技术。总之，这些创新正在使在自动化微机械加工应用的关键任务部署，激光加工，光学检查，光电子对准，半导体计量，和医疗设备和新的致动和反馈系统。
与此类似，这些运动控制技术的进步也在推动实验室研究市场，快速推进科学事业必要更精细和更快的运动控制。创新的机电执行和反馈技术推动了极高分辨率的显微技术，单分子生物物理调查，以及最新的材料和光电子的发展。
工程师可以访问各种精密电动定位系统，可提供对旅行，精度，可重复性和速度的极少限制。下面描述了一些更突出的电动精密定位系统。
图1.语音线圈线性电机致动器具有集成的高分辨率位置和力传感器，适用于自动化应用。图片信用：Physik仪器
机动线性致动器是在一个自由度内产生运动的高精度定位装置。它们通常不包括有效载荷的引导系统。虽然电动执行机构最吸引人的兴趣，千分尺驱动的执行机构也很常见，以及用于低精度应用的螺杆驱动、气动和液压变量。
通过将直流电动机(可以认为是一个旋转的直流电动机纵向切片和平铺)连接到直线导向和输出轴，可以实现非常高速的直接线性驱动。线性直流电机可以有大量的北/南磁对，取决于需要多少行程。它们在旋转电机的定子中起作用。沿着它们滑动来产生力的是三相线圈组件。相位以电子方式交换以产生所需方向上的平滑运动，确保长寿命。
一种相关类型的线性驱动器由音圈电机驱动——一对嵌套的圆柱形电磁线圈沿着相互的轴相互吸引或排斥。这些提供了25mm的行程，并为小负荷提供了高速度和加速度。这种机制的寿命很长。音圈驱动器(见图1)由于其高响应性，可以提供令人印象深刻的步进/静置时间，而且当可选的尖端力传感器集成在一起时，音圈驱动器的低摩擦轴承的运动轴直接驱动也提供了精美的力控制。
压电致动器代表一部大段的线性执行器。他们可以实现极其精细的定位分辨率，并以各种类型：
图2。行走式压电马达有四个或更多的陶瓷手指，按步进顺序驱动工件向所需方向运动。
压电致动器代表一部大段的线性执行器。他们可以实现极其精细的定位分辨率，并以各种类型：
压电叠层作动器是用金属电极进行专用陶瓷交织的层状结构。压电陶瓷可以通过应用电场以可控方式扩展。这些执行器提供短的行程范围（其长度的约1％），亚纳米矫正，高力和亚毫秒响应。这些是当今先进的纳米技术应用中的主要纳米技术应用，无论是在实验室研究和工业应用中，如半导体制造和基因组测序。压电堆叠的致动器是固有非磁性，固态和真空友好，具有无磨损的进程。
超声波Piezomotors是在它们的谐振频率的刺激下，典型地超过100 kHz的单片压电陶瓷的结构，从而使他们扑上的亚微米级。在谐振节点处形成或粘合的摩擦尖端将该浮动振荡传送到骑在轴承中的工作件。因此，工件经历了一个驱动它一个方向或另一个方向的力。这些电机可以在一个非常小的包装中获得多毫米的旅行和非凡速度。
惯性驱动器是另一种类型的压电马达，它使用微小的压电陶瓷元件在锯齿形模式下驱动，通过摩擦联轴器驱动轴或其他驱动元件。所述锯齿驱动的倾斜部分提供运动;快速缩回打破了联轴器的粘滞和被驱动元件不与压电陶瓷元件缩回。精心设计的惯性驱动可以实现无声的、几乎无级操作和长距离旅行，以及纳米级的精度，以及静止时的高稳定性自锁。
行走的压电镜使用四个或更多的压电陶瓷手指，按步进顺序驱动工件向所需的方向(见图2)。在步骤之间，可以实现亚纳米级驱动。高断电保持力和本质上无限旅行的特点是这些设计。通常的非磁性和真空友好属性适用。这些已经被证明是在敏感的光学定位应用程序中的使能者，在这些应用程序中，必须保持纳米稳定性仔细建立的位置。
机电执行器
机电执行器代表另一类执行器。这些通常基于由旋转电磁电动机驱动的线性轴通过引线螺母或球螺母驱动。电动机的旋转运动被转换为线性位移。致动器具有一般的圆柱形格式。小型版本用于更换微米或精密螺钉，促进自动致动。
机电致动器通常采用步进电机或直流伺服电机。步进电机在齿形周围定子内致动齿圈。最常见的类型 - 永磁步进电机 - 使用由磁化材料组成的转子。通过配置定子的磁绕组，使得其齿的基团可以特别磁化，转子通过部分激励绕组旋转。因此，可以实现产生微小或微步骤的驾驶模式，乘以电动机的踩踏分辨率。
直流伺服电机采用磁化转子在磁化定子，两者都有一个北极和一个南极。每个磁极相互吸引或排斥，使旋转向平衡方向。通过改变转子和定子的磁化,或两个电磁,比如通过切换他们的极性使用刷或电子交换方法,汽车可以自由旋转,编码器的位置反馈,提供精确定位异常的响应能力。无刷直流电机，采用电子换向而不是刷换向，提供了更高的寿命，特别是在高动态应用。
在这两种情况下，马达可以操作开环或闭环。一个步进马达可通过在任何一个方向提供实现它们的高概率的步骤和任何指定数量被致动，但肯定只能通过增加一个来实现位置编码器。旋转编码器跟踪旋转电动机的位置;线性编码器直接编码的驱动的线性轴的输出位置，从而消除了齿隙和其他错误，否则可能会在传动系积累在那里的旋转编码器不能观察它们。
线性或平移台建立在一个线性致动器的原理，但增加了一个平台或工件用于连接应用负载，或用于堆叠附加级，以形成多轴配置。该阶段的工件是具有用于引导的线性轴承精密部件。
线性平移台限制应用负载到自由的线性单程度。理想的线性阶段完全限制旋转的三个轴和翻译的两轴，从而允许运动仅在一个平移轴线。在现实中，没有完善的导向系统，并且每一个直线运动也将带来旋转/倾斜误差（角度偏差）和运动部件以两种不希望的线性自由度（跳动）的。电动线性阶段包括平台和底座，通过某种形式的导引或直线轴承的以这样的方式，该平台被限制成直线运动相对于所述底座接合。移动相对于固定基座平台的位置通常是通过某种形式的线性致动器来控制。
随着驱动器技术选项的扩展，线性阶段，结合最新的驱动器技术已经被引入。这些优点对于特定的应用非常重要，如非磁性驱动或封装尺寸的优点。例如，显微技术的最新发展提供了比典型的步进电机显微技术更高和更低的速度能力，它们结合了一个线性编码器，可实现100纳米尺度的双向重复性，所有这些都没有笨重的悬臂步进电机/丝杠组件，该组件从传统显微镜台的每个轴的一侧突出。
对于多轴的运动和定位，单个的定位阶段可以组合或平行运动的六脚，最多可以使用6个自由度的运动。
较小的是
需要在半导体和医疗器械行业的小型化也推动了对更小的运动系统的要求。小还意味着较低的质量和更高的加速度和吞吐量，尤其是与当今最先进的驱动技术相结合的潜力。
带压电源的线性定位阶段是一种新一代压电陶瓷线性电机，可实现纳米分辨率和毫秒的步骤和竖起时间的匹配箱到缩略尺寸的线性阶段。直接驱动避免了诸如齿轮和铅印的机械部件，使得可靠，高分辨率的驱动器降至几纳米。取决于驱动原理，实现高速，高力和/或高分辨率。
长途旅行为工业应用
在另一方面，一些工业自动化处理如平板测试，和激光加工，需要非常长的行进以高速和低偏斜误差过去一米。直线电机空气轴承阶段，已成为这些应用的标准。
空气轴承直线运动平台与平面XY阶段更换机械轴承与无摩擦空气膜和最大的吞吐量，同时提供高精度，特别是多轴运动。平面设计(见图3)使用一个参考基平面，X轴和Y轴上的磁性或真空预压冰球都在上面浮动。h桥，三电机设计提供最高的精度，并可以提高主动偏航控制，当配备三个线性编码器和先进的运动控制器。其好处是提高了正交性和直线度。空气轴承阶段通常由磁线性或扭矩电机驱动，提供平稳的运动，没有负面的齿槽影响。
图3。带有平面XY工作台的空气轴承线性工作台使用一个参考基平面，X轴和Y轴上都有磁性或真空预压冰球漂浮在该参考基平面上。
高速级与直线/扭矩电机直接驱动线性和扭矩马达也可以与机械轴承结合。这种组合通常在工业应用中使用时，运动的平滑度和直线度/平坦度不是很关键的，因为与空气轴承。线性马达结合的可靠性，精度和速度。它们的高动力学确保在测试系统中，例如，在半导体工业中的高通量的自动化的任务。它们也增加效率，例如，在电子产品生产/组装线或激光加工。
高分辨率线性编码器反馈：与旋转步进器和伺服电机和较低的精密旋转编码器一起运行的运动系统不同，线性电机需要线性位置反馈系统（参见图4）。线性编码器是数字位置换能器，其直接测量其发生的线性运动，而不是安装在驱动系的末端的旋转编码器。编码器尽可能接近感兴趣点读取实际位置，因此，有效载荷的最终精度和可重复性更高。
线性编码器通常实现亚纳米范围的分辨率，精度通常限制在每100毫米1微米。然而，如果用查查表或多项式误差校正进行校准和补偿，这可以通过现代控制器得到显著改善。
图4.具有高速超声陶瓷线性电机和线性编码器反馈的微型线性定位级。
旋转阶段组成一个相对于基座旋转的平台。平台和基座通过某种形式的轴承连接在一起，这限制了平台的运动只能绕单轴旋转。
可以采用各种电动机和驱动原理，从步进电机驱动的蜗轮设计到直接驱动闭环扭矩电动机。低调压电镜级提供自锁定能力，零抖动和漂移，需要休息时没有保持电流。
精密电动旋转工作台用于光纤对准、半导体检测、生物医学应用和x射线晶体学等应用。
空气轴承旋转阶段使用加压空气薄膜，在表面之间提供极低的摩擦承重界面。这两个表面不接触。由于它们是无接触的，空气轴承避免了传统轴承相关的摩擦、磨损、微粒和润滑剂处理问题，并在精密定位和高速应用中提供了明显的优势，消除侧隙和静摩擦是关键。
通常用于最高的精度和平滑的运动/速度，轴承旋转阶段提供超低跳动和摆动，以及极高的分辨率和重复性。P.搔痒、偏航、滚转在1角秒量级是可行的。没有摩擦消除了间隙，并给予空气轴承阶段高重复性。
测角仪是测量角度或允许物体旋转到精确角度位置的仪器。它们通常用于晶体学和x射线衍射来旋转样品，在光纤对准应用中也很有用。
定位测辐射计或焦管阶段是用于精确地旋转物体的装置，其围绕空间中的固定轴旋转。然而，它类似于线性级，而不是相对于其基部线性地移动阶段平台部分围绕平台安装表面上方的固定轴线旋转。定位测功仪通常使用蜗杆驱动器，该蜗轮固定到阶段平台的下侧的侧面啮合，在底座上用蠕虫。
六角洲
为了实现在多轴运动应用的微米和亚微米级精度，六足平行定位器已经变得流行。六足并平行运动机构（PKM）运动系统，有效地降低了传统串行运动堆叠阶段定位系统的占地面积，同时提高刚度和响应性。这与任意用户定义的旋转中心和大型清晰孔径一起，适用于用于 - 临界应用，包括激光加工，光子对准和医疗装置中的微加工和其他应用。
六角形，其最常见的形式由两个平台，固定基础平台和第二可移动平台组成，其通过六个独立的腿（支柱或链路）并联延伸和承包。一种类似的6轴设计，称为SpaceFab（参见图5），基于顶部平台，连接到具有三个无源支柱的三个XY线性阶段。它为六角形提供了类似的性能，但允许较低的轮廓和更长的XY行程范围（具有减小的角度运动）。
图5.小型化6轴平行运动学SpaceFab定位系统。
六个自由度使辅助平台能够通过腿部沿三个线性方向，横向（x）和纵向（y），垂直（z）和三个角度方向（俯仰，卷和横摆）移动。因此，六角形可以执行在相对紧凑的空间中涵盖总运动自由度的操作，具有高刚度，并且不会移动/清扫电缆可以破坏和污染。
真空相容定位器
真空应用正日益成为研究和工业制造许多领域更为重要。要求从真空水平跨越从10-3毫巴至10-9毫巴。而压电陶瓷驱动单元可以很容易地被修改为极端真空，电动的定位装置的越来越多也被成功地结合到其中需要较长的行程和高精度运动真空应用。
专门为真空操作开发的定位系统必须满足若干标准。由于真空室空间有限，选择合适的元件对定位系统的真空兼容性至关重要。定位装置的主体必须设计成放置在封闭的隔间中，以避免排气。孔和螺钉都需要通风，需要减小表面。必须避免气穴，如在下部安装，因为它们相当延迟泵下到目标压力，甚至使产生稳定的真空不可能。
本文由Stefan Vorndran和Scott Jordan从Physik Instrumente L.P.Vorndran撰写的是营销副总裁，而乔丹是纳外技术技术高级总监。
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