关键技术问题：压电超声直线电机精密运动平台

压电超声直线电机精密运动平台亟待解决的关键技术问题主要体现在如下几个方面。

1.高硬度摩擦副的接触匹配问题

利用压电超声直线电机的速度快、位移分辨率高、直接驱动的特点，来研发亚微米甚至纳米级定位精度的大行程精密运动平台是压电超声直线电机一个重要发展方向。但是，压电超声直线电机是由摩擦驱动的，而摩擦会引起磨损，尤其是定子驱动足端部，长期的磨损可能会改变压电超声直线电机的接触面的表面形貌、接触压力等参数，从而改变电机的工作性能；另外，接触压力的积累可能导致电机变形，这些都是阻碍精密运动平台精度进一步提高的因素。因此，现在通常在驱动精密运动平台的直线超声电机定子驱动足及平台的配合面上粘贴高硬度的摩擦材料，如氧化锆、氧化铝陶瓷条/块。在实际工作状态下，对高硬度摩擦副压电超声直线电机的接触界面上的高频冲击行为的过程进行研究就显得非常必要，它直接关系到如何提高压电超声直线电机的工作效率、寿命及其稳定性、可靠性问题。而高频冲击/摩擦传动这种行为本身非常复杂，甚至可能已不适合用库伦摩擦定律来解释，另外，以往的理论研究由于缺乏必要的实验手段来验证，因此存在着很大的局限性。

2.大推力驱动方法探索

由于压电超声直线电机的“零传动”驱动特点，动力源和工作台间不存在丝杠等机械传动的增力环节，也不存在降低惯性冲击力的缓冲环节，因此高端设备对驱动单元可以输出的驱动力大小、断电之后的自锁力大小及可靠性都提出了更高的要求。如何提高大行程精密运动平台的压电超声直线电机的推力、速度、可靠性及稳定性是目前亟待解决的问题。

3.高位移分辨率的进一步提升问题

压电超声直线电机精密运动平台位移分辨率的大小决定了其所能达到的最高定位精度，是衡量运动平台定位精度/运动精度的一个重要指标，因此有必要对平台设计、驱动等影响位移分辨率的因素及其影响的大小进行深入的研究。(www.xing528.com)

4.大行程快速定位与精准定位的矛盾

大行程快速定位必然要求驱动单元具有快速性，这样就给信号采样处理环节带来较高要求，因为一般的数据采集系统都有信号采样带宽的限制。高精度光栅/编码器在高速运行情况下，其输出的信号频率成倍增加，二者在系统设计的时候就需要仔细地权衡、协调。同时，由于惯性的存在，高速运动会引起很大的冲击、振动和噪声，可能导致过冲、超调现象。压电超声直线电机精密运动平台要达到微纳尺度级定位精度，则必然要把速度降低，反复调整，这就延长了整个控制过程的时间。因此，大行程快速定位与精准定准是一对难以调和的矛盾，对系统的总体设计和协调控制提出了更高的要求。

5.速度控制问题

虽然压电超声直线电机本身属于低速大力矩电机，但因为其直接驱动的精密运动平台需要很宽的速度调节范围，高速性能和低速性能要求都很高，而一般情况下压电超声直线电机的高速和低速阶段都不是其最佳工作范围，故靠调频调速的方法，其低速时功率往往急剧下降，这会严重影响大行程精密运动平台的低速负载性能。采用宏微结合的方式虽然可以部分解决这些问题，但会使得机械系统和控制系统都变得复杂，且实时性不佳。这需要在压电超声直线电机伺服驱动整个系统的设计、多模驱动方式的选择、系统控制等方面进行深入的研究。

除此之外，压电超声直线电机驱动的精密运动平台领域还有不少关键问题值得探讨。比如：压电陶瓷的温升、频漂、退极化、蠕变等时变非线性问题，会使得速度调节、位置跟踪与保持等变得困难；环境温度的波动引起精密运动平台的各构成组件膨胀变形不一致的问题；多自由度平台的各个自由度之间的相互干扰问题、误差叠加问题；等等。