按照图7-2给出的几何模型，研制了单自由度宏宏复合微纳运动系统试验台，如图7-14所示。工作台行程为280 mm，负载质量Mt=7.8 kg，高精度螺母旋转型滚珠丝杠副导程ph=5 mm，电机型号为MHMJ042G1D-Panasonic，光栅尺型号为Mercury Ⅱ 6000，最高分辨率可设置为1.2 nm，运动控制器选用固高TS-800-SV-PCI-G。同时，选用雷尼绍RLE 10光纤激光尺（RLD 10差分激光头、RLU 10激光装置、RCU 10实时补偿系统）及研华PCI总线式多通道数据采集卡构建其运动位移测量系统，用于检验系统低速运动性能。试验中设定光纤激光尺的采样频率为10kHz。
图7-14 单自由度宏宏复合微纳运动系统试验台
低速运动性能试验采用最大跟踪误差、平均跟踪误差和跟踪误差的标准偏差来评价各驱动进给系统的低速进给性能。它们的定义如下。
（1）最大跟踪误差：式中：z1（i）——各点的跟踪误差；
N——采集的数据信号的数量。
（2）平均跟踪误差：
（3）跟踪误差的标准偏差：
2.宏宏复合微纳运动系统过渡阶段速度特性分析
过渡阶段是指工作台由正向（反向）匀速进给过渡到反向（正向）匀速进给的阶段。宏宏复合差动模式下两个宏动速度参考指令：SDSS的速度参考信号设为v1，NDSS的速度参考信号设为v2。工作台的运行速度指令信号设为vt，vt=v1-v2。对于单自由度宏宏复合微纳运动系统工作台，为便于获得差动低速性能，这里对SDSS工作模式、SDSS-NDSS复合差动模式下的过渡过程进行分析。SDSS工作模式下，只有丝杠电机驱动，螺母电机处于制动状态，这时相当于常规的伺服系统。
SDSS工作模式下过渡阶段驱动轴速度分布如图7-15所示，其中vi指工作台某时刻的速度，vc指工作台临界速度，旋转运动的驱动轴和直线进给的工作台都经历了匀加速、匀速、匀减速进给三个周期。临界速度以外的区域是相对高速区，临界速度以内的区域是相对低速区。临界速度设置为1.0 mm/s时，在丝杠或螺母各自单独驱动工作时工作台运动一直处于低速区，这时其低速性能受非线性摩擦的影响较大。工作台在单轴驱动模式下需要改变方向时，因速度过零时驱动轴需要穿过受强非线性摩擦影响的爬行过渡区两次，导致速度出现了较大的超调。
在SDSS-NDSS宏宏复合差动模式下，SDSS和NDSS均工作在相对高速区，如图7-16所示，工作台换向时，螺母驱动轴转速的大小和方向均保持不变，丝杠驱动轴先匀减速到和螺母驱动轴转速大小一致，此时工作台理论上保持静止，丝杠驱动轴继续匀减速，这时工作台理论上开始反向运动，整个过程中，两驱动轴转速都在相对高速区，所以两驱动轴都不需要穿过非线性爬行过渡区。
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图7-15 SDSS 工作模式下驱动轴速度分布图
图7-16 SDSS-NDSS宏宏复合差动模式下驱动轴速度分布
在SDSS和SDSS-NDSS两种工作模式下，工作台等时间间隔获得vt=±1.0 mm/s的正反运动的试验结果如图7-17所示。试验结果表明：在宏宏复合差动工作模式下，工作台的速度超调明显小于SDSS单轴驱动模式的结果，根本原因在于工作台没有受到非线性摩擦干扰的影响。
3.匀速进给试验研究
对于工作台低速性能测试，为了对比分析SDSS和SDSS-NDSS两种驱动模式在强非线性摩擦影响下的性能，将工作台的进给速度降低到小于驱动轴的Stribeck速度，从而使非线性摩擦干扰的影响被放大。同时，在所有的试验中，根据前面的仿真结果，v2设置为20 mm/s，以确保SDSS和NDSS两个宏动系统避开爬行过渡区工作。这样对于工作台的匀速试验值，分别取工作台速度vt=1.0 mm/s、0.75 mm/s、0.5 mm/s、0.2 mm/s，进行速度跟踪试验。不考虑过渡区域，匀速进给阶段（0.1～1.9 s）的速度跟踪误差如图7-17至图7-20所示。两种模式下系统的速度跟踪误差对比见表7-4。从这些结果可以看出，系统在SDSS-NDSS模式运行的低速性能和SDSS模式的相比，具有良好的跟踪性能，跟踪性能有近45%的提升。尤其在vt=0.2 mm/s时，宏宏复合微纳运动系统的工作台速度平均跟踪误差只有单驱动系统的30%左右。值得注意的是，单驱动系统具有大的速度波动，说明其已经达到了极限。根据试验结果，我们可以得出这样的结论：宏宏复合微纳运动系统和典型单驱动伺服系统相比，具有更好的低速微量运动均匀性和平稳性。
图7-17 试验结果（vt=1.0 mm/s）
图7-18 试验结果（vt=0.75 mm/s）
图7-19 试验结果（vt=0.5 mm/s）
图7-20 试验结果（vt=0.2 mm/s）
表7-4 SDSS和SDSS-NDSS模式下的速度跟踪误差对比
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