介绍了一种新型的基于垂直扫描的精密三维工作台,它由一个自带计量系统的二维工作台和一个垂直扫描工作台组成。垂直扫描工作台放置在X-Y二维工作台上方。当测量工件时,闭环控制系统控制二维工作台的位移,同时Z方向伺服电机和压电陶瓷驱动器驱动垂直扫描工作台去实现垂直方向上的精确定位。衍射光栅位移传感器用于探测垂直扫描工作台的垂直位移量。

设计一种以压电陶瓷为驱动,通过柔性机构放大输出位移的精密定位工作台。给出了该精密定位工作台的结构模型,建立了精密定位工作台的位置输入输出方程,分析和计算了柔性铰链微位移放大机构的位移放大倍数。通过仿真确定工作台各自由度的变形量与压电陶瓷驱动器伸缩量之间的关系与运动特性。结果表明,该精密定位工作台能实现定位误差为0.1μm的高精度定位。通过与3点支撑微位移放大机构工作台的比较,显示出4点支撑微位移放大机构工作台可减小交叉耦合的影响。

由于压电陶瓷驱动器（PZTA）具有体积小、位移输出精度高等优点，因而它在超精密定位和微机电系统（MEMS）中得到了广泛的应用，但其本身固有的非线性和迟滞等缺陷，降低了其位移输出精度。为了克服这些缺陷，采用开环二进制控制原理控制PZTA，不仅可以有效地克服其非线性和迟滞缺陷，使PZTA的位移输出精度达到±26．9nm，而且无需反馈控制回路和检测元件，使控制系统结构简单，降低了成本，便于集成到MEMS中。

性能良好的驱动电源是实现压电陶瓷驱动器高精度定位的关键。基于集成高压运算放大器的直流放大式压电陶瓷驱动电源,具有集成度高,体积小,可靠性好等突出优点;但运放的发热问题,是影响其应用和发展的一个重要因素。对一种基于PA93功率运算放大器的压电陶瓷驱动电源,进行了实验性的研究,采用半导体制冷片和ALT-PT100贴片式温度传感器构成温度闭环控制系统,通过改变制冷片外加电源的极性和电压大小,将集成高压运算放大器的工作温度控制在一定范围内,可有效降低压电陶瓷驱动电源输出电压的纹波到7.8mV,提高了电源输出电压的精度。找到了温度对电源输出电压精度影响的规律,为如何进一步提高压电陶瓷驱动电源输出电压的精度,实现压电陶瓷驱动器高精度的定位控制,提供了科学的方法和依据。

压电陶瓷驱动器在较高电场的作用下将产生严重的非线性，从而影响其定位精度。压电陶瓷驱动器的非线性不仅与材料的非线性、蠕变、滞后等因素有关，还与器件的动态响应特性有关。动态响应的迟滞非线性是影响压电式微位移驱动器控制性能的一个关键因素，直接关系到控制精度的提高。该文采用前馈控制同数字比例、积分和微分环节（PID）控制相结合的复合控制算法对一维压电式微位移机构的控制过程进行校正补偿，建立了动态特性的闭环校正控制系统。实测结果表明，机构的动态响应时间显著缩短，实现了机构的快速响应。

研制了一台压电陶瓷驱动和弹性铰链导向的一体化微定位平台，该微定位平台具有高刚度、高响应速度和高分辨率等优点。为了克服压电陶瓷驱动器伸长量较小的不足，采用杠杆放大机构增加微定位平台的位移输出。考虑驱动电路的影响，建立了微定位平台的机电耦合模型。通过试验研究了微定位平台的静动态特性，试验结果表明微定位平台的分辨率为5nm，固有频率分别为143Hz和180Hz。该微定位平台可应用于纳米级的微定位。

为了实现二维平面纳米级定位,研制了一台压电陶瓷驱动和弹性铰链导向的一体化微定位平台.该微定位平台具有高刚度、高响应速度和高分辨率等优点.为了克服压电陶瓷驱动器伸长量较小的不足,采用杠杆放大机构增加微定位平台的位移输出.考虑驱动电路的影响,建立了微定位平台的机电耦合模型.通过试验研究了微定位平台的静动态特性,试验结果表明微定位平台的分辨率为5nm,固有频率分别为143Hz和180Hz.该微定位平台可应用于纳米级的微定位.

研制了一种六维宏微位移可控精密工作台.设计中采用粗精分离的原则,有利于提高工作台的精度,并减小了研制难度.宏位移使用精密燕尾导轨结构.微定位系统使用了压电陶瓷驱动器、柔性铰链和计算机控制,使系统具有极高精度的补偿定位能力.该工作台可在100mm范围内运动,平移分辨力为0.05(m,转动分辨力为0.3″.

基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面形,用于中小口径非球面镜加工。为优化设计基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,利用有限元分析方法,计算各驱动器的影响函数,计算非球面能动抛光盘的输出面形,与理论面形比较得到剩余残差。以优化设计驱动器排布方式和极头直径为例,当非球面能动抛光盘中心到非球面工件中心的距离L为120mm,分别计算比较,极头直径为Φ10mm时,19单元PZT圆形排布与21单元PZT方形排布的剩余残差;以及19单元PZT圆形排布时,极头直径为Φ10mm与Φ14mm的剩余残差。结果表明,非球面能动抛光盘产生变形后的剩余残差RMS相应分别为0.303μm、0.367μm、0.328μm。因此,基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘确定选用19单元PZT圆形排布且极头直径Φ10mm。

宏微复合平台常应用于大行程运动和高精度定位的场合。基于对宏微复合驱动技术的的分析及研究，提出了一种音圈电机与压电陶瓷复合驱动的宏微复合运动平台结构，其中微运动平台采用压电陶瓷驱动和弹簧预紧，具有结构简单、分辨率高、刚度高和响应速度快等优点。针对微运动平台的主动控制问题，考虑压电陶瓷驱动器驱动电路以及滑块与摩擦复合作用的影响，建立微运动平台动态模型。通过微运动平台动态特性的实验研究，分析滑块与摩擦复合作用对微运动平台平稳性的影响。结果表明，该模型可快速缩短平台到达稳定的时间，满足平台精密定位要求。