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1、超精密定位技术超精密定位技术是 精密机械与精密仪器中的关键技术，无论大行程的精密定位，还是 小范围内的对准，都离不开精密定位技术，超精密定位系统包括超精密位移机构、检测装置与控制系统3部分。超精密位移机构使工作台产生运动，检测装置进行运动信息的采集和反馈，控制器通过反馈信息与目标信息进行比较产生控制信号，控制超精密位移机构的运动。
三维超精密定位系统与一维定位控制系统相同，由驱动机构、执行机构、测量传感机构和控制系统组成，三维系统的执行机构和传感机构可以通过使用一维直线定位系统进行3个方向的叠加而成，或通过其他藕合结构来实现，也就是 说三维定位系统中会出现3套或多套执行机构和传感机构，如何控制他们 共同工作达到精确定位，实现3轴联动是 该系统的一个主要问题。因此，在选择系统的位移执行机构、传感机构时完全可以参考现在已有的纳米级二维工作台和直线定位系统所采用的方案，而控制方法和控制器的选择则要考虑 选择适合控制多被控对象的复杂系统并能实现高精度控制的方案。
传统的“旋转电机+滚珠丝杠”驱动方式，从电机主轴到工作台之间存在许多中间环节，如联轴器、丝杠、螺母、轴承等。这些中间环节，不仅加大系统的转动惯量，影响系统运动特性，而且会产生摩擦、弹性变形、滞后和非 线性误差，影响加工精度。
直线驱动元件能够实现“直接驱动零传动”更适合应用于超精密定位系统。直线驱动系统消除了动力源和花岗石平台之间的所有中间传动环节。目前应用的超精密直线精密驱动元件主要有：直线电机、音圈电机、压电陶瓷驱动器和超声波电机。其中直线电机和音圈电机都是 通过电磁原理将电力转化为直线运动；压电陶瓷驱动器则是 利用原料的物理特性，实现直线推力输出；超声波电机利用压电陶瓷条的高频振动特性，利用干摩擦将微小振幅转化为连续输出，可以提供无行程限制的的连续直线位移输出，前2者的运动驱动力远大于后2种压电陶瓷驱动器。
从驱动技术的研究和应用程度来看，直线电机和压电陶瓷的运动学分析、控制技术都比较成熟，应用于超精密机床或者定位平台的研究也较深入，国内外许多家企业都有相关的产品出售，并达到较高精度。超声波电机在国内尚处于起步研究阶段，但在国外已经出现产品，并逐渐应用于大行程高精度系统之中。因为依靠摩擦力驱动，系统动态因素复杂，能够实现其长时间稳定输出控制的方案尚在研究中。
综合以上的3个方面来看，采用直线电机和压电陶瓷的直线驱动方案，技术相对成熟，可以尽量简化开发过程。目前国内外许多大行程超精密的定位系统都是 采用这2种驱动方式协同合作而实现的。但随着研究的深入，技术的革新，音圈电机和超声波电机拥有更好的应用前景。
2、超精密位移机构
超精密位移机构是 定位系统进给元件，也是 对工艺系统误差进行动态、静态补偿的关键机构。为了获得高精度的位移分辨率，运动系统对驱动器及其相关部件均有很高要求。超精密进给机构一般是 利用机械传动(侗服电机+滚珠丝杠)、直线电机、电磁力(音圈电机)和智能材料(压电陶瓷、电致伸缩、磁致伸缩)等实现超精密进给。
音圈直线电机特别适合用于短行程的闭环伺服应用。由于它体积小，特别适合用在一些狭小的空间。另外它响应速度快，本身重量小，因而可以达到很高的加速度。控制简单可靠，无需换向装置，免维护。可以进行精密的推力控制。精度可达1~5μm，加速度达20倍重力加速度。
棒型直线超声电机是 一种能沿直线方向输出速度和推力的驻波超声电机。它具有输出推力大，位置分辨率高，响应迅速和宁静驱动的特点，在高精度输送驱动、定位控制、机器人等领域具有广阔的应用前景。
棒型直线超声电机工作时，其驱动振子在压电陶瓷(PZT)的激励下作同频率的纵向盯申缩振动和横向(弯曲)振动，从而在驱动振子输出端表面的质点上合成椭圆运动。为了能够用同一激励频率激励出纵向和弯曲这两个纯模态的振动，要求振子的这2个模态频率尽量接近。这是 驱动振子的结构设计中必须解决的频率简并问题。驱动振子与导轨周期性的接触过程中，摩擦力的作用将使驱动振子产生相对导轨的直线运动。
在相同的激励电压下，为了在驱动振子输出端获得尽可能大的位移输出，必须尽可能地扩大纵向振动和横向振动的振幅。这就要求我们 合理有效地设置激励纵向振动和横向振动的压电陶瓷的安放位置。
3、精密位置检测技术
精密位置检测是 超精密加工的必要手段，误差补偿是 提高加工精度的有效措施。超精密位移检测是 整个工作台定位精度的决定因素。按照位移的特征，可分为线位移和角 位移。线位移是 指机构沿着某一条直线移动的距离，角 位移指机构沿着某固定点转动的角 度。
目前，能够进行纳米计量的方法重要有：非 光学和光学2大类。前者包括：电容测微法、电感测微法；后者包括X射线干涉法、各种形式的激光干涉法和光学光栅等方法。前者虽然能够达到纳米甚至亚纳米的测量分辨率，但其测量范围有限，而且需要激光干涉仪等光学方法对其进行标定和校准。后者的光学系统一般比较复杂，生产成本高，所以产品较少，价格昂贵。
目前的精密定位系统中，常用的可达到纳米级分辨率的传感器主要有：激光干涉仪、光栅尺和电容位移传感器。激光干涉仪基于光的干涉原理，光栅尺则基于光栅对光线干涉的原理，2者都是 通过条纹明暗变化间接推导出位移的微细变化；电容传感器利用电容的物理特性，通过探测细微的电压变化来推导出电容板的相对位移。
从量程上来看，激光干涉仪和光栅尺可以进行大行程纳米级测量，而电容传感器只能在微米级的量程内才能保持纳米级的测量精度。从测量方式来看，激光干涉仪和电容传感器可以实现非 接触式测量而光栅尺只能测量接触物的相对位移，并以其中某接触物为测量的直线基础。因此，前者可以测量位移变化的绝 对直线值，光栅尺的测量值则是 相对直线位移值。但由于光栅尺属于接触式位移检测装置，在使用时一根光栅尺仅仅能测量一个导轨方向的位移，无法测量其他方向导轨由于直线度和垂直度引起的交叉误差，即无法补偿多维运动中的空间误差。因此如果在多维运动系统中采用这种反馈方式，要采用离线误差补偿技术提高系统精度，对系统误差进行建模，减小空间误差的影响。
从使用角 度看，一台激光干涉仪系统可以同时测量多组数据，但是 系统结构复杂庞大，安装使用条件也很苛刻，加上几十万甚至上百万的价格，一般只用于实验设备或者昂贵的位置反馈装置，更常用于对精密仪器的校验等测试调试场合。一个光栅尺只能测量一个方向的的直线运动，但安装简单，价格适中，是 超精密加工机床常用位置反馈装置。电容传感器有不同形式配置，多通道的电容传感器配备多个电容探头，同时进行多路反馈，使用方便，价格便宜，常用于微动仪器的位置反馈。
综上所述，激光干涉仪的测量功能最 强实用性较低；光栅尺适合测量一维大行程运动，配合空间误差补偿技术可以进行多维运动反馈，电容传感器适合测量小范围内的位移，实用性好。
4、二级定位技术
超精密定位技术实际上只解决了设备的单自由度分辨率的问题，对于设备来说，行程越大精度越低，一般来说精明定位平台的定位精度为行程的千分之一，特别是 达到纳米级的定位精度，其运动行程一般只能在微米量级要在大行程内保证纳米级精度，除了给系统配备大量程的的高分辨率位移传感器，即双频激光干涉仪或光栅迟，还可以采用二级定位的方案，将大行程和高精度这一对互相制约的系统指标，分别解决。
5、误差补偿技术
工作台的空间误差是 工作台的自身误差，主要取决于位移控制系统的误差和构成坐标运动的支撑结构系统的误差。广义的空间误差有3个组成部分：①制造的尺寸误差和几何误差(简称原始误差)；②静态弹J陛变形引起的原始误差的变化；③热态误差引起的各部件间相对位置的变化。对于精密定位工作台，载荷比较小，工作在恒温超洁净间内。
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