超精密的纳米技术

纳米技术及其相应的单位——纳米技术——正在给控制界带来一些重大的技术挑战，因为它们涉及到超精密系统。当我在2004年8月的专栏中讨论这个问题时，我谈到了准确性、可重复性和分辨率，并给出了“目标射击”的例子。这篇专栏文章中的两件事对于理解我在这里所说的内容是不可或缺的:

1)如果你是射击目标，精确度将是你在靶心中心的能力，而不管目标的散布;可重复性是指你能够将镜头紧密地聚集在一起，而不管它们在目标上的位置;精度是指你在目标上开的洞的大小;

2) 1米有10亿纳米。

现在，让我们来看看在一米范围内分辨率为1纳米(十亿分之一)的超精密机器的实现。从实现的角度来看，我们需要考虑一些问题。让我们考虑一下距离和分辨率的关系。如果我们在单米内将位置控制在十亿分之一(1纳米)，这意味着我们的系统需要相当多的计数器，至少需要30位。如果我们使用的是干涉仪或以1毫米/秒的速度运行的玻璃尺度线性编码器，我们的控制器将在此类应用中每1个编码器脉冲一次。

环境影响

让我们来看看超精密制造系统面临的另一个控制问题。钢的热膨胀系数约为每摄氏度百万分之12，这意味着一根1米长的钢棒将增长12n，大大降低了超精密系统的能力。因此，运动控制不是超精密系统中唯一的关键控制问题，但环境控制也是至关重要的。在最精密的机器中，环境温度控制在0.1°C以下，加工冷却剂温度可以控制到更严格的水平。

在不久的将来，以相对较高的速度远距离控制系统到超精密水平的能力是一个重大挑战，应该只留给最强大的控制器。只有最高端的传感器和执行器才能提供超精密系统所需的反馈和执行力。

此外，控制系统周围的环境可能与运动控制器同样重要，甚至更重要。因此，你不会看到便宜的超精密机器可用。然而，随着技术的进步和更强大的控制器的出现，您可以期望新系统的功能在不显著增加成本的情况下大大提高。

作者信息

Thomas R. Kurfess是乔治亚理工学院乔治W.伍德拉夫机械工程学院的教授．

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