基于柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的纳米定位与扫描平台测量方法

基于柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的纳米定位与扫描平台测量方法

国家标准 GB/T38614一2020 基于柔性铵链机构和压电陶瓷驱动器的 纳米定位与扫描平台测量方法 Measurementmethodtornanopositioningandscanningstage basedonflexurehingemmechanismandpiez0actuator 2020-04-28发布 2020-11-01实施 国家市场监督管理总局 发布 国家标涯花警理委员会国家标准
GB/38614一2020 目 次 前言 范围 2 规范性引用文件 术语和定义 测量条件 测量仪器 测量方法 6.1轴向行程 6.2准确度 6.3单向重复定位精度 6.4双向重复定位精度 6.5 迟滞误差 6.6线性度 6.7位移分辨力 6.8角摆偏差 6.9直线度 6.10平面度 6.11正交误差
GB/38614一2020 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草 本标准由全国电子测量仪器标准化技术委员会(SAC/TC153)提出并归口 本标准起草单位:沈阳建筑大学,三英精控(天津)仪器设备有限公司、广东工业大学、计量科 学研究院、苏州昊通仪器科技有限公司、沈阳理工大学 本标准主要起草人:;须颖、戴敬、邵萌、安冬,施玉书,贾静、戴超、文杰,石怀涛
GB/38614一2020 基于柔性铵链机构和压电陶瓷驱动器的 纳米定位与扫描平台测量方法 范围 本标准规定了基于柔性钦链机构和压电陶瓷驱动器的纳米定位与扫描平台(以下简称为平台)的测 量条件、测量系统和测量方法 本标准适用于平台的研究、设计生产、检测及使用 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的 凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 件 凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 GB/T11336一2004直线度误差检测 GB/T38616一2020纳米定位与扫描平台术语 术语和定义 GB/T386162020界定的术语和定义适用于本文件 测量条件 平台的测量应满足如下条件 测量场地应无影响测量精度的灰尘、振动、气流扰动和较强磁场 a 测量时的环境温度为(20士1)C,其变化应不大于0.5C/h b 测量时的环境相对湿度为(50土5)% c d 测量前应确认平台无影响测量正确性实施和测量结果的外观缺陷; 测量时平台处于正常工作状态 e 测量仪器 本标准中推荐使用激光干涉仪(以下简称干涉仪),角摆偏差也可使用自准直仪,测量仪器精度应满 足测量要求 测量方法 6.1轴向行程 6.1.1测量步骤 将干涉仪严格对准平台,按照以下步骤进行轴向行程测量
GB/T38614一2020 将平台移动至行程反向极限位置,干涉仪测量读数清零; a D)将平台移动至行程正向极限位置,记录干涉仪测量值 c 重复步骤a)和步骤b)不应少于3次 6.1.2计算 轴向行程丁,按式(1)计算 丁-习T 式中 T -平台第次轴向行程测量值; 测量次数,n>3 6.2准确度 6.2.1测量步骤 将干涉仪严格对准平台,按照以下步骤进行准确度测量: 按图1所示,在全行程平均分布1个测量位置,分别为p,(Gi a ,),其中入为行程反 =1,2, 向极限位置，声为行程正向极限位置， b 将平台移动至第1个测量位置A,干涉仪测量读数清零 将平台从声开始依次定位到月 ,在每个位置稳定后记录该位置的干涉仪测量值 c ，"”，b11 重复步骤b)和步骤c)不应少于5次 d P 图1单向测量位置行程示意图 6.2.2计算 第i个测量位置的准确度A,,按式(2)计算 (i=1,2,,11 A 式中 P 平台第i个测量位置的第次测量值; 平台第i个测量位置的目标值; P -测量次数,n5 取A=max(A为平台被测轴的准确度 6.3单向重复定位精度 6.3.1测量步骤 单向重复定位精度测量步骤同6.2.1,其中步骤d)的重复步骤b)和步骤c)不应少于10次 6.3.2计算 单向重复定位精度计算过程如下:
GB/38614一2020 按式(3)确定第i个测量位置的正向平均测量值尸个 a 万个 (i=1,2,,11 3 式中 P 平台第i个测量位置的第次正向测量值 测量次数,n>10o. b)第i个测量位置的正向重复定位精度R，个,按式(4)计算 (P，个-万个: 个 R (i=l,2,,11 (4 式中: -平台第i个测量位置的第j次正向测量值; -平台第i个测量位置的正向平均测量值，个; 测量次数,n>10o. 取R个 ax(R，个)为平台被测轴的正向重复定位精度 =maX 注本标准中仅规定了正向重复定位精度的测量方法,反向重复定位精度的测量方法参照正向重复定位精度 6.4双向重复定位精度 6.4.1测量步骤 将干涉仪严格对准平台,按照以下步骤进行双向重复定位精度测量 按图2所示,在全行程平均分布11个测量位置,分别为p,(i=1,2,,11),其中p为行程反 a 向极限位置p为行程正向极限位置; b 将平台移动至第1个测量位置p,干涉仪测量读数清零 将平台从p开始依次正向定位到pe,,,力,再从户;开始依次反向定位到户n户, i,在每个位置稳定后记录该位置的干涉仪测量值; 重复步骤c)不应少于6次 " P Pm n Pn 图2双向测量位置行程示意图 6.4.2计算 双向重复定位精度计算过程如下 由于第一次测量误差较大,在进行双向重复定位精度数据处理时将第一次测量数据去摊,取 a -1,其中n为测量次数 1 按式(5)确定第，个测量位置的双向平均测量值厅 b 万A+ ？ i=l,2,,11
GB/T38614一2020 式中 厂 -平台第i个测量位置的正向平均测量值; 厂 -平台第;个测量位置的反向平均测量值 第i个测量位置的正向重复定位精度R，个,按式(6)计算 c (P，个-, (i=l,2,,11 R个 (6 mn 式中 平台第i个测量位置的第次正向测量值 P 厂 平台第i个测量位置的双向平均测量值 m 测量次数n-l,m>5 d)第i个测量位置的反向重复定位精度R，,按式(7)计算 -万) Py R i=1,2,,l1 n 式中 ” 平台第i个测量位置的第次反向测量值 厂 -平台第;个测量位置的双向平均测量值 -测量次数n一1,m>5 mn 取R=max(R，个,R)为平台被测轴的双向重复定位精度 6.5迟滞误差 6.5.1测量步骤 将干涉仪严格对准平台,按照以下步骤进行迟滞误差测量 按图2所示,在全行程平均分布1个谢量位置,分别为月,(i i=1,2,,11),其中声为行程反 a 向极限位置，p为行程正向极限位置; 将平台移动至第1个测量位置,干涉仪测量读数请零; b c 将平台从p开始依次正向定位到p,，I1,再从p开始依次反向定位到p0,p, pi,在每个位置稳定后记录该位置的干涉仪测量值; d 重复步骤b)和步骤c)不应少于5次 6.5.2计算 迟滞误差计算过程如下: 按式(8)计算第i个测量位置的反向差值B a B-万个-万，(i=1.2,.,1 8 式中 厂 -平台第i个测量位置的正向平均测量值 厂 -平台第i个测量位置的反向平均测量值 取测量位置反向差值绝对值的最大值max(|B|为平台的轴向反向差值B,即;B=max(B| b 迟滞误差Hu按式(9)计算 9 o=B/T×100%
GB/38614一2020 式中 T 平台轴向行程 B 轴向反向差值 6.6线性度 6.6.1测量步骤 线性度测量步骤同6.2.1. 6.6.2计算 线性度计算过程如下: 按式(3)确定第个测量位置的正向平均测量值下个 a b 按图3所示,以指令户为横坐标,万个为纵坐标建立直角坐标系,对万个(i=l.2,,I1)进 行最小二乘线性拟合,计算出万个与其对应的拟合点'之间最大偏差值的绝对值AP 'ma; 线性度,按式(0)计算 o=AP、/T×100% 10 式中: 平台轴向行程; -最大偏差值的绝对值 Pm 最小二柔 拟合直线 店 /um" 注1:第，个测量位置的平均测量值 与万1对应的最小二乘拟合点万'" 注2: 图3AP求解示意图
GB/T38614一2020 6.7位移分辨力 6.7.1测量步骤 将干涉仪严格对准平台,按照以下步骤进行位移分辨力测量 按图4所示,将全行程十等分,依据平台的有效带宽设置合适的采样频率,使得采集的数据信 a 息覆盖平台的有效带宽; b)将平台移动至反向极限位置,干涉仪测量读数清零 c 将平台按照图4所示的台阶波运动,每个台阶待系统稳定后记录干涉仪测量值 注1:采样频率的设置要高于平台系统工作频带宽度的2倍 注2;系统稳定时间取系统阶跃响应稳定时间的2倍 100 8C0 40 20 10 12 14 16 18 20 22 时间/s 图4行程为100Hm的平台位移分辨力测量示意图 计算 6.7.2 位移分辨力计算过程如下 将每个台阶波测量数据平均分成3段,分别计算3段数据的标准偏差值,取3段数据标准偏差 a 值的平均值作为相应台阶的位移分辨力e,(i=1,2,,10) b)取e一max(e,)为平台的轴向位移分辨力 6.8角摆偏差 6.8.1测量步骤 6.8.1.1 干涉仪法 将干涉仪严格对准平台,按照以下步骤进行角摆偏差测量 a 按图1所示,在全行程平均分布11个测量位置,分别为p,(i=1,2,,1l1),其中户为行程反 向极限位置，p;为行程正向极限位置 b 将平台移动至第1个测量位置p,干涉仪测量读数清零
GB/38614一2020 将平台从p开始依次定位到p!,p,,p,在每个位置稳定后记录该位置偏摆角呐,,俯仰 角和滚转角7,的干涉仪测量值 d 重复步骤b)和步骤c)不应少于5次 此方法为仲裁方法 6.8.1.2自准直仪法 将自准仪严格对准平台,按照以下步骤进行角摆偏差测量 按图1所示,在全行程平均分布11个测量位置,分别为p,(i=1,2,,l1),其中为行程反 a 向极限位置，p1为行程正向极限位置; b 偏摆角p,和俯仰角的测量设置如图5所示,将平台移动至第1个测量位置p1,自准直仪 测量读数清零; 将平台从开始依次定位到p,p,在每个位置稳定后记录该位置偏摆角p,和俯仰 角的自准直仪测量值; d 重复步骤b)和步骤)不应少于5次 滚转角>的测量设置如图所示,将平台移动至第1个测量位置,自准直仪测量读数 清零; f ,在每个位置稳定后记录该位置浪转角的自准 将平台从p开始依次定位到力?pp 直仪测量值; 重复步骤e)和步骤f不应少于5次 g 自准直仪 平台 运动轴方向 图5自准直仪测量偏摆角ip和俯仰角0示意图 器 自准直仪 平台 图6自准直仪测量滚转角?示意图 6.8.2计算 角摆偏差计算过程如下: 分别按式(l),式(12),式(I13)确定第个测量位置的角摆偏差平均值心页.a.0y a o d (i=l,2,,ll1
GB/T38614一2020 i=l,2,,l1 12 0Y Y (i=1,2,,11 式中 平台第;个测量位置的第次偏摆角测量值 op 0 -平台第i个测量位置的第次俯仰角测量值; 8y -平台第i个测量位置的第次滚转角测量值; 测量次数.n>5. x(o西)为平台运动轴向的偏摆角 取- b =max 取欲=max(,)为平台运动轴向的俯仰角 取=max()为平台运动轴向的滚转角 6.9直线度 6.9.1测量步骤 将干涉仪严格对准平台,按照以下步骤进行直线度测量 以X轴作为被测轴为例,建立空间直角坐标系XYz;在全行程平均分布11个测量位置,分别 a 为p(i=1.2,.,l1),其中少为行程反向极限位置,p为行程正向极限位置; b 将平台移动至第1个测量位置pi,Y轴干涉仪和乙轴干涉仪测量读数清零; 将平台从p开始依次定位到p!,p,,p1,在每个位置稳定后记录该位置的干涉仪测量值; c 记录Y轴干涉仪第i个测量位置的值为P.(i=1,2,,11);Z轴干涉仪第i个测量位置的值 d 为P.(i=1,2,,l1); 重复步骤b)步骤d)不应少于5次 6.9.2计算 直线度计算过程如下 按式(I4)确定Y方向第，个测量位置的单向平均测量值万 个 a P 万 i=1,2,,11 14 式中 -平台第i个测量位置的Y轴干涉仪第j次测量值; -测量次数,n>5 b)按式(15)确定Z方向第i个测量位置的单向平均测量值万 个 习P 万个 (i=1,2,,l1) 15 式中 -平台第i个测量位置的乙轴干涉仪第次测量值; P动 测量次数,n>5
GB/38614一2020 按式(16)确定第;个测量位置的测量矢量合成值尸 万,个=/,=+尸 个 (i=1,2,,l1 16 舞 --Y方向第i个测量位置的单向平均测量值; 下一 -Z方向第i个测量位置的单向平均测量值 按图7所示,对万，个(i=1,2,.,1)进行最小二乘拟合,得到最小二乘拟合直线ls,分别计 d 算出下个(i=1,2,,11)到ls的垂直距离,取其中的最大值Pm,计算方法按照 GB/T11336一2004; X轴运动时的直线度误差L ,按式(17)计算 L，=2Pm 式中: X方向,第个测量位置单向最大测量值 P 'mus 注Y轴、Z轴直线度误差测量方法参照x轴测量方法 Re 注1:o -第i个测量位置的测量矢量合成值 注2:l -最小二乘中线 图7AP求解示意图 6.10平面度 6.10.1测量步骤 将干涉仪严格对准平台,按照以下步骤进行平面度测量 平台在XY平面内运动的平面度测量,按图8所示,建立空间直角坐标系XYZ,被测平面为X aa 轴和Y轴所建立的平面,在平面范围内,沿X轴和Y轴平均分布11×11个测量位置,记为 p(i,; 将平台移动至第一个测量位置(1,1),乙轴干涉仪测量读数清零 将平台从(1,1)开始按图8所示蛇形网格布点形式沿各条测量线逐点顺序定位,直至定位到 (11,l1),在每个位置稳定后记录该位置的Z轴干涉仪测量值Z i 重复步骤b)和步骤c)不应少于5次
GB/T38614一2020 I1,I1 图811×11个测量位置行程示意图 6.10.2计算 平面度计算过程如下: a 按式(18)确定第p(i,)个测量位置的Z轴干涉仪平均测量值Za.: Z (i.) i=1,2,,1l;i=1,2,,11 18 i 式中 -测量位置(i,j)的Z轴干涉仪第次测量值; Z 测量次数,n>5 b 在空间直角坐标系xYz中,由乙.,(i=1,2,.,ll;j=1.2,,l1)进行最小二乘平面拟合 计算出最小二乘平面上各点坐标值z' 分别计算出各测量点p(i.j)的平均测量值z,相对于最小二乘平面上拟合点z',的差 值AZu. d 平面度误差F,按式(19)计算 (19 F=max(AZu.一min(AZu, 式中 AZu 各测量点的平均测量值相对于最小二乘平面上拟合点的差值 注;其他平面内的平面度测量,其方法参照XY平面测量方法 6.11正交误差 6.11.1测量步骤 将干涉仪严格对准平台,按照以下步骤进行正交误差测量 按图9a)所示,在轴全行程平均分布11个测量位置,分别为力,(i=1,2,,l1),其中力,1 a 为行程反向极限位置,pn为行程正向极限位置 b 将平台在X轴方向归零,沿铀移动至第1个测量位置p,X轴干涉仪测量读数清零 c 将平台从力,开始依次定位到力,p,，户y,,在每个位置稳定后记录该位置的X轴干涉仪 10
GB/38614一2020 测量值; d 按图9b)所示,在X轴全行程平均分布11个测量位置,分别为p(i=1,2,,l1),其中p， 为行程反向极限位置,户为行程正向极限位置 将平台在Y轴方向归零,沿X轴移动至第1个测量位置p,Y轴干涉仪测量读数清零 e fD 将平台从户,开始依次定位到pa,户.,，p.,在每个位置稳定后记录该位置的Y轴干涉仪 测量值; 重复步骤b)步骤)不应少于5次 g " ？ " P9 P10P Y轴单向测量位置行程示意图 p P 0 Pao"an Pa X轴单向测量位置行程示意图 图gY轴和X轴单向测量位置行程示意图 6.11.2计算 正交误差计算过程如下: 按式(20)确定平台沿Y轴方向运动时,第i个测量位置的X轴干涉仪平均测量值x a Y 雪 i=1,2 ,l1 20 式中: X， -Y轴运动时第i个测量位置的X轴干涉仪第次测量值; 测量次数,n>5 按式(21)确定平台沿X轴方向运动时,第;个测量位置的Y轴干涉仪平均测量值Y b r: i=l,2,,l1 21 式中: Y -X轴运动时第i个测量位置的Y轴干涉仪第次测量值; ri 测量次数,n>5 以Y轴方向上指令,为横坐标,x,为纵坐标建立直角坐标系,由x.(i=1,2,.,l1)进行最 c 小 二乘拟合,计算出拟合直线的斜率Ky,确定与斜率相对应的拟合直线倾斜角,即实际运动 轨迹Y'轴与目标Y轴之间的偏差角p如图10所示. 以x轴方向上指令少,为横坐标,.为纵坐标建立直角坐标系,由.(i=1.2,.,l1)进行最 小二乘拟合,计算出拟合直线的斜率Kx',确定与斜率相对应的拟合直线倾斜角即实际运动 轨迹X'轴与目标X轴之间的偏差角P如图10所示) 正交性误差pwh,按式(22)计算 p四h=9 9 式中: 实际运动轨迹x'轴与目标X轴之间的偏差角 9 实际运动轨迹Y轴与目标Y轴之间的偏差角 9 1
GB/T38614一2020 -巫 图10正交误差示意图 12

基于柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的纳米定位与扫描平台测量方法GB/T38614-2020

随着纳米技术的发展，精密测量和控制成为了纳米加工和纳米测量领域中不可或缺的环节。在纳米定位和扫描平台技术方面，基于柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的纳米定位与扫描平台测量方法GB/T38614-2020已经成为了重要的标准。该测量方法旨在提供一种可靠的方法，用于对基于柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的纳米定位与扫描平台进行测量。 该测量方法利用了柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的特点，通过对测试对象施加微小的力和位移，精确地测量出测试对象在各个维度上的位置和形状。同时，该方法具有良好的重复性和可靠性，可以满足对纳米定位和扫描平台高精度的要求。 在实际应用中，基于柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的纳米定位与扫描平台测量方法GB/T38614-2020已经被广泛应用于纳米加工、纳米测量等领域。该方法不仅可以提高测试效率和准确度，还可以为相关领域的技术创新和发展提供支持。 总之，基于柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的纳米定位与扫描平台测量方法GB/T38614-2020是一种可靠、高效的测试方法，应用于纳米加工、纳米测量等领域具有重要的意义。

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2022/7/24 1:27:11 现行