GB∕T 38614-2020 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.pdf

书 书 书犐 犆犛 犖 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准犌犅犜 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犕犲 犪 狊 狌 狉 犲犿犲 狀 狋犿犲 狋 犺 狅 犱犳 狅 狉狀 犪 狀 狅狆 狅 狊 犻 狋 犻 狅 狀 犻 狀 犵犪 狀 犱狊 犮 犪 狀 狀 犻 狀 犵狊 狋 犪 犵 犲犫 犪 狊 犲 犱狅 狀犳 犾 犲 狓 狌 狉 犲犺 犻 狀 犵 犲犿犲 犮 犺 犪 狀 犻 狊犿犪 狀 犱狆 犻 犲 狕 狅犪 犮 狋 狌 犪 狋 狅 狉 发布 实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局国 家 标 准 化 管 理 委 员 会发 布书 书 书目次前言范围规范性引用文件术语和定义测量条件测量仪器测量方法 轴向行程 准确度 单向重复定位精度 双向重复定位精度 迟滞误差 线性度 位移分辨力 角摆偏差 直线度 平面度 正交误差 犌犅犜 前言本标准按照 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（ ）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、中国计量科学研究院、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。犌犅犜 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范围本标准规定了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（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。 直线度误差检测 纳米定位与扫描平台术语术语和定义 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；）测量时的环境温度为（ ），其变化应不大于 ；）测量时的环境相对湿度为（ ）；）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。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 轴向行程 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：犌犅犜 ）将平台移动至行程反向极限位置，干涉仪测量读数清零；）将平台移动至行程正向极限位置，记录干涉仪测量值；）重复步骤）和步骤）不应少于次。 计算轴向行程犜，按式（）计算：犜狀狀犼犜犼（）式中：犜犼 平台第犼次轴向行程测量值；狀 测量次数，狀。 准确度 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：）按图所示，在全行程平均分布 个测量位置，分别为狆犻（犻， ， ） ，其中狆为行程反向极限位置，狆 为行程正向极限位置；）将平台移动至第个测量位置狆，干涉仪测量读数清零；）将平台从狆开始依次定位到狆，狆， ，狆 ，在每个位置稳定后记录该位置的干涉仪测量值；）重复步骤）和步骤）不应少于次。图单向测量位置行程示意图 计算第犻个测量位置的准确度犃犻，按式（）计算：犃犻狀犼犘犻 犼狀犘犻（犻， ， ） （）式中：犘犻 犼 平台第犻个测量位置的第犼次测量值；犘犻 平台第犻个测量位置的目标值；狀 测量次数，狀。取犃 （犃犻）为平台被测轴的准确度。 单向重复定位精度 测量步骤单向重复定位精度测量步骤同 ，其中步骤）的重复步骤）和步骤）不应少于 次。 计算单向重复定位精度计算过程如下：犌犅犜 ）按式（）确定第犻个测量位置的正向平均测量值犘犻：犘犻狀犼犘犻 犼狀（犻， ， ）（）式中：犘犻 犼 平台第犻个测量位置的第犼次正向测量值；狀 测量次数，狀 。）第犻个测量位置的正向重复定位精度犚犻，按式（）计算：犚犻狀犼（犘犻 犼犘犻）狀槡（犻， ， ）（）式中：犘犻 犼 平台第犻个测量位置的第犼次正向测量值；犘犻 平台第犻个测量位置的正向平均测量值犘犻；狀 测量次数，狀 。取犚 （犚犻）为平台被测轴的正向重复定位精度。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。 双向重复定位精度 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：）按图所示，在全行程平均分布 个测量位置，分别为狆犻（犻， ， ） ，其中狆为行程反向极限位置，狆 为行程正向极限位置；）将平台移动至第个测量位置狆，干涉仪测量读数清零；）将平台从狆开始依次正向定位到狆，狆， ，狆 ，再从狆 开始依次反向定位到狆 ，狆， ，狆，在每个位置稳定后记录该位置的干涉仪测量值；）重复步骤）不应少于次。图双向测量位置行程示意图 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掉，取犿狀，其中狀为测量次数。）按式（）确定第犻个测量位置的双向平均测量值犘犻：犘犻犘犻犘犻（犻， ， ） （）犌犅犜 式中：犘犻 平台第犻个测量位置的正向平均测量值；犘犻 平台第犻个测量位置的反向平均测量值。）第犻个测量位置的正向重复定位精度犚犻，按式（）计算：犚犻狀犼（犘犻 犼犘犻）犿槡（犻， ， ） （）式中：犘犻 犼 平台第犻个测量位置的第犼次正向测量值；犘犻 平台第犻个测量位置的双向平均测量值；犿 测量次数狀，犿。）第犻个测量位置的反向重复定位精度犚犻，按式（）计算：犚犻狀犼（犘犻 犼犘犻）犿槡（犻， ， ） （）式中：犘犻 犼 平台第犻个测量位置的第犼次反向测量值；犘犻 平台第犻个测量位置的双向平均测量值；犿 测量次数狀，犿。取犚 （犚犻，犚犻）为平台被测轴的双向重复定位精度。 迟滞误差 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：）按图所示，在全行程平均分布 个测量位置，分别为狆犻（犻， ， ） ，其中狆为行程反向极限位置，狆 为行程正向极限位置；）将平台移动至第个测量位置，干涉仪测量读数清零；）将平台从狆开始依次正向定位到狆，狆， ，狆 ，再从狆 开始依次反向定位到狆 ，狆， ，狆，在每个位置稳定后记录该位置的干涉仪测量值；）重复步骤）和步骤）不应少于次。 计算迟滞误差计算过程如下：）按式（）计算第犻个测量位置的反向差值犅犻：犅犻犘犻犘犻（犻， ， ）（）式中：犘犻 平台第犻个测量位置的正向平均测量值；犘犻 平台第犻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 （犅犻）为平台的轴向反向差值犅，即：犅 （犅犻） 。）迟滞误差，按式（）计算：犅犜 （）犌犅犜 式中：犜 平台轴向行程；犅 轴向反向差值。 线性度 测量步骤线性度测量步骤同 。 计算线性度计算过程如下：）按式（）确定第犻个测量位置的正向平均测量值犘犻；）按图所示，以指令狆犻为横坐标，犘犻为纵坐标建立直角坐标系，对犘犻（犻， ， ）进行最小二乘线性拟合，计算出犘犻与其对应的拟合点犘 犻之间最大偏差值的绝对值犘 ；）线性度，按式（ ）计算：犘 犜 （ ）式中：犜 平台轴向行程；犘 最大偏差值的绝对值。注： 第犻个测量位置的平均测量值犘犻。注： 与犘犻对应的最小二乘拟合点犘犻。图犘犿犪 狓求解示意图犌犅犜 位移分辨力 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，使得采集的数据信息覆盖平台的有效带宽；）将平台移动至反向极限位置，干涉仪测量读数清零；）将平台按照图所示的台阶波运动，每个台阶待系统稳定后记录干涉仪测量值。注：采样频率的设置要高于平台系统工作频带宽度的倍。注：系统稳定时间取系统阶跃响应稳定时间的倍。图行程为 犿的平台位移分辨力测量示意图 计算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段，分别计算段数据的标准偏差值，取段数据标准偏差值的平均值作为相应台阶的位移分辨力犻（犻， ， ） ；）取 （犻）为平台的轴向位移分辨力。 角摆偏差 测量步骤 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：）按图所示，在全行程平均分布 个测量位置，分别为狆犻（犻， ， ） ，其中狆为行程反向极限位置，狆 为行程正向极限位置；）将平台移动至第个测量位置狆，干涉仪测量读数清零；犌犅犜 ）将平台从狆开始依次定位到狆，狆， ，狆 ，在每个位置稳定后记录该位置偏摆角 犻，俯仰角 犻和滚转角 犻的干涉仪测量值；）重复步骤）和步骤）不应少于次；）此方法为仲裁方法。 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：）按图所示，在全行程平均分布 个测量位置，分别为狆犻（犻， ， ） ，其中狆为行程反向极限位置，狆 为行程正向极限位置；）偏摆角 犻和俯仰角 犻的测量设置如图所示，将平台移动至第个测量位置狆，自准直仪测量读数清零；）将平台从狆开始依次定位到狆，狆， ，狆 ，在每个位置稳定后记录该位置偏摆角 犻和俯仰角 犻的自准直仪测量值；）重复步骤）和步骤）不应少于次；）滚转角 犻的测量设置如图所示，将平台移动至第个测量位置狆，自准直仪测量读数清零；）将平台从狆开始依次定位到狆，狆， ，狆 ，在每个位置稳定后记录该位置滚转角 犻的自准直仪测量值；）重复步骤）和步骤）不应少于次。图自准直仪测量偏摆角犻和俯仰角 犻示意图图自准直仪测量滚转角 犻示意图 计算角摆偏差计算过程如下：）分别按式（ ） 、式（ ） 、式（ ）确定第犻个测量位置的角摆偏差平均值犻，犻，犻： 犻狀犼 犻 犼狀（犻， ， ）（ ）犌犅犜 犻狀犼 犻 犼狀（犻， ， ）（ ） 犻狀犼 犻 犼狀（犻， ， ）（ ）式中： 犻 犼 平台第犻个测量位置的第犼次偏摆角测量值； 犻 犼 平台第犻个测量位置的第犼次俯仰角测量值； 犻 犼 平台第犻个测量位置的第犼次滚转角测量值；狀 测量次数，狀。）取 （犻）为平台运动轴向的偏摆角。取 （犻）为平台运动轴向的俯仰角。取 （犻）为平台运动轴向的滚转角。 直线度 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：）以犡轴作为被测轴为例，建立空间直角坐标系犡犢犣；在全行程平均分布 个测量位置，分别为狆犻（犻， ， ） ，其中狆为行程反向极限位置，狆 为行程正向极限位置；）将平台移动至第个测量位置狆，犢轴干涉仪和犣轴干涉仪测量读数清零；）将平台从狆开始依次定位到狆，狆， ，狆 ，在每个位置稳定后记录该位置的干涉仪测量值；）记录犢轴干涉仪第犻个测量位置的值为犘狔 犻（犻， ， ） ；犣轴干涉仪第犻个测量位置的值为犘狕 犻（犻， ， ） ；）重复步骤）步骤）不应少于次。 计算直线度计算过程如下：）按式（ ）确定犢方向第犻个测量位置的单向平均测量值犘狔 犻：犘狔 犻狀犼犘狔 犻 犼狀（犻， ， ） （ ）式中：犘狔 犻 犼 平台第犻个测量位置的犢轴干涉仪第犼次测量值；狀 测量次数，狀。）按式（ ）确定犣方向第犻个测量位置的单向平均测量值犘狕 犻：犘狕 犻狀犼犘狕 犻 犼狀（犻， ， ）（ ）式中：犘狕 犻 犼 平台第犻个测量位置的犣轴干涉仪第犼次测量值；狀 测量次数，狀。犌犅犜 ）按式（ ）确定第犻个测量位置的测量矢量合成值犘狓 犻：犘狓 犻犘狔 犻犘狕 犻槡（犻， ， ） （ ）式中：犘狔 犻 犢方向第犻个测量位置的单向平均测量值；犘狕 犻 犣方向第犻个测量位置的单向平均测量值。）按图所示，对犘狓 犻（犻， ， ）进行最小二乘拟合，得到最小二乘拟合直线犾，分别计算出犘狓 犻（犻， ）到犾的垂直距离，取其中的最大值犘狓 犻 ，计算方法按照 ；）犡轴运动时的直线度误差犔狓，按式（ ）计算：犔狓犘狓 犻 （ ）式中：犘狓 犻 犡方向，第犻个测量位置单向最大测量值。注：犢轴、犣轴直线度误差测量方法参照犡轴测量方法。注： 第犻个测量位置的测量矢量合成值。注：犾 最小二乘中线。图犘狓 犻犿犪 狓求解示意图 平面度 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：）平台在犡犢平面内运动的平面度测量，按图所示，建立空间直角坐标系犡犢犣，被测平面为犡轴和犢轴所建立的平面，在平面范围内，沿犡轴和犢轴平均分布 个测量位置，记为狆（犻，犼） ；）将平台移动至第一个测量位置狆（，） ，犣轴干涉仪测量读数清零；）将平台从狆（，）开始按图所示蛇形网格布点形式沿各条测量线逐点顺序定位，直至定位到狆（ ， ） ，在每个位置稳定后记录该位置的犣轴干涉仪测量值犣（犻，犼）；）重复步骤）和步骤）不应少于次。犌犅犜 图 个测量位置行程示意图 计算平面度计算过程如下：）按式（ ）确定第狆（犻，犼）个测量位置的犣轴干涉仪平均测量值犣（犻，犼）：犣（犻，犼）狀犽犣（犻，犼）犽狀（犻， ， ；犼， ， ）（ ）式中：犣（犻，犼）犽 测量位置狆（犻，犼）的犣轴干涉仪第犽次测量值；狀 测量次数，狀。）在空间直角坐标系犡犢犣中，由犣（犻，犼）（犻， ， ；犼， ， ）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犣 （犻，犼）。）分别计算出各测量点狆（犻，犼）的平均测量值犣（犻，犼）相对于最小二乘平面上拟合点犣 （犻，犼）的差值犣（犻，犼）。）平面度误差犉，按式（ ）计算：犉 （犣（犻，犼） （犣（犻，犼）（ ）式中：犣（犻，犼） 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，其方法参照犡犢平面测量方法。 正交误差 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）所示，在犢轴全行程平均分布 个测量位置，分别为狆狔 犻（犻， ， ） ，其中狆狔为行程反向极限位置，狆狔 为行程正向极限位置；）将平台在犡轴方向归零，沿犢轴移动至第个测量位置狆狔，犡轴干涉仪测量读数清零。）将平台从狆狔开始依次定位到狆狔，狆狔， ，狆狔 ，在每个位置稳定后记录该位置的犡轴干涉仪 犌犅犜 测量值；）按图）所示，在犡轴全行程平均分布 个测量位置，分别为狆狓 犻（犻， ， ） ，其中狆狓为行程反向极限位置，狆狓 为行程正向极限位置；）将平台在犢轴方向归零，沿犡轴移动至第个测量位置狆狓，犢轴干涉仪测量读数清零；）将平台从狆狓开始依次定位到狆狓，狆狓， ，狆狓 ，在每个位置稳定后记录该位置的犢轴干涉仪测量值；）重复步骤）步骤）不应少于次。犪）犢轴单向测量位置行程示意图犫）犡轴单向测量位置行程示意图图犢轴和犡轴单向测量位置行程示意图 计算正交误差计算过程如下：）按式（ ）确定平台沿犢轴方向运动时，第犻个测量位置的犡轴干涉仪平均测量值犡狔 犻：犡狔 犻狀犼犡狔 犻 犼狀（犻， ， ）（ ）式中：犡狔 犻 犼 犢轴运动时第犻个测量位置的犡轴干涉仪第犼次测量值；狀 测量次数，狀。）按式（ ）确定平台沿犡轴方向运动时，第犻个测量位置的犢轴干涉仪平均测量值犢狓 犻：犢狓 犻狀犼犢狓 犻 犼狀（犻， ， ）（ ）式中：犢狓 犻 犼 犡轴运动时第犻个测量位置的犢轴干涉仪第犼次测量值；狀 测量次数，狀。）以犢轴方向上指令狆狔 犻为横坐标，犡狔 犻为纵坐标建立直角坐标系，由犡狔 犻（犻， ， ）进行最小二乘拟合，计算出拟合直线的斜率犓犢 ，确定与斜率相对应的拟合直线倾斜角，即实际运动轨迹犢 轴与目标犢轴之间的偏差角（如图 所示） 。）以犡轴方向上指令狆狓 犻为横坐标，犢狓 犻为纵坐标建立直角坐标系，由犢狓 犻（犻， ， ）进行最小二乘拟合，计算出拟合直线的斜率犓犡 ，确定与斜率相对应的拟合直线倾斜角，即实际运动轨迹犡 轴与目标犡轴之间的偏差角（如图 所示） 。）正交性误差 ，按式（ ）计算： （ ）式中： 实际运动轨迹犡 轴与目标犡轴之间的偏差角； 实际运动轨迹犢 轴与目标犢轴之间的偏差角。 犌犅犜 图 正交误差示意图 犌犅犜