GBT 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

书书书犐犆犛０１．０４０．３９犖１０中华人民共和国国家标准犌犅／犜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２０２００４２８发布２０２０１１０１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Ⅲ…………………………………………………………………………………………………………１　范围１………………………………………………………………………………………………………２　规范性引用文件１…………………………………………………………………………………………３　术语和定义１………………………………………………………………………………………………４　测量条件１…………………………………………………………………………………………………５　测量仪器１…………………………………………………………………………………………………６　测量方法１…………………………………………………………………………………………………　６．１　轴向行程１……………………………………………………………………………………………　６．２　准确度２………………………………………………………………………………………………　６．３　单向重复定位精度２…………………………………………………………………………………　６．４　双向重复定位精度３…………………………………………………………………………………　６．５　迟滞误差４……………………………………………………………………………………………　６．６　线性度５………………………………………………………………………………………………　６．７　位移分辨力６…………………………………………………………………………………………　６．８　角摆偏差６……………………………………………………………………………………………　６．９　直线度８………………………………………………………………………………………………　６．１０　平面度９………………………………………………………………………………………………　６．１１　正交误差１０…………………………………………………………………………………………Ⅰ犌犅／犜３８６１４—２０２０前　　言　　本标准按照ＧＢ／Ｔ１．１—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、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。Ⅲ犌犅／犜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１　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。２　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─２００４　直线度误差检测ＧＢ／Ｔ３８６１６—２０２０　纳米定位与扫描平台术语３　术语和定义ＧＢ／Ｔ３８６１６—２０２０界定的术语和定义适用于本文件。４　测量条件平台的测量应满足如下条件：ａ）　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；ｂ）　测量时的环境温度为（２０±１）℃，其变化应不大于０．５℃／ｈ；ｃ）　测量时的环境相对湿度为（５０±５）％；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；ｅ）　测量时平台处于正常工作状态。５　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。６　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：１犌犅／犜３８６１４—２０２０ａ）　将平台移动至行程反向极限位置，干涉仪测量读数清零；ｂ）　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　计算轴向行程犜，按式（１）计算：犜＝１狀∑狀犼＝１犜犼…………………………（１）　　式中：犜犼———平台第犼次轴向行程测量值；狀———测量次数，狀≥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：ａ）　按图１所示，在全行程平均分布１１个测量位置，分别为狆犻（犻＝１，２，…，１１），其中狆１为行程反向极限位置，狆１１为行程正向极限位置；ｂ）　将平台移动至第１个测量位置狆１，干涉仪测量读数清零；ｃ）　将平台从狆１开始依次定位到狆２，狆３，…，狆１１，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。图１　单向测量位置行程示意图６．２．２　计算第犻个测量位置的准确度犃犻，按式（２）计算：犃犻＝∑狀犼＝１犘犻犼狀－犘犻　（犻＝１，２，…，１１）…………………………（２）　　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≥５。取犃＝ｍａｘ（犃犻）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：２犌犅／犜３８６１４—２０２０ａ）　按式（３）确定第犻个测量位置的正向平均测量值犘犻↑：犘犻↑＝∑狀犼＝１犘犻犼↑狀　（犻＝１，２，…，１１）…………………………（３）　　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≥１０。ｂ）　第犻个测量位置的正向重复定位精度犚犻↑，按式（４）计算：犚犻↑＝∑狀犼＝１（犘犻犼↑－犘犻↑）２狀－１槡　（犻＝１，２，…，１１）…………………（４）　　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≥１０。取犚↑＝ｍａｘ（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。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：ａ）　按图２所示，在全行程平均分布１１个测量位置，分别为狆犻（犻＝１，２，…，１１），其中狆１为行程反向极限位置，狆１１为行程正向极限位置；ｂ）　将平台移动至第１个测量位置狆１，干涉仪测量读数清零；ｃ）　将平台从狆１开始依次正向定位到狆２，狆３，…，狆１１，再从狆１１开始依次反向定位到狆１０，狆９，…，狆１，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ｃ）不应少于６次。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：ａ）　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－１，其中狀为测量次数。ｂ）　按式（５）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↓２　（犻＝１，２，…，１１）…………………………（５）３犌犅／犜３８６１４—２０２０　　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。ｃ）　第犻个测量位置的正向重复定位精度犚犻↑，按式（６）计算：犚犻↑＝∑狀犼＝２（犘犻犼↑－犘犻）２犿－１槡　（犻＝１，２，…，１１）……………………（６）　　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－１，犿≥５。ｄ）　第犻个测量位置的反向重复定位精度犚犻↓，按式（７）计算：犚犻↓＝∑狀犼＝２（犘犻犼↓－犘犻）２犿－１槡　（犻＝１，２，…，１１）……………………（７）　　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－１，犿≥５。取犚＝ｍａｘ（犚犻↑，犚犻↓）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：ａ）　按图２所示，在全行程平均分布１１个测量位置，分别为狆犻（犻＝１，２，…，１１），其中狆１为行程反向极限位置，狆１１为行程正向极限位置；ｂ）　将平台移动至第１个测量位置，干涉仪测量读数清零；ｃ）　将平台从狆１开始依次正向定位到狆２，狆３，…，狆１１，再从狆１１开始依次反向定位到狆１０，狆９，…，狆１，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：ａ）　按式（８）计算第犻个测量位置的反向差值犅犻：犅犻＝犘犻↑－犘犻↓　（犻＝１，２，…，１１）…………………………（８）　　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。ｂ）　取测量位置反向差值绝对值的最大值ｍａｘ（犅犻）为平台的轴向反向差值犅，即：犅＝ｍａｘ（犅犻）。ｃ）　迟滞误差δＨ，按式（９）计算：δＨ＝犅／犜×１００％…………………………（９）４犌犅／犜３８６１４—２０２０　　式中：犜———平台轴向行程；犅———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：ａ）　按式（３）确定第犻个测量位置的正向平均测量值犘犻↑；ｂ）　按图３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＝１，２，…，１１）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Δ犘ｍａｘ；ｃ）　线性度δＬ，按式（１０）计算：δＬ＝Δ犘ｍａｘ／犜×１００％…………………………（１０）　　式中：犜　　———平台轴向行程；Δ犘ｍａｘ———最大偏差值的绝对值。　　注１：●———第犻个测量位置的平均测量值犘犻。　　注２：○———与犘犻对应的最小二乘拟合点犘犻′。图３　Δ犘犿犪狓求解示意图５犌犅／犜３８６１４—２０２０６．７　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：ａ）　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。图４　行程为１００μ犿的平台位移分辨力测量示意图６．７．２　计算位移分辨力计算过程如下：ａ）　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段数据标准偏差值的平均值作为相应台阶的位移分辨力ε犻（犻＝１，２，…，１０）；ｂ）　取ε＝ｍａｘ（ε犻）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，分别为狆犻（犻＝１，２，…，１１），其中狆１为行程反向极限位置，狆１１为行程正向极限位置；ｂ）　将平台移动至第１个测量位置狆１，干涉仪测量读数清零；６犌犅／犜３８６１４—２０２０ｃ）　将平台从狆１开始依次定位到狆２，狆３，…，狆１１，在每个位置稳定后记录该位置偏摆角δ犻，俯仰角δ