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【应用指南】浅谈运动控制中的重复定位精度
发布时间:2020-08-04   点击次数:77次

【应用指南】浅谈运动控制中的重复定位精度

高精度电动位移控制广泛应用于光纤耦合,半导体晶圆定位,微加工等多个领域。针对不同的应用,我们需要选择不同的位移控制台,评估多个参数,比如重复性、精度、倾斜、俯仰等等。用户通常需要对比多个厂家的技术参数,这会有很大的风险,尤其是在选择亚微米级的应用中。这是因为每个厂家的测试方法以及测试条件的不同,甚至在一些参数的定义上略有不同。本文将讨论真实的运动控制中的关键参数以及测试方法,告诉您这些参数实际的意义。

 

关于重复性

通常认为重复性是一个系统从不同位置移动到同一位置(命令)很多次,实际到达的位置的能力。对于高精度运动来讲,这个参数至关重要。用户需要知道他的器件每次都能连续的到达固定位置。不能将重复性和精度这两个概念混淆。如下图所示,一个系统他可能具有非常好的重复性,但是精度可能会很差。

 

在很多应用中,重复性是最基本的一个参数。在制造环境中,如果没有一个很好的重复性,也就意味着没有一个可靠的制程来保证产品的一致性。

产品手册中的指标,通常都是在近乎完美的条件下测试获得的,很难在用户实际使用环境中重现。因此,手册中的重复性并不能每次都是非常准确的满足用户的需求。而且,不同的测试方法以及数据统计方法,也会获得不同的结果。

为了获得真实的重复性的数据,对比测试方法非常重要。比如测试中,采集了多少数据,不同的统计方法,不同的测试标准,都会对重复性有很大影响。

 

收集数据

测试的第1步就是收集数据。数据的质量,将会决定误差的范围。图2-4是不同的结果。测量中,前后移动方向不同,结果不一样,样本数也会影响统计结果。完美的重复性的结果是,所有的数据都会集中在一个点上。

2中,第1次测量误差是55nm,第二次测量误差195nm,第三次测量误差120nm。从另外一个方向测量,有130nm的误差。从数据中,无法获得有效的结果。重新测试获得了下面的结果(图3)。

多次测量后,数据分布如上图(图3中,我们仅仅假设正态分布)。从图中可以看出,不同方向的数据分为两组。所以回到我们问题“什么是准确的重复性”?如图4所示,不同的定义方法,重复性的范围也不一样。本例中只显示三种数值:单向平均重复定位精度,单向最大重复定位精度,双向最大重复定位精度。其实还有很多别的定义方式。

 

计算重复性,通常会用到下面的数学统计方法:

平均值,计算公式如下,取决于样本数量的多少。平均值就是样本总和除以样本数量。

最大值与平均值和标准差(Sigma或者σ)相关。

通常在询问关于重复性的参数时,有几个问题要特别注意:

双向重复性还是单向重复性?

你的计算公式是什么?

2-sigma, 4-sigma, 6-sigma, 或者RMS

样本数量多少?

在数据采集中,你的行程占据整个stage的全行程多少百分比?

对比了这些参数后,我们才能更好的理解重复性的含义。

 

常用的测试设备及方法:

Newport精密位移台的测试设备及环境通常如下:

平面度<1um的大理石平台

测试环境温度20°+/-0.03°

湿度:45%+/-5%

大气压力的补偿

Newport通常使用两种测试方法:线性扫描方法及钟摆式测试方法。具体区别见下图:

 

数据采集好后,我们使用美国机械工程师学会ASMEB5.57的标准进行数学统计。同时我们也会使用独立的工业优化流程来计算重复性。两者的区别在于对数据的计算及解释方法不同。下面的表格是使用不同方法测试同一平台的测试数据:

从数据中可以看出,线性扫描方式和钟摆式方法,结果大不相同。究其原因,在于线性扫描中,驱动螺丝行程更大,产生更多热量,从而对数据采集产生影响。而钟摆式测试方法中,每个点的测试时间更短,所以热对其影响相对较小,所以测试结果也不相同。

 

结论

很多高精度的电动位移平台声称有亚微米的重复性,更有一些在纳米量级的重复性,但是对于不同的应用,不同的环境,重复性的含义都不一样。抛开了实际应用的环境,来谈重复性是没有意义的。

不同的测试方法,不同的数据统计方法,不同的测试环境,比如温度、湿度、空气污染、振动等等都会对测试结果有影响。同样的情况,也会发生在motion的其余的一些参数的测试上,比如精度、摆动、俯仰、翻转等等。所以在选型时,不能仅仅是对比指标,更重要的是要理解实际的应用所需要的指标。

 

 

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