基于激光追踪仪的运动轴性能测试与分析_赵东雷.pdf

（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022收稿日期：2022-12-01基于激光追踪仪的运动轴性能测试与分析赵东雷，关宏武，王浩楠，郎 平，刘 颖(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)摘要：针对现有运动轴性能测试方法的缺点，提出了基于激光追踪仪的测量方法，其核心思想是将运动轴性能测试转化为数学问题。首先选用高精度直线模组构造垂向运动测试装置，并明确了直线模组的必备选型指标；其次以运动直线度、运动姿态和重复定位精度为例，系统介绍了其测量原理、测量流程和数据处理方法；最后通过对比实验完成了测试方法的可行性分析，结果表明激光追踪仪反射镜测试方案测量精度高、更符合实际。依托激光追踪仪可实现集成过程与测量环节的有机统一，为提升产品性能和精度提供了可靠保障。关键词：运动轴；激光追踪仪；直线度；运动姿态；重复定位精度中图分类号：TN307文献标志码：B文章编号：1004-4507(2022)06-0044-06Performance Test and Analysis of Moving AxisBased on Laser TrackerZHAO Donglei，GUAN Hongwu，WANG Haonan，LANG Ping，LIU Ying(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)Abstract:Aiming at the disadvantages of the existing methods for measuring performance of movingaxis，a measurement method based on Laser Tracker is proposed.Its core idea is to transform theperformance test of moving axis into a mathematical problem.Firstly，a high precision linear module isselected to construct the vertical motion testing device，and the necessary selection index of the linearmodule is defined；Secondly，taking motion straightness，motion attitude and repetitive positioningaccuracy as example，the measurement principle，measurement process and data processing methodare systematically introduced.Finally，feasibility analysis of the test method is completed throughcomparative experiments，the results show that measuring scheme of Laser Tracker mirror is moreaccurate and practical.Relying on the Laser Tracker，the integration process and measurement link canbe organically unified，providing a reliable guarantee for improving product performance and accuracy.测试测量技术与设备44（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022精密半导体设备内部结构复杂、体积大、工艺繁琐且要求精度高，以掩模传输分系统为例，完整的上下版流程需要各模块 6 次安全交接才能完成1，所以设计阶段既要约束单个运动轴性能参数，又需量化多轴的性能参数（由制造误差、装配误差等因素导致），如运动直线度、运动姿态、重复定位精度、正交性和多轴空间关系等。传统的千分表测量方法存在灵活性差、安装受限、难以测量垂向旋转及多轴空间关系等缺陷；激光干涉仪测量方法虽具有较高的测量精度，但其具有安装受限、调整繁琐等缺点2；因此有必要寻求一种通用性强且精度较高的运动轴测量方法。激光追踪仪是精密测量领域的代表工具，广泛用于各行业高端制造以及科研院所的学术研究中，具有性能稳定、测量精度高、易于操作、便于携带等优点，同时也是大尺寸精密测量的常用解决方案3。实验选用 API Radian Pro 激光追踪仪，主要由跟踪头、三脚架、靶球、环境监测元件、控制器和笔记本等部分组成，具有内置激光干涉仪、大范围测量（水平 640，垂向138）、Self-Diagnos-tics 自我诊断功能、高精度 ADM-Maxx 绝对测距、I-Vision 靶球自动锁定功能、Shake to Drive 靶球召唤功能等特性。在完成现有测量方法和测试仪器分析后，提出了基于激光追踪仪的测量方法，主要研究了运动直线度、运动姿态及重复定位精度等单一轴性能参数，着重介绍了其测量原理、测量流程及数据处理，通过对比实验进行可行性分析，此测量方法符合实际要求而且可行。1测试原理测量原理的核心是将运动轴性能测试转化为数学问题，选用高精度直线模组构造垂向运动测试装置，直角布置 3 个靶球（直角三角形的三个顶点），两直角边的方向分别平行于设备坐标系 x、y向，再依托实验室 API Radian Pro 激光追踪仪进行测试，对比测试结果与选型参数验证方法的可行性。其中高精度直线模组必备性能为：运动直线度0.02 mm/m、运动姿态300 rad、重复定位精度不大于0.015 mm；激光追踪仪工作坐标系与设备坐标系方向一致，原点位于靶球 2 的球心处。1.1运动直线度测量原理运动直线度是指运动过程中被测实际要素对其理想直线的变动量，其公差带通常是一个圆柱体，需要按设计方向进行正交分解，常用最小包容区域的宽度或直径来评定其形状误差4。测试原理如图 1 所示，测试装置由下向上（Z 向）运动，分A1 步等步长走完全程，测量初始位置 3 个靶球坐标，构建初始位置坐标系 WCS1并设为激光追踪仪的工作坐标系，依次测量不同位置目标靶球坐标，直至获得 A 组实验数据为止并记为（xi，yi，zi），数据处理且正交分解后得到 x 向与 y 向的运动直线度 fx与 fy。1.2运动姿态测量原理运动姿态是指运动过程中俯仰角（pitch）、翻滚角（roll）与偏航角（yaw）3 个参数的变化5，方向通常以运动轴前进方向为判断依据，此处分别对应测试装置的 Ry、Rz和 Rx。测试原理如图 2 所示，Key words:Moving axis；Laser tracker；Straightness；Motion attitude；Repetitive positioning accuracy.图1运动直线度测量原理示意图实验装置靶球 1靶球 2（目标靶）激光追踪仪靶球 3位置 i位置 i-1位置 3位置 2初始位直线度示意zxyfyfx测试测量技术与设备45（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022分 A1 步等步长走完全程，测量每个位置 3 个靶球的坐标，构建每个位置的坐标系 WCSi，设定坐标系 WCS1为激光追踪仪工作坐标系，可得到其余位置坐标系相对于 WCS1的 Rxi、Ryi与 Rzi，其中 i=1、2、A，数据处理后可得到运动姿态pitch、roll 与 yaw 的数值。1.3重复定位精度测量原理重复定位精度是指在相同条件下所得到连续测量结果的一致程度6，其样本数据一般符合正态分布。测试原理如图 3 所示，依据设备工位确定检测位置，运动高位与运动低位位于检测位置两侧且距离不限，测量运动低位 3 个靶球坐标，构建初始位置坐标系 WCS1并设为激光追踪仪的工作坐标系，重复测量目标靶球经过检测位置时的坐标，直到获得 A 组实验数据结束，依据统计学数据处理方法得到装置的重复定位精度。1.4数据处理实验数据一般可以分为全程变量和独立变量，全程变量是指只有当运动轴走完全程后才能获得完整的实验数据；所述独立变量是指测量过程等效为独立重复实验，为满足统计学需求而进行的多次测量。针对全程变量实验数据，多采用“最值法”处理，即用两条边界量包络实验数据变化，具体如下：（1）剔除粗大误差，判定标准|Xi|2|Xi-1|，|Xi+1|，则认定 Xi数据为粗大误差，建议剔除后再进行数据处理；（2）量化为“max-min”，方向结合设计需求判定；针对独立变量实验数据，多采用“3 准则”数据处理7，由于实验数据满足统计学变量才可运用“3 准则”数据处理，因此要求实验数据不可过少，实验数据过多虽满足统计学要求，但测量过程效率低，兼顾样本容量误差与测试效率后，样本容量一般要求30 即可。所以运动直线度和运动姿态选用“最值法”处理实验数据，重复定位精度选用“3 准则”处理实验数据。2精度分析2.1运动直线度测量精度运动直线度测量流程如图 4 所示。准备实验资料包括激光追踪仪调试、装置调试，布置靶球等；样本容量 A 与设计工位有关，若测试装置 Z 向总行程为 L mm，设计最小工位为X mm，分 A1 步走完全程，则按照实验驱动步长 L=L/(A-1)X 确定 A 的范围（A 为正整数），为保证测试精度一般要求样本容量 A10，所以样本容量 A=maxLX+1，10；运动直线度正交分解方向依据设计需求判定，一般与设备运行图2运动姿态测量原理示意图图3重复定位精度测量原理示意图实验装置靶球 1靶球 2激光追踪仪靶球 3位置 i位置 i-1位置 3位置 2初始位运动姿态方向zxy位置 i-2yawrollpitch实验装置靶球 1激光追踪仪靶球 3运动低位设备坐标系zxyP2靶球 2（目标靶）运动高位检测位P4P1P3P30测试测量技术与设备46（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022图5运动直线度测试结果图6运动姿态测量流程图图4运动直线度测量流程图坐标系方向一致；测量初始位置 3 个靶球坐标构造工作坐标系 WCS1，方向与直线度分解方向一致，原点在目标靶球球心处；依次测量不同位置目标靶球坐标，得到 A 组原始实验数据并记为（xi，yi，zi），令 xi=xix1与 yi=yi-y1获得正交分解后的实验数据，其中 i=1、3、A；运动直线度实验数据为全程变量，按“最值法”处理实验数据得测试结果，如图 5 所示。实验结果表明，测试装置的运动直线度分别为 fx=0.018 mm/m 与 fy=0.015 mm/m，符合直线模组选型设计0.02 mm/m 指标要求，但测试结果与设计指标非常接近。2.2运动姿态测量精度运动姿态测量流程如图 6 所示。其中样本容量 A 确定方法同上，测试装置的俯仰角（pitch）、翻滚角（roll）与偏航角（yaw）分别对应其 Ry、Rz和 Rx；测量每个位置 3 个靶球坐标，得到 A 组原始实验数据为止，记为（x1i，y1i，z1i）、（x2i，y2i，z2i）、（x3i，y3i，z3i），依据 3 个靶球坐标构造每个测量位置的坐标系 WCSi，设定 WCS1为工作坐标系，进而得到其余位置坐标系相对于 WCS1的 Rxi、Rxi与 Rxi，其中 i=1、2、A；运动姿态实验数据为全程变量，按“最值