On-line six-degree-of-freedom errors measurement and compensation for XY stages

LIN Rongwei; CHENG Zhenying; HE Yaxiong; LI Jie; LI Ruijun

doi:10.37188/OPE.20233112.1761

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On-line six-degree-of-freedom errors measurement and compensation for XY stages

Micro/Nano Technology and Fine Mechanics | 更新时间：2023-07-17

- On-line six-degree-of-freedom errors measurement and compensation for XY stages
- Optics and Precision Engineering Vol. 31, Issue 12, Pages: 1761-1773(2023)
- 作者机构：
  
  合肥工业大学仪器科学与光电工程学院测量理论与精密仪器安徽省重点实验室，安徽合肥 230009
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20233112.1761
  CLC： TP394.1;TH691.9
- Received：16 November 2022，
  
  Revised：17 December 2022，
  
  Published：25 June 2023
- 稿件说明：
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林荣炜,程真英,何亚雄等.XY工作台六自由度误差在线测量和补偿[J].光学精密工程,2023,31(12):1761-1773.

LIN Rongwei,CHENG Zhenying,HE Yaxiong,et al.On-line six-degree-of-freedom errors measurement and compensation for XY stages[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(12):1761-1773.
林荣炜,程真英,何亚雄等.XY工作台六自由度误差在线测量和补偿[J].光学精密工程,2023,31(12):1761-1773. DOI： 10.37188/OPE.20233112.1761.

LIN Rongwei,CHENG Zhenying,HE Yaxiong,et al.On-line six-degree-of-freedom errors measurement and compensation for XY stages[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(12):1761-1773. DOI： 10.37188/OPE.20233112.1761.

摘要

为提高XY工作台对应功能点的空间位置精度，提出了一种六自由度（6-DOF）误差在线测量方法，并建立了相应的误差补偿模型。采用激光干涉原理测量工作台

，

轴方向的定位误差和

轴方向的直线度误差，采用激光自准直原理测量工作台绕

，

轴转动的角度误差，从而实现6-DOF误差的在线测量。分析了6-DOF误差造成工作台对应功能点的空间位置误差，建立了基于阿贝原则和布莱恩原则的误差补偿模型。根据提出的测量方法，研制了一套高精度紧凑型的在位、在线6-DOF测量系统，将其应用于一台微纳米三坐标测量机的工作台上；以SIOS激光干涉仪为参考，对测量系统和误差补偿模型的有效性进行了实验验证，并评定了系统的不确定度。结果表明：经过6-DOF误差测量和补偿后，参考功能点在

，

向的最大位置误差由1.7 μm，3.4 μm，3 μm分别减小至65 nm，81 nm，109 nm，其扩展不确定度分别为90 nm，98 nm，158 nm（

=2）。该方法和系统可被用于提高XY工作台的精度。

Abstract

An on-line six-degree-of-freedom （6-DOF） error measurement method and compensation model for

stages were devised for improving the volumetric positional accuracy of the functional point. The positioning errors in the

- and

-directions of the stage and the straightness error in the

-direction were measured via laser interferometry， and the three angular motion errors around the

-，

-， and

-axes were measured using laser autocollimators. The volumetric positional errors of the functional point caused by the 6-DOF errors of the stage was analyzed， and an error compensation model based on the Abbe and Bryan principle was developed. An in-situ and on-line 6-DOF error measurement system based on the measurement method was developed and applied to a micro-nano coordinate measuring machine， which had high precision and a compact design. The capability of the system and the effectiveness of the model were experimentally verified， and the measurement uncertainty of the system was evaluated. SIOS laser interferometers were used as a reference. Experimental results indicated that the maximum positional errors at the reference functional point in the

-，

-， and

-directions were reduced from 1.7， 3.4， and 3 μm to 65， 81， and 109 nm， respectively， after error compensation， and the expanded uncertainty was 90， 98， and 158 nm （

=2）， respectively. The proposed method and system can be used to increase the accuracy of XY stages.

关键词

Keywords

references

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