XY工作台六自由度误差在线测量和补偿

林荣炜; 程真英; 何亚雄; 李洁; 李瑞君

doi:10.37188/OPE.20233112.1761

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

XY工作台六自由度误差在线测量和补偿

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2026-09-11

- XY工作台六自由度误差在线测量和补偿
- On-line six-degree-of-freedom errors measurement and compensation for XY stages
- 光学精密工程 2023年31卷第12期页码：1761-1773
- 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：
  
  林荣炜（1999-），男，福建人，硕士研究生，2021年于合肥工业大学获得学士学位，主要从事微纳米三坐标测量机的研究。E-mail：2017210106@ mail.hfut.edu.cn
  程真英（1980-），女，江苏人，副教授，硕士生导师，主要从事误差理论和不确定评定的研究。E-mail：chengzhenying01@ hfut.edu.cn
  李瑞君（1976-），男，内蒙古人，教授，博士生导师，主要从事微纳测量技术与系统、光电检测技术与系统及精密控制技术与系统的研究。E-mail：rj-li@hfut.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52175506);国家重点研发计划资助项目(2019YFB2004900)
- DOI：10.37188/OPE.20233112.1761
  中图分类号： TP394.1;TH691.9
- 收稿：2022-11-16，
  
  修回：2022-12-17，
  
  纸质出版：2023-06-25
- 稿件说明：
移动端阅览
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

- an

-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

YANG P ， TAKAMURA T ， TAKAHASHI S ， et al . Development of high-precision micro-coordinate measuring machine： multi-probe measurement system for measuring yaw and straightness motion error of XY linear stage ［J］. Precision Engineering ， 2011 ， 35 （ 3 ）： 424 - 430 . doi: 10.1016/j.precisioneng.2011.01.004 http://dx.doi.org/10.1016/j.precisioneng.2011.01.004

CHEN YL ， ZHU WL ， YANG S ， et al . Large-area profile measurement of sinusoidal freeform surfaces using a new prototype scanning tunneling microscopy ［J］. Precision Engineering ， 2014 ， 38 （ 2 ）： 414 - 420 . doi: 10.1016/j.precisioneng.2013.12.008 http://dx.doi.org/10.1016/j.precisioneng.2013.12.008

CAI Y D ， WANG L H ， LIU Y ， et al . Accuracy improvement of linear stages using on-machine geometric error measurement system and error transformation model ［J］. Optics Express ， 2022 ， 30 （ 5 ）： 7539 - 7550 . doi: 10.1364/oe.453111 http://dx.doi.org/10.1364/oe.453111

范光照，曾百由 . 精密机械精度基础［M］. 台北：高立图书出版社， 2016 .

FAN G ZH ， ZENG B Y . Precision Machinery Precision Foundation ［M］. Taibei ： Gaoli Books Press ， 2016 . （in Chinese）

赵壮，娄志峰，张忠宁，等 . 符合阿贝原则的数控机床几何误差建模［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 4 ）： 885 - 897 .

ZHAO Z ， LOU Z F ， ZHANG Z N ， et al . Geometric error model of CNC machine tools based on Abbe principle ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 4 ）： 885 - 897 . （in Chinese）

HE Y X ， LI R J ， LI J ， et al . Novel compensation method of volumetric errors for micro-coordinate measuring machines using abbe and Bryan principles ［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement ， 2022 ， 71 ： 1 - 10 . doi: 10.1109/tim.2022.3183678 http://dx.doi.org/10.1109/tim.2022.3183678

LOU Y T ， YAN L P ， CHEN B Y ， et al . Laser homodyne straightness interferometer with simultaneous measurement of six degrees of freedom motion errors for precision linear stage metrology ［J］. Optics Express ， 2017 ， 25 （ 6 ）： 6805 . doi: 10.1364/oe.25.006805 http://dx.doi.org/10.1364/oe.25.006805

BÜCHNER H J ， JÄGER G . A novel plane mirror interferometer without using corner cube reflectors ［J］. Measurement Science and Technology ， 2006 ， 17 （ 4 ）： 746 - 752 . doi: 10.1088/0957-0233/17/4/021 http://dx.doi.org/10.1088/0957-0233/17/4/021

GAO W ， ARAI Y ， SHIBUYA A ， et al . Measurement of multi-degree-of-freedom error motions of a precision linear air-bearing stage ［J］. Precision Engineering ， 2006 ， 30 （ 1 ）： 96 - 103 . doi: 10.1016/j.precisioneng.2005.06.003 http://dx.doi.org/10.1016/j.precisioneng.2005.06.003

SAITO Y ， ARAI Y ， GAO W . Investigation of an optical sensor for small tilt angle detection of a precision linear stage ［J］. Measurement Science and Technology ， 2010 ， 21 （ 5 ）： 054006 . doi: 10.1088/0957-0233/21/5/054006 http://dx.doi.org/10.1088/0957-0233/21/5/054006

张聪，刘文正，段发阶，等 . 长导轨五自由度测量中直线度精度提升方法与优化设计［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 20 ）： 2467 - 2478 . doi: 10.37188/OPE.20223020.2467 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223020.2467

ZHANG C ， LIU W Z ， DUAN F J ， et al . Accuracy improvement method and optimal design of straightness in five-degree-of-freedom measurement of long guide ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 20 ）： 2467 - 2478 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223020.2467 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223020.2467

CAI Y D ， YANG B H ， FAN K C . Robust roll angular error measurement system for precision machines ［J］. Optics Express ， 2019 ， 27 （ 6 ）： 8027 - 8036 . doi: 10.1364/oe.27.008027 http://dx.doi.org/10.1364/oe.27.008027

尹云飞，刘兆武，吉日嘎兰图，等 . 二维光栅位移测量技术综述［J］. 中国光学， 2020 ， 13（ 6 ） 1224 - 1238 . doi: 10.37188/co.2020-0237 http://dx.doi.org/10.37188/co.2020-0237

YIN Y F ， LIU Z W ， JI R ， et al . Overview of 2D grating displacement measurement technology ［J］. Chinese Journal of Optics ， 2020 ， 13 （ 6 ）： 1224 - 1238 . （in Chinese） . doi: 10.37188/co.2020-0237 http://dx.doi.org/10.37188/co.2020-0237

GAO W ， KIM S W ， BOSSE H ， et al . Measurement technologies for precision positioning ［J］. CIRP Annals ， 2015 ， 64 （ 2 ）： 773 - 796 . doi: 10.1016/j.cirp.2015.05.009 http://dx.doi.org/10.1016/j.cirp.2015.05.009

王磊杰，张鸣，朱煜，等 . 面向浸没式光刻机的超精密光学干涉式光栅编码器位移测量技术综述［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 9 ）： 1909 - 1918 . doi: 10.3788/ope.20192709.1909 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192709.1909

WANG L J ， ZHANG M ， ZHU Y ， et al . Review of ultra-precision optical interferential grating encoder displacement measurement technology for immersion lithography scanner ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 9 ）： 1909 - 1918 （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20192709.1909 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192709.1909

FAN KC ， CHEN MJ . A 6-degree-of-freedom measurement system for the accuracy of X-Y stages ［J］. Precision Engineering ， 2000 ， 24 （ 1 ）： 15 - 23 . doi: 10.1016/s0141-6359(99)00021-5 http://dx.doi.org/10.1016/s0141-6359(99)00021-5

GAO Z ， HU J ， ZHU Y ， et al . A new 6-degree-of-freedom measurement method of X - Y stages based on additional information ［J］. Precision Engineering ， 2013 ， 37 （ 3 ）： 606 - 620 . doi: 10.1016/j.precisioneng.2013.01.006 http://dx.doi.org/10.1016/j.precisioneng.2013.01.006

CHEN YT ， LIN WC ， LIU CS . Design and experimental verification of novel six-degree-of freedom geometric error measurement system for linear stage ［J］. Optics and Lasers in Engineering ， 2017 ， 92 ： 94 - 104 . doi: 10.1016/j.optlaseng.2016.10.026 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2016.10.026

吕勇，冯其波，刘立双，等 . 基于多准直光的六自由度测量方法［J］. 红外与激光工程， 2014 ， 43 （ 11 ）： 3597 - 3602 . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2014.11.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2014.11.016

LV Y ， FENG Q B ， LIU L S ， et al . Six-degree-of-freedom measurement method based on multiple collimated beams ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2014 ， 43 （ 11 ）： 3597 - 3602 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2014.11.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2014.11.016

LI X ， GAO W ， MUTO H ， et al . A six-degree-of-freedom surface encoder for precision positioning of a planar motion stage ［J］. Precision Engineering ， 2013 ， 37 （ 3 ）： 771 - 781 . doi: 10.1016/j.precisioneng.2013.03.005 http://dx.doi.org/10.1016/j.precisioneng.2013.03.005

YU K N ， ZHU J H ， YUAN W H ， et al . Two-channel six degrees of freedom grating-encoder for precision-positioning of sub-components in synthetic-aperture optics ［J］. Optics Express ， 2021 ， 29 （ 14 ）： 21113 - 21128 . doi: 10.1364/oe.427307 http://dx.doi.org/10.1364/oe.427307

TORRALBA M ， VALENZUELA M ， YAGÜE-FABRA J A ， et al . Large range nanopositioning stage design： a three-layer and two-stage platform ［J］. Measurement ， 2016 ， 89 ： 55 - 71 . doi: 10.1016/j.measurement.2016.03.075 http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2016.03.075

MANSKE E ， FRÖHLICH T ， FÜßL R ， et al . Progress of nanopositioning and nanomeasuring machines for cross-scale measurement with sub-nanometre precision ［J］. Measurement Science and Technology ， 2020 ， 31 （ 8 ）： 085005 . doi: 10.1088/1361-6501/ab848c http://dx.doi.org/10.1088/1361-6501/ab848c

TIAN W ， GAO W ， ZHANG D ， et al . A general approach for error modeling of machine tools ［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture ， 2014 ， 79 ： 17 - 23 . doi: 10.1016/j.ijmachtools.2014.01.003 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2014.01.003

HUANG Y B ， FAN K C ， LOU Z F ， et al . A novel modeling of volumetric errors of three-axis machine tools based on Abbe and Bryan principles ［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture ， 2020 ， 151 ： 103527 . doi: 10.1016/j.ijmachtools.2020.103527 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2020.103527

LIU H W ， XIANG H ， CHEN J H ， et al . Measurement and compensation of machine tool geometry error based on Abbe principle ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2018 ， 98 （ 9 ）： 2769 - 2774 . doi: 10.1007/s00170-018-2471-2 http://dx.doi.org/10.1007/s00170-018-2471-2

吴天凤，李莉，杨洪涛 . 数控机床XY工作台单向运动二维阿贝误差分析与建模［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29（ 2 ） 329 - 337 . doi: 10.37188/OPE.20212902.0329 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212902.0329

WU T F ， LI L ， YANG H T . Two-dimensional abbe error analysis and modeling of CNC machine tool XY table unidirectional movement ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 2 ）： 329 - 337 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212902.0329 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212902.0329

李瑞君，李洁，何亚雄，等 . 微纳米三坐标测量机三轴垂直度误差测量及建模补偿［J］. 计量学报， 2022 ， 43 （ 4 ）： 452 - 456 . doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.03 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.03

LI R J ， LI J ， HE Y X ， et al . Measurement and compensation modeling of perpendicularity errors of micro-nano CMM ［J］. Acta Metrologica Sinica ， 2022 ， 43 （ 4 ）： 452 - 456 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.03 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.03

浏览量

1972

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

符合阿贝原则的数控机床几何误差建模

基于粒子滤波的多自由度运动目标跟踪

圆光栅角度传感器的误差补偿及参数辨识

基于通道注意力增强网络的高效消色差超透镜逆向设计

数字散斑干涉应力应变同步测量