一種三維大行程精密工作臺測量系統(tǒng)自標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種三維大行程高精度工作臺測量系統(tǒng)自標(biāo)定方法，屬于超精密加工 及測量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 超精密工作臺在精密工程領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸廣泛，對于多維工作臺的測量精度要求 越來越高，在超精密加工及檢測裝備中，對多維工作臺的運動及定位精度要求往往是納米 級。其中，針對大行程、大范圍的三維精密工作臺，限于當(dāng)前的制造和計量水平，無法輕易得 到傳統(tǒng)工作臺標(biāo)定方法所需的標(biāo)準(zhǔn)計量工具進(jìn)行傳統(tǒng)標(biāo)定工作，從而產(chǎn)生了超精密三維工 作臺的標(biāo)定難題。
[0003] 自標(biāo)定方法被認(rèn)為是解決標(biāo)定領(lǐng)域難題的重要手段，自標(biāo)定方法目前已在二維 標(biāo)定和部分三維標(biāo)定領(lǐng)域被研宄、開發(fā)和利用。其大致思路是：采用標(biāo)記點精度低于被 標(biāo)定對象的輔助測量裝置作為媒介，通過輔助測量裝置獲取不同位姿的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比 較，消除該輔助測量裝置標(biāo)記點位置精度的影響，進(jìn)而得到精密工作臺的標(biāo)定函數(shù)，實現(xiàn) 超精密工作臺系統(tǒng)誤差的標(biāo)定。例如美國學(xué)者Ye在研宄論文"An exact algorithm for self-calibration of precision metrology stages" 中針對 IOOX 100mm 的二維標(biāo)定區(qū) 域，進(jìn)行自標(biāo)定理論和方法研宄，并且標(biāo)定結(jié)果至少能夠達(dá)到百納米量級精度，該方法通過 獲得三個不同位姿的測量信息建立系統(tǒng)誤差方程，經(jīng)過一定的算法獲得G m，n。例如專利文獻(xiàn) 2014102563186(公開日為2014年8月27日），利用一種二維柵格玻璃板做輔助測量裝置， 并完成XY二維工作臺的大行程自標(biāo)定，但該方法僅僅局限于二維工作臺的大行程自標(biāo)定， 其算法無法解決三維自標(biāo)定的問題，同時亦沒有涉及到三維工作臺的大行程自標(biāo)定問題。
[0004] 韓國學(xué)者Yoo在文章"Self-calibration algorithm for testing out-of-plane errors of two-dimensional profiling stages" 中，提出了一種 2.5 維的自標(biāo)定方法， 其是針對三維工作臺利用介于二維和三維之間的一種手段進(jìn)行自標(biāo)定工作，但并不能完全 意義上算作三維自標(biāo)定方法。清華大學(xué)學(xué)者Hu，在文章 "A holistic self-calibration Approach for Determination of Three-Dimensional Stage Error"中針對有限量程三維 工作臺的局部區(qū)域，利用測量誤差模型提出局部區(qū)域的自標(biāo)定算法。然而，對于實際的三維 工作臺來說，需要標(biāo)定的可能是一個范圍較大的工作臺區(qū)域，或者是立方體形狀等非正方 體區(qū)域，目前的自標(biāo)定方法無法輕易得到所需的三維工作臺大范圍區(qū)域的系統(tǒng)誤差G m，n，k， 并且目前已有的自標(biāo)定方法并沒有針對大行程、大范圍三維工作臺標(biāo)定的有效方法，原有 的自標(biāo)定技術(shù)無法解決該類問題。
[0005] 根據(jù)上述背景所述，目前針對三維工作臺自標(biāo)定方法面臨的問題是：缺乏適用于 大行程、大范圍工作臺的自標(biāo)定方法，而且面對較大范圍且形狀不規(guī)則（如非正方體形狀） 區(qū)域時，沒有行之有效的解決辦法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種三維大行程精密工作臺測量系統(tǒng)自標(biāo)定方法，該方法克 服已有超精密三維工作臺自標(biāo)定算法的不足，提出一種有效的，可擴(kuò)展至大行程、大范圍的 超精密工作臺自標(biāo)定方法。該方法不局限于三維工作臺的工作區(qū)域必須為正方體形狀，既 可以是立方體形，甚至可以是不規(guī)則空間形狀，可以在超精密測量范疇內(nèi)沒有標(biāo)準(zhǔn)測量工 具的條件下實現(xiàn)三維工作臺測量系統(tǒng)的精確自標(biāo)定。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] -種三維大行程精密工作臺測量系統(tǒng)自標(biāo)定方法，其特征在于所述自標(biāo)定方法包 括以下步驟：
[0009] 1)準(zhǔn)備一塊立方體形狀的光學(xué)玻璃塊，在該光學(xué)玻璃塊的X軸方向、Y軸方向和Z 軸方向分別刻有N條直線刻線，在光學(xué)玻璃塊表面和內(nèi)部形成均勻等分的NXNXN的柵格 陣列刻線，其中N為大于1的正整數(shù)，柵格刻線與理想刻線間的偏差記為輔助誤差A(yù) m，n，k，其 中m、n、k分別為刻線交點在X軸方向、Y軸方向和Z軸方向的坐標(biāo)；
[0010] 2)選取三維工作臺運動行程內(nèi)某個區(qū)域作為首個被標(biāo)定的局部區(qū)域，將光學(xué)玻璃 塊固定放置于被標(biāo)定的三維工作臺上，作為起始位姿；在被標(biāo)定的三維工作臺的X軸方向 上裝有X軸位置傳感器，Y方向上裝有Y軸位置傳感器，Z方向上裝有Z軸位置傳感器，其中 光學(xué)玻璃塊的柵格刻線精度等于或小于被標(biāo)定的三維工作臺的測量精度；
[0011] 3)在起始位姿中，通過三維工作臺上的X軸位置傳感器、Y軸位置傳感器和Z軸位 置傳感器測量，并記錄該位姿下光學(xué)玻璃塊上每個柵格刻線交點的坐標(biāo)讀數(shù)，所得測量讀 數(shù)與交點坐標(biāo)準(zhǔn)確值之間的偏差記為\ m，n，k，也即起始位姿下自標(biāo)定模型：
[0012] 乂。，"1，1^=6。，" 1，11，1;+八111，11， 1^。，"1，11，1;+1'。，"1， 11，1;，其中：￥。，"1，11， 1;的腳標(biāo)0表示起始位姿，6。，"1，11，1; 為系統(tǒng)誤差，Etln^k為調(diào)整誤差，r 為隨機(jī)測量噪聲；將光學(xué)玻璃塊繞著Z軸進(jìn)行逆時 針90°旋轉(zhuǎn)，測量并記錄在旋轉(zhuǎn)位姿下光學(xué)玻璃塊上每個刻線交點所對應(yīng)的X軸位置傳感 器、Y軸位置傳感器和Z軸位置傳感器的讀數(shù)，獲得該旋轉(zhuǎn)位姿下的自標(biāo)定模型： _3] \"1,",1;=61, 1^1^,11,1^1,111, 11,1;+1'1,1^，其中：\ 1^的腳標(biāo)1表示圍繞2軸的旋轉(zhuǎn)位 姿；同理，再將光學(xué)玻璃塊從起始位姿繞著X軸進(jìn)行逆時針90°旋轉(zhuǎn)，測量并記錄在該位姿 下光學(xué)玻璃塊上每個刻線交點所對應(yīng)的X軸位置傳感器、Y軸位置傳感器和Z軸位置傳感器 的讀數(shù)，獲得該旋轉(zhuǎn)位姿下的自標(biāo)定模型: ^2, in, n, k G 2, m, n, k+Am，n, k+E。，m, n, k+r 2, m, n, k? 其中：V 2, m, n, k 的腳標(biāo)2表示圍繞X軸的旋轉(zhuǎn)位姿；再將光學(xué)玻璃塊沿著Y軸方向進(jìn)行一個單位的平移，測 量并記錄平移位姿下光學(xué)玻璃塊上每個刻線交點所對應(yīng)的X軸位置傳感器、Y軸位置傳感 器和Z軸位置傳感器的讀數(shù)，獲得該平移位姿下的自標(biāo)定模型：V 3，m，n，k= G3，m，n，k+Am， n，k+E3，m，n ，k+r3，m，n，k，其中的腳標(biāo)3表示沿著Y軸的平移位姿；
[0014] 4)針對步驟3)中起始位姿、圍繞Z軸的旋轉(zhuǎn)位姿、圍繞X軸的旋轉(zhuǎn)位姿和沿著Y 軸的平移位姿四種位姿記錄下來的自標(biāo)定模型，結(jié)合系統(tǒng)的對稱性建立系統(tǒng)誤差方程：
【主權(quán)項】
1. 一種三維大行程精密工作臺測量系統(tǒng)自標(biāo)定方法，其特征在于所述自標(biāo)定方法包括 以下步驟： 1) 準(zhǔn)備一塊立方體形狀的光學(xué)玻璃塊（5)，在該光學(xué)玻璃塊的X軸方向、Y軸方向和Z 軸方向分別刻有N條直線刻線，在光學(xué)玻璃塊表面和內(nèi)部形成均勻等分的NXNXN的柵格 陣列刻線，其中N為大于1的正整數(shù)，柵格刻線與理想刻線間的偏差記為輔助誤差A(yù) m，n，k，其 中m、n、k分別為刻線交點在X軸方向、Y軸方向和Z軸方向的坐標(biāo)； 2) 選取三維工作臺運動行程內(nèi)某個區(qū)域作為首個被標(biāo)定的局部區(qū)域，將光學(xué)玻璃塊 (5)固定放置于被標(biāo)定的三維工作臺（1)上，作為起始位姿；在被標(biāo)定的三維工作臺（1)的 X軸方向上裝有X軸