GB/T 38614-2020.Measurement method for nano positioning and scanning stage based on flexure hinge mechanism and piezo actuator.
1范围
GB/T 38614规定了基于柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的纳米定位与扫描平台(以下简称为平台)的测量条件、测量系统和测量方法。
GB/T 38614适用于平台的研究、设计、生产、检测及使用。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 11336-2004直线 度误差检测
GB/T 38616-2020纳米定位与扫描平台术语
3术语和定义
GB/T 38616-2020界定的术语和定义适用于本文件。
4测量条件
平台的测量应满足如下条件:.
a)测量场地应无影响测量精度的灰尘、振动、气流扰动和较强磁场;
b)测量时 的环境温度为(20士1)°C,其变化应不大于0.5 C/h;
c) 测量时的环境相对湿度为(50士5)%;
d)测量前应确认平台无影响测量正确性实施和测量结果的外观缺陷;
e)测量时平台处于正常工作状态。
5测量仪器
本标准中推荐使用激光干涉仪(以下简称干涉仪),角摆偏差也可使用自准直仪,测量仪器精度应满足测量要求。
6测量方法
6.1轴向行程
6.1.1测量步骤
将干涉仪严格对准平台,按照以下步骤进行轴向行程测量:
a)将平台移动至行程反向极限位置,干涉仪测量读数清零;
b)将平台 移动至行程正向极限位置,记录干涉仪测量值;
c)重复步骤a)和步骤b)不应少于3次。

ICS01.040.39
中华人民共和国国家标准
GB/T38614—2020
基于柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的纳米定位与扫描平台测量方法
Measurement method for nano positioning and scanning stagebased on flexure hinge mechanism and piezo actuator2020-04-28发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2020-11-01实施
规范性引用文件
术语和定义
测量条件
测量仪器
测量方法
轴向行程
准确度
单向重复定位精度
双向重复定位精度
迟滞误差
线性度
位移分辨力
角摆偏差
直线度
平面度
正交误差
GB/T38614—2020
本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草本标准由全国电子测量仪器标准化技术委员会（SAC/TC153)提出并归口。GB/T38614—2020
本标准起草单位：沈阳建筑大学、三英精控（天津）仪器设备有限公司、广东工业大学、中国计量科学研究院、苏州昊通仪器科技有限公司、沈阳理工大学。本标准主要起草人：须颖、戴敬、邵萌、安冬、施玉书、贾静、戴超、文杰、石怀涛。m
1范围
基于柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的纳米定位与扫描平台测量方法
GB/T38614—2020
本标准规定了基于柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的纳米定位与扫描平台（以下简称为平台）的测量条件、测量系统和测量方法。本标准适用于平台的研究、设计、生产、检测及使用。规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件eeiKAca
GB/T11336一2004直线度误差检测GB/T38616—2020纳米定位与扫描平台术语术语和定义
GB/T38616—2020界定的术语和定义适用手本文件4
测量条件
平台的测量应满足如下条件：
a）测量场地应无影响测量精度的灰尘、振动、气流扰动和较强磁场；b）
测量时的环境温度为（20主1）℃，其变化应不大于0.5℃/h；测量时的环境相对湿度为（50士5）%；测量前应确认平台无影响测量正确性实施和测量结果的外观缺陷；d）
测量时平台处于正常工作状态。测量仪器
本标准中推荐使用激光干涉仪（以下简称干涉仪），角摆偏差也可使用自准直仪，测量仪器精度应满足测量要求。
测量方法
6.1轴向行程
6.1.1测量步骤
将干涉仪严格对准平台，按照以下步骤进行轴向行程测量：GB/T38614—2020
将平台移动至行程反向极限位置，干涉仪测量读数清零；a)
将平台移动至行程正向极限位置，记录干涉仪测量值；重复步骤a)和步骤b)不应少于3次。6.1.2计算
轴向行程T，按式(1)计算：
式中：
平台第）次轴向行程测量值；
测量次数，n≥3。
2准确度
测量步骤
将干涉仪严格对准平台，按照以下步骤进行准确度测量：(1)
a）按图1所示，在全行程平均分布11个测量位置，分别为p，（i=1,2，，11），其中p,为行程反向极限位置·P为行程正向极限位置：将平台移动至第1个测量位置Pi，干涉仪测量读数清零b)
将平台从pi开始依次定位到p2P3，…，P1，在每个位置稳定后记录该位置的干涉仪测量值；d)
重复步骤b)和步骤c)不应少于5次。图1单向测量位置行程示意图
6.2.2计算
第i个测量位置的准确度A，·按式（2)计算：A.
式中：
平台第个测量位置的第1次测量值；P
平台第个测量位置的目标值；
测量次数，n≥5。
取A=max(A,)为平台被测轴的准确度。6.3
单向重复定位精度
测量步骤
Gi=1.2,...1)
单向重复定位精度测量步骤同6.2.1，其中步骤d）的重复步骤b）和步骤c）不应少于10次6.3.2计算
单向重复定位精度计算过程如下：2
a）按式（3)确定第i个测量位置的正向平均测量值P，+：P,个
式中：
(=1,2,.,11)
平台第个测量位置的第；次正向测量值；测量次数，n≥10。
第个测量位置的正向重复定位精度R，个，按式（4)计算：Z(P, +-P,+)2
式中：
一平台第个测量位置的第；次正向测量值；G=1,2,..,11)
一平台第个测量位置的正向平均测量值P，个；测量次数，n≥10。
取R=max(R，+）为平台被测轴的正向重复定位精度。GB/T38614—2020
·.（3）
注：本标准中仅规定了正向重复定位精度的测量方法，反向重复定位精度的测量方法参照正向重复定位精度。6.4双向重复定位精度
6.4.1测量步骤
将干涉仪严格对准平台，按照以下步骤进行双向重复定位精度测量：按图2所示，在全行程平均分布11个测量位置，分别为p，（i=1.2.，11)，其中P为行程反a）
向极限位置，P1为行程正向极限位置；将平台移动至第1个测量位置p1，干涉仪测量读数清零；b)
将平台从P,开始依次正向定位到P2P3，….P11再从p11开始依次反向定位到p10Pg，，c
P1.在每个位置稳定后记录该位置的干涉仪测量值；d）重复步骤c)不应少于6次。
双向测量位置行程示意图
6.4.2计算
双向重复定位精度计算过程如下：P
a）由于第一次测量误差较大，在进行双向重复定位精度数据处理时将第一次测量数据去掉，取m=n-1,其中n为测量次数。
b）按式（5)确定第i个测量位置的双向平均测量值P：P.++P.
(i=-1.2....,11)
（5）
GB/T38614—2020
式中：
平台第主个测量位置的正向平均测量值；平台第个测量位置的反向平均测量值第i个测量位置的正向重复定位精度R，个，按式（6)计算：S(P,+-P)2
式中：
平台第：个测量位置的第次正向测量值；平台第：个测量位置的双向平均测量值：测量次数n-1,m≥5。
(i=1,2....,11)
第个测量位置的反向重复定位精度R，★，按式（7)计算：d)
(P,★-P)2
式中：
平台第；个测量位置的第，次反向测量值；P
平台第个测量位置的双向平均测量值；测量次数n-1,m≥5。
(=1,2,.,11)
取R=max(R，个,R，）为平台被测轴的双向重复定位精度。iKaee
6.5迟滞误差
6.5.1测量步骤
将干涉仪严格对准平台，按照以下步骤进行迟滞误差测量：·（6)bzxz.net
·（7)
按图2所示，在全行程平均分布11个测量位置，分别为p（i=1,2，.…，11），其中P,为行程反向极限位置，p为行程正向极限位置；将平台移动至第1个测量位置，干涉仪测量读数清零；b)
将平台从pi开始依次正向定位到p2p3，..p11.再从n开始依次反向定位到popg，c
Pi，在每个位置稳定后记录该位置的干涉仪测量值；d）重复步骤b)和步骤c)不应少于5次。6.5.2计算
迟滞误差计算过程如下：
a）按式（8)计算第个测量位置的反向差值B：：B,-P-P.
(=1,2,..,11)
式中：
平台第个测量位置的正向平均测量值；平台第，个测量位置的反向平均测量值·（8)
b）取测量位置反向差值绝对值的最大值max(B.I)为平台的轴向反向差值B,即：B=max(|B,I)。c）迟滞误差H，按式（9)计算：8H=B/T×100%
式中：
T—平台轴向行程；
轴向反向差值。
6.6线性度
6.6.1测量步骤
线性度测量步骤同6.2.1。
6.6.2计算
线性度计算过程如下：
a）按式（3)确定第1个测量位置的正向平均测量值P，个；GB/T38614—2020
按图3所示，以指令p.为横坐标，P，为纵坐标建立直角坐标系，对P，+（i=1,2，，11)进b）
行最小二乘线性拟合，计算出P，与其对应的拟合点P+之间最大偏差值的绝对值△Pmx；c）线性度L，按式（10)计算：
O,=APmx/T×100%
aeeiKAca=
式中：
△Pmax
平台轴向行程；
最大偏差值的绝对值。
注1:·—第1个测量位置的平均测量值P，1。注2：0
—与P，+对应的最小二乘拟合点P（图3APmx求解示意图
最小一乘
拟合直线
.（10)
GB/T38614—2020
位移分辨力
测量步骤
将干涉仪严格对准平台，按照以下步骤进行位移分辨力测量：a)
按图4所示，将全行程十等分，依据平台的有效带宽设置合适的采样频率，使得采集的数据信息覆盖平台的有效带宽；
将平台移动至反向极限位置，干涉仪测量读数清零；b)
将平台按照图4所示的台阶波运动，每个台阶待系统稳定后记录干涉仪测量值。c
注1：采样频率的设置要高于平台系统工作频带宽度的2倍。注2：系统稳定时间取系统阶跃响应稳定时间的2倍。100
6.7.2计算
行程为100μm的平台位移分辨力测量示意图图4
位移分辨力计算过程如下：
a）将每个台阶波测量数据平均分成3段，分别计算3段数据的标准偏差值，取3段数据标准偏差值的平均值作为相应台阶的位移分辨力E,（i=1.2，，10）；b)
取e=max(e,)为平台的轴向位移分辨力。6.8
角摆偏差
测量步骤
6.8.1.1干涉仪法
将干涉仪严格对准平台，按照以下步骤进行角摆偏差测量：a）按图1所示，在全行程平均分布11个测量位置，分别为p，（i=1.2，，11)，其中p为行程反向极限位置，P1为行程正向极限位置；将平台移动至第1个测量位置P，干涉仪测量读数清零；b)
GB/T38614—2020
c）将平台从p开始依次定位到p2p3，\，pll在每个位置稳定后记录该位置偏摆角p俯仰角80.和滚转角8%.的干涉仪测量值；重复步骤b)和步骤c)不应少于5次；d）
此方法为仲裁方法。
自准直仪法
将自准仪严格对准平台按照以下步骤进行角摆偏差测量：a）
按图1所示，在全行程平均分布11个测量位置，分别为P，（i=1,2.，11)，其中P1为行程反向极限位置，Pn为行程正向极限位置；偏摆角，和俯仰角80的测量设置如图5所示，将平台移动至第1个测量位置P1.自准直仪b)
测量读数清零；
将平台从p开始依次定位到p2p…，pi1.在每个位置稳定后记录该位置偏摆角.和俯仰角0的自准直仪测量值；
重复步骤b)和步骤c)不应少于5次；滚转角8Y.的测量设置如图6所示，将平台移动至第1个测量位置P1，自准直仪测量读数清零；
将平台从pi开始依次定位到p2·ps，*p11在每个位置稳定后记录该位置滚转角8的自准直仪测量值：
重复步骤e)和步骤f)不应少于5次。白准直议
运动轴方问
自准直仪测量偏摆角8d和俯仰角80示意图自族直仪
图6自准直仪测量滚转角8示意图6.8.2计算
角摆偏差计算过程如下：
运动轴方
分别按式（11)、式（12)、式（13)确定第i个测量位置的角摆偏差平均值。；85,8：a）
(G=1.2....,11)
.（11)
GB/T38614—2020
式中：
(=1,2,,11)
(1-1.2.....11)
平台第个测量位置的第，次偏摆角测量值；8
平台第个测量位置的第，次俯仰角测量值；平台第1个测量位置的第次滚转角测量值；测量次数，n≥5。
取=max(.）为平台运动轴向的偏摆角。b)
取0=max(.)为平台运动轴向的俯仰角。取8=max()为平台运动轴向的滚转角。6.9直线度
测量步骤
将干涉仪严格对准平台，按照以下步骤进行直线度测量：（12）
·（13)
以X轴作为被测轴为例，建立空间直角坐标系XYZ；在全行程平均分布11个测量位置，分别a
为p；（i=1,2，,11)，其中p.为行程反向极限位置pu为行程正向极限位置；b
将平台移动至第1个测量位置P，Y轴干涉仪和Z轴干涉仪测量读数清零；将平台从Pi开始依次定位到P2P:，Pi，在每个位置稳定后记录该位置的干涉仪测量值；记录Y轴干涉仪第i个测量位置的值为P（i=1,2，，11）；Z轴干涉仪第i个测量位置的值d)
为P(i=-1,2,,11);
重复步骤b)～步骤d)不应少于5次。e)
6.9.2计算
直线度计算过程如下：
a）按式（14)确定Y方向第i个测量位置的单向平均测量值P：p
式中：
(i=1.2,.,11)
平台第个测量位置的Y轴干涉仪第；次测量值；测量次数，n≥5。
按式(15)确定Z方向第i个测量位置的单向平均测量值P，1：h)
式中：
(i-1.2,....11)
平台第个测量位置的乙轴干涉仪第，次测量值；测量次数，n≥5。
....(14)
（15）
c）按式（16)确定第i个测量位置的测量失量合成值P，1：+=+?+P+?
G-1,2,...,11)
式中：
P个—Y方向第i个测量位置的单向平均测量值；P个—乙方向第i个测量位置的单向平均测量值，GB/T38614—2020
.·（16)
d）按图7所示，对P个（i=1.2，.，11)进行最小二乘拟合得到最小二乘拟合直线lis，分别计算出P，个（i=12，，11）到11s的垂直距离，取其中的最大值△Pmx，计算方法按照GB/T11336—2004;
e）X轴运动时的直线度误差L，按式（17）计算L=24Pmax
式中：
X方向，第i个测量位置单向最大测量值。注：Y轴、Z轴直线度误差测量方法参照X轴测量方法。21
注1：0
注2：11s
6.10平面度
第个测量位置的测量失量合成值。最小二乘中线。
图7APri-max求解示意图
6.10.1测量步骤
将于涉仪严格对准平台，按照以下步骤进行平面度测量：·（17)
平台在XY平面内运动的平面度测量，按图8所示，建立空间直角坐标系XYZ，被测平面为X轴和Y轴所建立的平面，在平面范围内，沿X轴和Y轴平均分布11X11个测量位置，记为p(i.j);
将平台移动至第一个测量位置p（1，1)，Z轴干涉仪测量读数清零；b)
将平台从P(1，1)开始按图8所示蛇形网格布点形式沿各条测量线逐点顺序定位，直至定位到c
p(11,11),在每个位置稳定后记录该位置的Z轴干涉仪测量值Zaj>；重复步骤b)和步骤c)不应少于5次。d）
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