【應用指(zhi)南(nan)】淺(qian)談運動(dong)控(kong)制(zhi)中(zhong)的重(zhong)復(fu)定(ding)位精(jing)度(du)

【應用指(zhi)南(nan)】淺(qian)談運動(dong)控(kong)制(zhi)中(zhong)的重(zhong)復(fu)定(ding)位精(jing)度(du)

高(gao)精(jing)度(du)電動(dong)位移控制(zhi)廣(guang)泛應用於(yu)光纖耦合(he)，半(ban)導(dao)體晶(jing)圓(yuan)定(ding)位，微加工(gong)等多(duo)個領(ling)域(yu)。針(zhen)對不同的應用，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)選擇(ze)不(bu)同(tong)的位移控制(zhi)臺(tai)，評估(gu)多(duo)個參數，比如重(zhong)復(fu)性(xing)、精(jing)度(du)、傾(qing)斜(xie)、俯(fu)仰(yang)等等。用戶(hu)通(tong)常(chang)需(xu)要對比多(duo)個廠(chang)家(jia)的技術參數，這會(hui)有很大的風(feng)險(xian)，尤其是在選擇(ze)亞(ya)微米級的應用中(zhong)。這是因(yin)為每(mei)個廠(chang)家(jia)的測(ce)試方法(fa)以(yi)及(ji)測(ce)試條件(jian)的不同，甚至在壹(yi)些(xie)參數的定義上(shang)略有不同。本(ben)文將(jiang)討論真實的運動(dong)控(kong)制(zhi)中(zhong)的關(guan)鍵參數以及(ji)測(ce)試方法(fa)，告(gao)訴您這些(xie)參數實際的意(yi)義。

關(guan)於重(zhong)復(fu)性(xing)

通(tong)常(chang)認為重(zhong)復(fu)性(xing)是(shi)壹(yi)個系(xi)統從不同位置移動(dong)到(dao)同(tong)壹(yi)位置（命令(ling)）很多(duo)次，實際到(dao)達(da)的位置的能(neng)力。對於高(gao)精(jing)度(du)運動(dong)來(lai)講(jiang)，這個參數至關(guan)重(zhong)要。用(yong)戶(hu)需(xu)要(yao)知(zhi)道(dao)他(ta)的器(qi)件(jian)每(mei)次都(dou)能(neng)連續的到達固定(ding)位置。不能(neng)將重(zhong)復(fu)性(xing)和(he)精(jing)度(du)這兩個(ge)概(gai)念(nian)混淆。如下(xia)圖所(suo)示(shi)，壹(yi)個系(xi)統他(ta)可(ke)能(neng)具有非常好的重(zhong)復(fu)性(xing)，但(dan)是(shi)精(jing)度(du)可(ke)能(neng)會(hui)很差(cha)。

在很多(duo)應用中(zhong)，重(zhong)復(fu)性(xing)是(shi)基(ji)本(ben)的壹(yi)個參數。在制(zhi)造(zao)環(huan)境中，如果(guo)沒有壹(yi)個很好的重(zhong)復(fu)性(xing)，也就意(yi)味(wei)著(zhe)沒有壹(yi)個可(ke)靠(kao)的制(zhi)程來(lai)保(bao)證產(chan)品(pin)的壹(yi)致(zhi)性。

產(chan)品(pin)手(shou)冊中的指(zhi)標，通常(chang)都(dou)是在近乎(hu)完(wan)美(mei)的條件(jian)下(xia)測(ce)試獲得(de)的，很難在用戶(hu)實際使用環(huan)境中重(zhong)現(xian)。因(yin)此(ci)，手(shou)冊中的重(zhong)復(fu)性(xing)並(bing)不(bu)能(neng)每(mei)次都(dou)是非(fei)常準確(que)的滿足用(yong)戶(hu)的需求。而且，不(bu)同的測(ce)試方法(fa)以(yi)及(ji)數據(ju)統計(ji)方法(fa)，也會(hui)獲得(de)不同的結果(guo)。

為了(le)獲得(de)真實的重(zhong)復(fu)性(xing)的數據(ju)，對比測(ce)試方法(fa)非(fei)常(chang)重(zhong)要。比(bi)如測(ce)試中(zhong)，采集(ji)了多(duo)少數據(ju)，不同的統計(ji)方法(fa)，不(bu)同(tong)的測(ce)試標準，都(dou)會(hui)對重(zhong)復(fu)性(xing)有很大影響(xiang)。

收(shou)集數(shu)據(ju)

測(ce)試的第1步就是收(shou)集數(shu)據(ju)。數據(ju)的質量，將(jiang)會(hui)決定(ding)誤(wu)差(cha)的範圍。圖2-4是(shi)不(bu)同的結果(guo)。測(ce)量中(zhong)，前(qian)後移動(dong)方向不同，結(jie)果(guo)不(bu)壹(yi)樣，樣(yang)本(ben)數也會(hui)影響(xiang)統(tong)計(ji)結果(guo)。完(wan)美(mei)的重(zhong)復(fu)性(xing)的結果(guo)是(shi)，所(suo)有的數據(ju)都(dou)會(hui)集中(zhong)在壹(yi)個點上(shang)。

圖(tu)2中(zhong)，第(di)1次測(ce)量誤(wu)差(cha)是55nm，第(di)二次測(ce)量誤(wu)差(cha)195nm，第(di)三次測(ce)量誤(wu)差(cha)120nm。從(cong)另(ling)外壹(yi)個方向測(ce)量，有130nm的誤(wu)差(cha)。從數(shu)據(ju)中，無法(fa)獲得(de)有效(xiao)的結果(guo)。重(zhong)新測(ce)試獲得(de)了下面(mian)的結果(guo)（圖(tu)3）。

多(duo)次測(ce)量後，數據(ju)分布(bu)如上(shang)圖（圖(tu)3中(zhong)，我(wo)們(men)僅僅假(jia)設正(zheng)態(tai)分布(bu)）。從(cong)圖中可(ke)以(yi)看(kan)出，不同方向的數據(ju)分為兩(liang)組(zu)。所以(yi)回(hui)到(dao)我(wo)們(men)問(wen)題(ti)“什(shen)麽(me)是準確(que)的重(zhong)復(fu)性(xing)”？如圖(tu)4所(suo)示(shi)，不同(tong)的定義方法(fa)，重(zhong)復(fu)性(xing)的範圍也不壹(yi)樣。本(ben)例中(zhong)只顯(xian)示(shi)三種數(shu)值：單(dan)向平(ping)均重(zhong)復(fu)定(ding)位精(jing)度(du)，單(dan)向(xiang)大重(zhong)復(fu)定(ding)位精(jing)度(du)，雙(shuang)向(xiang)大重(zhong)復(fu)定(ding)位精(jing)度(du)。其實還有很多(duo)別(bie)的定義方式。

計(ji)算(suan)重(zhong)復(fu)性(xing)，通(tong)常(chang)會(hui)用到(dao)下面(mian)的數學統計(ji)方法(fa)：

平(ping)均值，計(ji)算(suan)公式如下(xia)，取(qu)決於(yu)樣本(ben)數量的多(duo)少。平(ping)均值就是樣(yang)本(ben)總和(he)除(chu)以(yi)樣本(ben)數量。

大(da)值(zhi)與(yu)平(ping)均值和標準差(cha)（Sigma或者σ）相關(guan)。

通(tong)常(chang)在詢問關(guan)於重(zhong)復(fu)性(xing)的參數時(shi)，有幾個問題(ti)要(yao)特(te)別(bie)註意(yi)：

雙(shuang)向(xiang)重(zhong)復(fu)性(xing)還是單(dan)向重(zhong)復(fu)性(xing)？

妳的計(ji)算(suan)公式是(shi)什麽(me)？

2-sigma, 4-sigma, 6-sigma, 或者RMS？

樣(yang)本(ben)數量多(duo)少？

在數據(ju)采集中，妳的行(xing)程占(zhan)據(ju)整(zheng)個stage的全行(xing)程多(duo)少百(bai)分(fen)比？

對比了這些(xie)參數後，我(wo)們(men)才(cai)能(neng)更(geng)好的理解重(zhong)復(fu)性(xing)的含義。

常(chang)用(yong)的測(ce)試設備及(ji)方法(fa)：

Newport精(jing)密位移臺的測(ce)試設備及(ji)環(huan)境通常(chang)如下(xia)：

平(ping)面(mian)度(du)<1um的大理石平(ping)臺

測(ce)試環(huan)境溫度(du)20°+/-0.03°

濕(shi)度(du)：45%+/-5%

大(da)氣(qi)壓力的補償(chang)

Newport通(tong)常(chang)使用兩種測(ce)試方法(fa)：線性掃(sao)描(miao)方法(fa)及(ji)鐘擺式測(ce)試方法(fa)。具體區(qu)別(bie)見(jian)下(xia)圖：

數(shu)據(ju)采集好後，我(wo)們(men)使用美(mei)國(guo)機械工(gong)程師學會(hui)ASMEB5.57的標準進行(xing)數(shu)學(xue)統(tong)計(ji)。同時(shi)我(wo)們(men)也會(hui)使用獨(du)立的工(gong)業(ye)優(you)化流(liu)程來(lai)計(ji)算(suan)重(zhong)復(fu)性(xing)。兩(liang)者的區(qu)別(bie)在於對數據(ju)的計(ji)算(suan)及(ji)解釋方法(fa)不(bu)同(tong)。下面(mian)的表(biao)格(ge)是使用不同方法(fa)測(ce)試同(tong)壹(yi)平(ping)臺的測(ce)試數(shu)據(ju)：

從(cong)數(shu)據(ju)中可(ke)以(yi)看(kan)出，線性掃(sao)描(miao)方式和(he)鐘擺式方法(fa)，結(jie)果(guo)大(da)不(bu)相同。究(jiu)其原因，在於線性掃(sao)描(miao)中，驅動(dong)螺(luo)絲行(xing)程更(geng)大，產生(sheng)更(geng)多(duo)熱量，從(cong)而對數據(ju)采集產生(sheng)影(ying)響(xiang)。而鐘擺式測(ce)試方法(fa)中(zhong)，每(mei)個點的測(ce)試時(shi)間(jian)更(geng)短(duan)，所以(yi)熱對其影響(xiang)相對較(jiao)小(xiao)，所以測(ce)試結(jie)果(guo)也不相同。

結(jie)論(lun)：

很多(duo)高(gao)精(jing)度(du)的電動(dong)位移平(ping)臺聲(sheng)稱有亞微米的重(zhong)復(fu)性(xing)，更(geng)有壹(yi)些(xie)在納(na)米量級的重(zhong)復(fu)性(xing)，但(dan)是(shi)對於不同的應用，不(bu)同的環(huan)境，重(zhong)復(fu)性(xing)的含義都(dou)不壹(yi)樣。拋(pao)開了實際應用的環(huan)境，來談重(zhong)復(fu)性(xing)是(shi)沒有意(yi)義的。

不(bu)同(tong)的測(ce)試方法(fa)，不(bu)同(tong)的數據(ju)統計(ji)方法(fa)，不(bu)同(tong)的測(ce)試環(huan)境，比如溫(wen)度(du)、濕(shi)度(du)、空(kong)氣汙染、振動(dong)等等都(dou)會(hui)對測(ce)試結(jie)果(guo)有影響(xiang)。同(tong)樣的情況，也會(hui)發(fa)生在motion的其余的壹(yi)些(xie)參數的測(ce)試上(shang)，比如精(jing)度(du)、擺動(dong)、俯(fu)仰(yang)、翻轉(zhuan)等等。所以(yi)在選型時(shi)，不(bu)能(neng)僅僅是對比指(zhi)標，更(geng)重(zhong)要的是要理解實際的應用所(suo)需要的指(zhi)標。

森(sen)泉為您的科研(yan)事業添磚加瓦：

1）  激光控(kong)制(zhi)：激光電流(liu)源、激光器(qi)溫控(kong)器(qi)、激光器(qi)控制(zhi)、伺服(fu)設備與(yu)系統(tong)等等

2）  探(tan)測(ce)器(qi)：光電探測(ce)器(qi)、單光(guang)子(zi)計(ji)數器(qi)、單光(guang)子(zi)探(tan)測(ce)器(qi)、CCD、光(guang)譜(pu)分(fen)析(xi)系(xi)統等等

3）  定(ding)位與(yu)加工(gong)：納(na)米定(ding)位系(xi)統(tong)、微納(na)運動(dong)系(xi)統(tong)、多(duo)維位移臺、旋(xuan)轉(zhuan)臺(tai)、微型操作器(qi)等等

4）  光(guang)源：半(ban)導(dao)體激光器(qi)、固體激光器(qi)、單頻(pin)激光器(qi)、單縱(zong)模激光器(qi)、窄線寬(kuan)激光器(qi)、光通(tong)訊波(bo)段激光器(qi)、CO2激光器(qi)、中紅(hong)外激光器(qi)、染料(liao)激光器(qi)、飛秒超(chao)快(kuai)激光器(qi)等等

5）  光(guang)機械件(jian)：用(yong)於(yu)光(guang)路(lu)系統搭(da)建(jian)的高(gao)品質(zhi)無應力光(guang)機械件(jian)，如光(guang)學調(tiao)整(zheng)架(jia)、鏡(jing)架(jia)、支(zhi)撐桿、固定底座等等

6）  光(guang)學(xue)平(ping)臺：主(zhu)動(dong)隔(ge)振(zhen)平(ping)臺、氣浮(fu)隔(ge)振(zhen)臺(tai)、實驗(yan)桌(zhuo)、剛性(xing)工(gong)作(zuo)臺、面(mian)包(bao)板、隔(ge)振(zhen)、隔(ge)磁(ci)、隔(ge)聲(sheng)綜(zong)合(he)解決方案等等

7）  光(guang)學(xue)元件(jian)：各(ge)類(lei)晶(jing)體、光(guang)纖、偏轉(zhuan)鏡(jing)、反(fan)射鏡(jing)、透射鏡(jing)、半(ban)透半(ban)反(fan)鏡(jing)、濾(lv)光片、衰減(jian)片、玻片(pian)等等

8） 染(ran)料(liao)：激光染(ran)料(liao)、熒光染料、光致(zhi)變色染料(liao)、光(guang)致(zhi)發(fa)光染料(liao)、吸(xi)收(shou)染料(liao)等等