基于激光追蹤儀的運動軸性能測試與分析

趙東雷，關宏武，王浩楠，郎 平，劉 穎

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

精密半導體設備內部結構復雜、體積大、工藝繁瑣且要求精度高，以掩模傳輸分系統為例，完整的上下版流程需要各模塊6次安全交接才能完成[1]，所以設計階段既要約束單個運動軸性能參數，又需量化多軸的性能參數（由制造誤差、裝配誤差等因素導致），如運動直線度、運動姿態、重復定位精度、正交性和多軸空間關系等。傳統的千分表測量方法存在靈活性差、安裝受限、難以測量垂向旋轉及多軸空間關系等缺陷；激光干涉儀測量方法雖具有較高的測量精度，但其具有安裝受限、調整繁瑣等缺點[2]；因此有必要尋求一種通用性強且精度較高的運動軸測量方法。

激光追蹤儀是精密測量領域的代表工具，廣泛用于各行業高端制造以及科研院所的學術研究中，具有性能穩定、測量精度高、易于操作、便于攜帶等優點，同時也是大尺寸精密測量的常用解決方案[3]。實驗選用API Radian Pro激光追蹤儀，主要由跟蹤頭、三腳架、靶球、環境監測元件、控制器和筆記本等部分組成，具有內置激光干涉儀、大范圍測量（水平640°，垂向±138°）、Self-Diagnostics自我診斷功能、高精度ADM-Maxx絕對測距、I-Vision靶球自動鎖定功能、Shake to Drive靶球召喚功能等特性。

在完成現有測量方法和測試儀器分析后，提出了基于激光追蹤儀的測量方法，主要研究了運動直線度、運動姿態及重復定位精度等單一軸性能參數，著重介紹了其測量原理、測量流程及數據處理，通過對比實驗進行可行性分析，此測量方法符合實際要求而且可行。

1 測試原理

測量原理的核心是將運動軸性能測試轉化為數學問題，選用高精度直線模組構造垂向運動測試裝置，直角布置3個靶球（直角三角形的三個頂點），兩直角邊的方向分別平行于設備坐標系x、y向，再依托實驗室API Radian Pro激光追蹤儀進行測試，對比測試結果與選型參數驗證方法的可行性。其中高精度直線模組必備性能為：運動直線度≤0.02 mm/m、運動姿態≤300μrad、重復定位精度不大于±0.015 mm；激光追蹤儀工作坐標系與設備坐標系方向一致，原點位于靶球2的球心處。

1.1 運動直線度測量原理

運動直線度是指運動過程中被測實際要素對其理想直線的變動量，其公差帶通常是一個圓柱體，需要按設計方向進行正交分解，常用最小包容區域的寬度或直徑來評定其形狀誤差[4]。測試原理如圖1所示，測試裝置由下向上（Z向）運動，分A－1步等步長走完全程，測量初始位置3個靶球坐標，構建初始位置坐標系WCS1并設為激光追蹤儀的工作坐標系，依次測量不同位置目標靶球坐標，直至獲得A組實驗數據為止并記為（xi，yi，zi），數據處理且正交分解后得到x向與y向的運動直線度fx與fy。

圖1 運動直線度測量原理示意圖

1.2 運動姿態測量原理

運動姿態是指運動過程中俯仰角（pitch）、翻滾角（roll）與偏航角（yaw）3個參數的變化[5]，方向通常以運動軸前進方向為判斷依據，此處分別對應測試裝置的Ry、Rz和Rx。測試原理如圖2所示，分A－1步等步長走完全程，測量每個位置3個靶球的坐標，構建每個位置的坐標系WCSi，設定坐標系WCS1為激光追蹤儀工作坐標系，可得到其余位置坐標系相對于WCS1的△Rxi、△Ryi與△Rzi，其中i=1、2、…、A，數據處理后可得到運動姿態pitch、roll與yaw的數值。

1.3 重復定位精度測量原理

重復定位精度是指在相同條件下所得到連續測量結果的一致程度[6]，其樣本數據一般符合正態分布。測試原理如圖3所示，依據設備工位確定檢測位置，運動高位與運動低位位于檢測位置兩側且距離不限，測量運動低位3個靶球坐標，構建初始位置坐標系WCS1并設為激光追蹤儀的工作坐標系，重復測量目標靶球經過檢測位置時的坐標，直到獲得A組實驗數據結束，依據統計學數據處理方法得到裝置的重復定位精度。

1.4 數據處理

實驗數據一般可以分為全程變量和獨立變量，全程變量是指只有當運動軸走完全程后才能獲得完整的實驗數據；所述獨立變量是指測量過程等效為獨立重復實驗，為滿足統計學需求而進行的多次測量。針對全程變量實驗數據，多采用“最值法”處理，即用兩條邊界量包絡實驗數據變化，具體如下：

（1）剔除粗大誤差，判定標準|Xi|≥2{|Xi-1|，|Xi+1|}，則認定Xi數據為粗大誤差，建議剔除后再進行數據處理；

（2）量化為“max-min”，方向結合設計需求判定；

針對獨立變量實驗數據，多采用“3σ準則”數據處理[7]，由于實驗數據滿足統計學變量才可運用“3σ準則”數據處理，因此要求實驗數據不可過少，實驗數據過多雖滿足統計學要求，但測量過程效率低，兼顧樣本容量誤差與測試效率后，樣本容量一般要求≥30即可。所以運動直線度和運動姿態選用“最值法”處理實驗數據，重復定位精度選用“3σ準則”處理實驗數據。

2 精度分析

2.1 運動直線度測量精度

運動直線度測量流程如圖4所示。

圖4 運動直線度測量流程圖

準備實驗資料包括激光追蹤儀調試、裝置調試，布置靶球等；樣本容量A與設計工位有關，若測試裝置Z向總行程為Lmm，設計最小工位為Xmm，分A－1步走完全程，則按照實驗驅動步長△L=L/(A-1)≤X確定A的范圍（A為正整數），為保證測試精度一般要求樣本容量A≥10，所以樣本容量運動直線度正交分解方向依據設計需求判定，一般與設備運行坐標系方向一致；測量初始位置3個靶球坐標構造工作坐標系WCS1，方向與直線度分解方向一致，原點在目標靶球球心處；依次測量不同位置目標靶球坐標，得到A組原始實驗數據并記為（xi，yi，zi），令△xi=xi－x1與△yi=yi-y1獲得正交分解后的實驗數據，其中i=1、3、…、A；運動直線度實驗數據為全程變量，按“最值法”處理實驗數據得測試結果，如圖5所示。

圖5 運動直線度測試結果

實驗結果表明，測試裝置的運動直線度分別為fx=0.018 mm/m與fy=0.015 mm/m，符合直線模組選型設計≤0.02 mm/m指標要求，但測試結果與設計指標非常接近。

2.2 運動姿態測量精度

運動姿態測量流程如圖6所示。

圖6 運動姿態測量流程圖

其中樣本容量A確定方法同上，測試裝置的俯仰角（pitch）、翻滾角（roll）與偏航角（yaw）分別對應其Ry、Rz和Rx；測量每個位置3個靶球坐標，得到A組原始實驗數據為止，記為（x1i，y1i，z1i）、（x2i，y2i，z2i）、（x3i，y3i，z3i），依據3個靶球坐標構造每個測量位置的坐標系WCSi，設定WCS1為工作坐標系，進而得到其余位置坐標系相對于WCS1的△Rxi、△Rxi與△Rxi，其中i=1、2、…、A；運動姿態實驗數據為全程變量，按“最值法”處理實驗數據得測試結果，如圖7所示。

數據表明，測試裝置運動過程中Rx=301.84μrad、Ry=225.7μrad、Rz=193.07μrad，對比直線模組選型指標≤300μrad可知Ry與Rz滿足要求，但Rx(即pitch)不滿足指標要求，超標原因可能是直線模組自身不合格，也可能是激光追蹤儀測量誤差導致，需進一步實驗驗證。

2.3 重復定位精度測量精度

重復定位精度測量流程如圖8所示。

圖8 重復定位精度測量流程圖

在運動低位構造激光追蹤儀工作坐標系WCS1，從運動低位運行至檢測位置，測量目標靶球坐標，記為P1（x1，y1，z1），再次運行模組至反向到達檢測位置，測量目標靶球坐標，記為P2（x2，y2，z2），重復運行模組進行測量直至獲得A組原始實驗數據結束，記為Pi（xi，yi，zi），令△zi=zi－z1得到實驗所需實驗數據，其中i=1、3、…，A。運動姿態實驗數據為統計學變量，使用“3σ準則”處理實驗數據得測試結果，如圖9所示。

圖9 重復定位精度實驗結果

測試結果表明測試裝置Z向重復定位精度為±0.008 mm，滿足選型±0.01 mm的指標需求。

3 方案優化

在完成激光追蹤儀測試結果精度分析后，發現實驗結果存在超差或很接近指標上限的情形，查詢資料后發現激光追蹤儀的準確性主要由光束的穩定性決定，光路的微小位置變化即可導致較大的系統誤差，這種誤差可能源于原始裝配誤差、傳動誤差等。為進一步探討測試裝置運動姿態實驗結果超差的原因，采用對比實驗進行了驗證。

為提升激光追蹤儀的測量精度與穩定性，設計了高精度反射鏡方案，重新測量實驗裝置的運動姿態，如圖10所示，在測試裝置上方設有高精度反射鏡，實驗過程中大大減少了追蹤頭的擺動角度，以減少激光追蹤儀的測量誤差。

圖10 運動姿態反射鏡測試方案

為排除直線模組自身不合格而影響測試結果的情形，設計了基于氣泡水平儀的測試方案，再次驗證測試裝置的運動姿態（無法測量Rz），如圖11所示，按圖正交布置2個水平儀用于檢測運動過程中Rx與Ry的變化。

圖11 運動姿態水平儀測試方案

2種優化方案的測試結果如表1所示，對比初始方案與反射鏡方案測量結果可知，反射鏡方案可有效提升激光追蹤儀的精度；對比初始方案與水平儀方案可知，高精度直線模組自身指標達標；反射鏡方案與水平儀方案測試結果比較一致，均滿足選型指標要求。后續又復測運動直線度為fx=0.015 mm/m與fy=0.014 mm/m，重復定位精度為±0.007 mm，綜上可知，激光追蹤儀反射鏡方案測量精度高，更符合實際。

表1 優化方案測試結果對比

4 結束語

針對當前運動軸性能測試方法的缺點，提出了基于激光追蹤儀的測量方法，本文主要以運動直線度、運動姿態及重復定位精度3個參數為例，系統介紹了這種方法的測量原理、測量流程和數據處理，并采用對比實驗進行了測試方法的可行性分析。結果表明，激光追蹤儀反射鏡方案測量精度高，更符合實際；其它運動軸性能參數可參考這3個參數進行測量，測量原理的核心是將運動軸性能測試轉化為數學問題來處理；此外，依托激光追蹤儀可實現集成過程與測量環節的有機統一，優化集成順序和動態自動測量，為提升產品性能、精度提供了可靠保障。