【应用指南】浅谈运动控制中的重复定位精度

高精度电动位移控制广泛应用于光纤耦合，半导体晶圆定位，微加工等多个领域。针对不同的应用，我们需要选择不同的位移控制台，评估多个参数，比如重复性、精度、倾斜、俯仰等等。用户通常需要对比多个厂家的技术参数，这会有很大的风险，尤其是在选择亚微米级的应用中。这是因为每个厂家的测试方法以及测试条件的不同，甚至在一些参数的定义上略有不同。本文将讨论真实的运动控制中的关键参数以及测试方法，告诉您这些参数实际的意义。

关于重复性

通常认为重复性是一个系统从不同位置移动到同一位置（命令）很多次，实际到达的位置的能力。对于高精度运动来讲，这个参数至关重要。用户需要知道他的器件每次都能连续的到达固定位置。不能将重复性和精度这两个概念混淆。如下图所示，一个系统他可能具有非常好的重复性，但是精度可能会很差。

在很多应用中，重复性是基本的一个参数。在制造环境中，如果没有一个很好的重复性，也就意味着没有一个可靠的制程来保证产品的一致性。

产品手册中的指标，通常都是在近乎完美的条件下测试获得的，很难在用户实际使用环境中重现。因此，手册中的重复性并不能每次都是非常准确的满足用户的需求。而且，不同的测试方法以及数据统计方法，也会获得不同的结果。

为了获得真实的重复性的数据，对比测试方法非常重要。比如测试中，采集了多少数据，不同的统计方法，不同的测试标准，都会对重复性有很大影响。

收集数据

测试的第1步就是收集数据。数据的质量，将会决定误差的范围。图2-4是不同的结果。测量中，前后移动方向不同，结果不一样，样本数也会影响统计结果。完美的重复性的结果是，所有的数据都会集中在一个点上。

图2中，第1次测量误差是55nm，第二次测量误差195nm，第三次测量误差120nm。从另外一个方向测量，有130nm的误差。从数据中，无法获得有效的结果。重新测试获得了下面的结果（图3）。

多次测量后，数据分布如上图（图3中，我们仅仅假设正态分布）。从图中可以看出，不同方向的数据分为两组。所以回到我们问题“什么是准确的重复性”？如图4所示，不同的定义方法，重复性的范围也不一样。本例中只显示三种数值：单向平均重复定位精度，单向大重复定位精度，双向大重复定位精度。其实还有很多别的定义方式。

计算重复性，通常会用到下面的数学统计方法：

平均值，计算公式如下，取决于样本数量的多少。平均值就是样本总和除以样本数量。

大值与平均值和标准差（Sigma或者σ）相关。

通常在询问关于重复性的参数时，有几个问题要特别注意：

双向重复性还是单向重复性？

你的计算公式是什么？

2-sigma, 4-sigma, 6-sigma, 或者RMS？

样本数量多少？

在数据采集中，你的行程占据整个stage的全行程多少百分比？

对比了这些参数后，我们才能更好的理解重复性的含义。

常用的测试设备及方法：

Newport精密位移台的测试设备及环境通常如下：

平面度<1um的大理石平台

测试环境温度20°+/-0.03°

湿度：45%+/-5%

大气压力的补偿

Newport通常使用两种测试方法：线性扫描方法及钟摆式测试方法。具体区别见下图：

数据采集好后，我们使用美国机械工程师学会ASMEB5.57的标准进行数学统计。同时我们也会使用独立的工业优化流程来计算重复性。两者的区别在于对数据的计算及解释方法不同。下面的表格是使用不同方法测试同一平台的测试数据：

从数据中可以看出，线性扫描方式和钟摆式方法，结果大不相同。究其原因，在于线性扫描中，驱动螺丝行程更大，产生更多热量，从而对数据采集产生影响。而钟摆式测试方法中，每个点的测试时间更短，所以热对其影响相对较小，所以测试结果也不相同。

结论：

很多高精度的电动位移平台声称有亚微米的重复性，更有一些在纳米量级的重复性，但是对于不同的应用，不同的环境，重复性的含义都不一样。抛开了实际应用的环境，来谈重复性是没有意义的。

不同的测试方法，不同的数据统计方法，不同的测试环境，比如温度、湿度、空气污染、振动等等都会对测试结果有影响。同样的情况，也会发生在motion的其余的一些参数的测试上，比如精度、摆动、俯仰、翻转等等。所以在选型时，不能仅仅是对比指标，更重要的是要理解实际的应用所需要的指标。

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