CN113203549B - 一种工件台动态性能检测方法 - Google Patents

Abstract

一种工件台动态性能检测方法,工件台动态性能检测装置，包括蓝光激光刻写模块、照明与成像模块、计算机、反射镜、透蓝反红二向色镜片、反红蓝透白光二向色分光平片、刻写物镜、红光激光测距模块、反射镜、调焦机构、压电陶瓷、测试片、工件台、控制器。将测试片放置于工件台上，通过调焦机构将蓝光聚焦到测试片的表面。同步控制工件台与控制器，完成工件台动态特性的速度、加速度、直线度、最小步距、往复运动特性、垂直度检测及重复定位精度检测。本发明将工件台的多种动态特性静态化表征，方便测量，检测精度高、检测灵敏度高。

Description

一种工件台动态性能检测方法

技术领域

本发明涉及工件台动态性能检测领域，是一种基于激光图形化曝光光刻，检测工件台动态性能的方法。

背景技术

工件台因其精度高、速度快、承载大、行程长、寿命长等特点，而被广泛用于科学研究、精密检测、精密制造，3D打印等领域，以及实现真空、无菌、辐射等复杂环境下的位移控制。

工件台需要满足各项要求，因此工件台的检测至关重要。工件台由两个直线电机(X轴与Y轴)正交组合而成，当前对于工件台的动态性能检测方法复杂，检测项目较为单一，使用不便。

发明内容

本发明的目的在于克服了上述现有技术的不足，将工件台的动态性能静态化表征。提供了一种工件台动态性能检测方法。

为达到上述目的，本发明的步骤如下：

一种工件台动态性能检测方法，包括以下步骤：

a)在石英片上沉积一层图形化材料作为测试片；

b)将测试片放置于工件台上，通过调焦机构将蓝光聚焦到测试片的表面；

c)控制蓝光激光器，将蓝光激光器调制频率到f；

d)同步控制工件台与蓝光激光器，完成工件台动态特性的速度、加速度、直线度、最小步距、往复运动特性、垂直度检测及重复定位精度检测。

e)检测工件台速度，设置工件台X轴或Y轴速度为v、加速度为0、工件台X轴或Y轴运动距离l、激光器频率为f，然后同时控制激光器刻写与工件台X轴或Y轴运动。通过测量刻写线段距离l₁，计算工件台X轴或Y轴速度

公式如下：

为提高精度通过测量多段线段距离l₂、l₃、…、l_n，计算工件台X轴或Y轴速度

通过求工件台X轴或Y轴速度的均值

方差σ_v ²，公式如下：

f)检测工件台加速度，设置工件台X轴或Y轴初速度为0、工件台X轴或Y轴末速度为v_a1、工件台X轴或Y轴加速度a、工件台X轴或Y轴运动距离h、激光器频率为f，然后同时控制激光器刻写与工件台X轴或Y轴运动。通过测量加速段刻写线段间距h₁、…、h_m…，h_n计算工件台X轴或Y轴加速度

公式如下：

g)检测工件台直线度，设置工件台X轴或Y轴速度为v_g，工件台运动距离L_g，然后同时控制激光器刻写与工件台X轴或Y轴运动。通过图像处理运用最小二乘法将刻写线段拟合，进而得出最大正偏差和最大负偏差。

h)检测工件台X轴或Y轴最小步距，设置工件台X轴或Y轴速度为v_h、加速度为0、工件台X轴或Y轴运动最小步距、激光器频率为f，然后同时控制激光器刻写与工件台X轴或Y轴运动。通过测量刻写线段距离s，计算工件台X轴或Y轴最小步距

，公式如下：

i)检测工件台往复运动特性，设置工件台X轴或Y轴速度为v_i、加速度为0、工件台X轴或Y轴运动距离L_i、激光器频率为f，然后同时控制激光器刻写与工件台X轴或Y轴往复运动。通过测量往复刻写线段线宽y₁₁、y₂₂。工件台往复运动特性k₁，公式如下：

j)工件台垂直度检测，工件台X轴和Y轴速度为v_j、加速度为0、工件台X轴和Y轴运动距离L_j、激光器频率为f，同时控制激光器刻写与工件台X轴运动，然后同时控制激光器刻写与工件台Y轴运动，通过测量刻写线x₁、x₂的角度θ，计算工件台垂直度θ₁，公式如下：

θ₁＝θ (7)

工件台定位精度检测，设置工件台X轴和Y轴速度为v_k、加速度为0。将工件台X轴Y轴复位，设工件台当前坐标位置为A(0,0)。将工件台X轴移动距离α、工件台Y轴移动距离β,此时工件台所在位置为B₁(α,β)，当工件台停止运动时、控制激光器在B₁(α,β)位置打点。将工件台X轴移动距离K₁α、工件台Y轴移动距离K₂β，K₁、K₂为任意不为零的常数,此时工件台所在位置坐标为C((K₁+1)α,(K₂+1)β),然后将工件台X轴移动距离-K₁α、工件台Y轴移动距离-K₂β，此时工件台所在位置为B₂(α₁,β₁)，当工件台停止运动时、控制激光器在B₂(α₁,β₁)位置打点。改变K₁、K₂常数的大小，重复上述操作，控制激光器在B₃(α₂,β₂)、…、B_n-1(α_n-1,β_n-1)位置打点。通过测量B₁(α,β)、B₂(α₁,β₁)、B₃(α₂,β₂)、…、B_n-1(α_n-1,β_n-1)n个位置偏差，计算工件台重复定位精度

工件台重复定位精度方差

公式如下：

为了获得更高精度的检测，可对图形化后的测试片进行选择性湿法刻蚀，形成具有微纳结构的图形层，采用光学显微镜与原子力显微镜表征微纳刻写线段的结构。

与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

1)采用测试片检测工件台的动态性能，将动态特性静态化表征，方便测量；

2)由于图形化材料具有灵敏的光热阈值效应，热敏特性显著，因此工件台检测精度高、检测灵敏度高；

3)采用激光图形化技术，可以检测工件台的多种动态特性，检测范围广。

附图说明

图1本发明基于激光图形化的工件台动态性能检测装置示意图；

图2本发明用于速度检测的刻写线段示意图；

图3本发明用于加速度检测的刻写线段示意图；

图4本发明用于直线度检测的刻写线段示意图；

图5本发明用于最小步距检测的刻写线段示意图；

图6本发明用于往复运动特性检测的刻写线段示意图；

图7本发明用于垂直度检测的刻写线段示意图；

图8本发明用于重复定位精度检测的刻写线段示意图；

图9湿法刻蚀后，微纳结构的图形层；

图中：1-测试片二维图，2-测试片三维图。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，工件台动态性能检测装置，包括蓝光激光刻写模块1、照明与成像模块2、计算机3、反射镜4、透蓝反红二向色镜片5、反红蓝透白光二向色分光平片6、刻写物镜7、红光激光测距模块8、反射镜9、调焦机构10、压电陶瓷11、测试片12、工件台13、控制器14。蓝光激光刻写模块1发出蓝光刻写光经反射镜4、透蓝反红二向色镜片5、反红蓝透白光二向色分光平片6、反射镜9、进入刻写物镜7，通过调焦机构10将蓝光聚焦到的测试片12表面，进行刻写。红光激光测距模块8与控制器14构成自动跟踪系统保持蓝光焦点始终聚焦到测试片12的表面，照明与成像模块2完成测试片12的表面的照明与成像。控制器14控制蓝光激光刻写模块1、压电陶瓷11。计算机3与照明成与像模块2、工件台13、控制器14实时通信。

一种工件台动态性能检测方法，包括以下步骤：

a)在石英片上沉积一层图形化材料作为测试片12；

b)将测试片12放置于待测工件台13上，通过调焦机构10将蓝光聚焦到测试片12的表面；

c)控制蓝光激光刻写模块1，将蓝光激光器调制频率到f；

d)同步控制待测工件台13与蓝光激光器，完成工件台动态特性的速度、加速度、直线度、最小步距、往复运动特性、垂直度检测及重复定位精度检测；

e)检测工件台速度，如图2所示，以工件台X轴为例，设置工件台X轴速度为v、加速度为0、工件台运动距离L、激光器频率为f，然后同时控制激光器刻写与工件台运动，通过测量刻写线段距离L₁，计算工件台X轴速度

公式如下：

为提高精度通过测量多段线段距离L₂、L₃、…、L_n，计算工件台X轴速度

通过求工件台X轴速度的均值

方差σ_v ²，公式如下：

f)检测工件台加速度，如图3所示，以工件台X轴为例，设置工件台X轴初速度为0、工件台X轴末速度为v_a1、工件台X轴加速度a、工件台X轴运动距离h、激光器频率为f，然后同时控制激光器刻写与工件台X轴运动，通过测量加速段刻写线段间距h₁、…、h_m…，h_n计算工件台X轴速度

公式如下：

g)检测工件台直线度，如图4所示，以工件台X轴为例，设置工件台X轴速度为v_g，工件台X轴运动距离L_g，然后同时控制激光器刻写与工件台X轴运动，通过图像处理运用最小二乘法将刻写线段拟合，进而得出上偏差σ_上和下偏差σ_下，工件台直线度，公式如下：

σ＝σ_上+σ_下 (5)

h)检测工件台最小步距，如图5所示，以工件台X轴为例，设置工件台X轴速度为v_h、加速度为0、工件台X轴运动最小步距、激光器频率为f，然后同时控制激光器刻写与工件台X轴运动。通过测量刻写线段距离s，计算工件台X轴最小步距

公式如下：

i)检测工件台往复运动特性，以工件台X轴为例，设置工件台X轴速度为v_i、加速度为0、工件台X轴运动距离L_i、激光器频率为f，然后同时控制激光器刻写与工件台X轴往复运动。通过测量往复刻写线段线宽、工件台X轴往复运动特性，公式如下：

j)检测工件台垂直度检测，如图7所示，设置工件台X轴和Y轴速度为v_j、加速度为0、工件台运动距离L_j、激光器频率为f，同时控制激光器刻写与工件X轴运动，然后同时控制激光器刻写与工件台Y轴运动，通过测量刻写线L的角度θ，计算工件台垂直度θ₁；

θ₁＝θ (8)

k)检测工件台定位精度检测，如图8所示，设置工件台X轴和Y轴速度为v_k、加速度为0。将工件台X轴和Y轴复位，设工件台当前坐标位置为A(0,0)。将工件台X轴移动距离α、工件台Y轴移动距离β,此时工件台所在位置为B₁(α,β)，当工件台停止运动时、控制激光器在B₁(α,β)位置打点。将工件台X轴移动距离K₁α、工件台Y轴移动距离K₂β，K₁、K₂为任意不为零的常数,此时工件台所在位置坐标为C((K₁+1)α,(K₂+1)β),然后将工件台X轴移动距离-K₁α、工件台Y轴移动距离-K₂β，此时工件台所在位置为B₂(α₁,β₁)，当工件台停止运动时、控制激光器在B₂(α₁,β₁)位置打点。改变K₁、K₂常数的大小，重复上述操作，控制激光器在B₃(α₂,β₂)、…、B_n-1(α_n-1,β_n-1)位置打点。通过测量B₁(α,β)、B₂(α₁,β₁)、B₃(α₂,β₂)、…、B_n-1(α_n-1,β_n-1)n个位置偏差，计算工件台重复定位精度

工件台重复定位精度方差σ_α ²、σ_β ²。

为了获得更高精度的检测，可对图形化后的测试片12，进行选择性湿法刻蚀，形成具有微纳结构的图形层，如图9所示，采用原子力显微镜结构表征微纳刻写线段的结构。

l)观察测量刻写线段，本例中激光器频率f＝100Hz，工件台速度测量，通过测量刻写线段距离得到L₁＝0.051mm、L₂＝0.050mm、L₃＝0.049mm、L₄＝0.048mm，工件台速度的均值4.95mm/s，方差0.0125；工件台加速度测量，通过测量加速段刻写线段间距得到h₁＝0.05mm、h₂＝0.15mm、h₃＝0.25mm、h₄＝0.35mm，工件台加速度为1000mm²/s；工件台直线度，通过图像处理运用最小二乘法将刻写线段拟合，得到工件台直线度σ＝0.001mm；检测工件台最小步距，通过测量刻写线段距离s＝5um，计算工件台最小步距

通过测量往复刻写线段线宽y₁₁＝1um、y₂₂＝0.8um，工件台往复运动特性k₁＝1.25；检测工件台垂直度检测，通过测量刻写线L的角度θ＝90°12'，工件台垂直度θ₁＝90°12'；检测工件台定位精度检测，通过B₁(1.01,1)、B₂(1.02,0.98)、B₃(0.99,1.02)、B₄(0.98,1.01)4个位置偏差，计算计算工件台重复定位精度

工件台重复定位精度方差σ_α ²＝2.889×10^-4、σ_β ²＝2.889×10^-4。

Claims (1)

1.一种工件台动态性能检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)在石英片上沉积一层激光图形化材料作为测试片(12)；

b)将测试片(12)放置于待测工件台(13)上，并在该测试片(12)上刻写测试图形，完成对工件台(13)动态特性的速度、加速度、直线度、最小步距、往复运动特性、垂直度检测及重复定位检测；

c)对光刻后的测试片(12)，进行选择性湿法刻蚀，形成具有微纳图形结构的图形层，并采用光学显微镜与原子力显微镜表征微纳刻写线段的结构；

所述b)中通过刻写测试图形完成动态特性的速度检测，具体是：

设置工件台X轴或Y轴速度为v、加速度为0、工件台运动距离L、激光器频率f；

同时控制激光器刻写与工件台运动，通过测量刻写线段距离L₁，计算工件台X轴或Y轴速度

通过测量多段线段距离L₂、L₃、…、L_n，计算工件台速度

计算工件台速度的均值

方差σ_v ²，公式如下：

所述b)中通过刻写测试图形完成动态特性的加速度检测，具体是：

设置工件台X轴或Y轴初速度为0、工件台末速度为v_a1、工件台加速度a、工件台运动距离h、激光器频率f；

同时控制激光器刻写与工件台X轴或Y轴运动，通过测量加速段刻写线段间距h₁、…、h_m…，h_n计算工件台X轴或Y轴加速度

公式如下：

所述b)中通过刻写测试图形完成动态特性的直线度检测，具体是：

设置工件台X轴或Y轴速度为v_g，工件台运动距离L_g；

同时控制激光器刻写与工件台X轴或Y轴运动，通过图像处理运用最小二乘法将刻写线段拟合，进而得出上偏差和下偏差；

所述b)中通过刻写测试图形完成动态特性的最小步距检测，具体是：

设置工件台X轴或Y轴速度为v_h、加速度为0、工件台X轴或Y轴运动最小步距、激光器频率f；

同时控制激光器刻写与工件台X轴或Y轴运动，通过测量刻写线段距离s，计算工件台X轴或Y轴最小步距

所述b)中通过刻写测试图形完成动态特性的往复运动特性检测，具体是：

设置工件台X轴或Y轴速度为v_i、加速度为0、工件台X轴或Y轴运动距离L_i、激光器频率为f；

同时控制激光器刻写与工件台X轴或Y轴往复运动，通过测量往复刻写线段线宽y₁₁、y₂₂，计算工件台X轴或Y轴往复运动特性k₁，公式如下：

所述b)中通过刻写测试图形完成动态特性的垂直度检测，具体是：

设置工件台X轴和Y轴速度为v_j、加速度为0、工件台X轴和Y轴运动距离L_j、激光器频率为f；

同时控制激光器刻写与工件台在X轴上运动，然后同时控制激光器刻写与工件台在Y轴上运动，通过测量刻写线L的角度θ，计算工件台X轴和Y垂直度θ₁，θ₁＝θ；

所述b)中通过刻写测试图形完成动态特性的重复定位精度检测中，具体是：

设置工件台X轴和Y轴速度为v_k、加速度为0；

将工件台复位，设工件台当前坐标位置为A(0,0)；

将工件台X轴移动距离α、工件台Y轴移动距离β，工件台所在位置为B₁(α,β)，当工件台停止运动时、控制激光器在B₁(α,β)位置打点；

将工件台X轴移动距离K₁α、工件台Y轴移动距离K₂β，K₁、K₂为任意不为零的常数,此时工件台所在位置坐标为C((K₁+1)α,(K₂+1)β),然后将工件台X轴移动距离-K₁α、工件台Y轴移动距离-K₂β，此时工件台所在位置为B₂(α₁,β₁)，当工件台停止运动时、控制激光器在B₂(α₁,β₁)位置打点；

改变常数K₁、K₂的大小，重复上述操作，控制激光器在B₃(α₂,β₂)、…、B_n-1(α_n-1,β_n-1)位置打点，通过测量B₁(α,β)、B₂(α₁,β₁)、B₃(α₂,β₂)、…、B_n-1(α_n-1,β_n-1)位置偏差，计算工件台重复定位精度

工件台重复定位精度方差σ_α ²、σ_β ²，公式如下：

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