重复定位精度
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点的重复定位精度
Nathan Brown
ALIO
美国国家技术标准研究院
2013.06.03
目标
Nathan Brown
ALIO
美国国家技术标准研究院
2013.06.03
目标
一、重复定位精度的定义
二、新的测试程序
三、为合作提供新起点
四、范围：单轴（以及多轴）
二、新的测试程序
三、为合作提供新起点
四、范围：单轴（以及多轴）
概述
一、面的重复定位精度VS点的重复定位精度
二、测试方法
三、实例
四、不确定性分析
五、讨论点
六、进一步的工作
（六）其他类型的重复定位精度：6-D（6轴系统）
1、直线度；
2、平直度；
3、平面度；
4、Yaw偏航（绕Z轴的转动）；
5、Pitch俯仰（绕Y轴的转动）；
6、Roll横滚（绕X轴的转动）。
二、测试方法论
（一）测试方法论概述
1、明确测试点
2、明确运动循环
3、采集数据
4、分析数据
（二）明确测试点
1、定位问题 定制VS标准
2、PTS及间距
以ASME B5.54-2005为例：
<250mm(间隔<25mm)
<250mm(间隔<1/10行程)
3、几何
线性、平面、立体
4、移动测试点（或多重测试点）。
（1）移动测试点至多个测试位置。
（2）移动多个测试点至测试位置。
（三）明确运动循环
1、钟摆测试
0 ->+A –>0 –>-B ->
（每回到“0“点就采集数据）
2、双向作用
10次，即20个点动。
3、运动距离>1/10行程
4、ASME B5.54-2005标准双向LDA测试也适用。（表7.11）
（四）采集数据
1、执行运动循环
2、采集每一个测试点数据
采集X轴上重复定位精度数据
采集y轴上重复定位精度数据
采集Z轴上重复定位精度数据
3、完成所有测试点的采集工作
（五）分析数据
1、单个测试点
（1） X、Y、X标准偏差
Rxi↑↓=+ 2Sxi ↑↓ (Eqn.R-5a)
Ryi↑↓=+ 2Syi ↑↓ (Eqn.R-5b)
Rzi↑↓=+ 2Szi ↑↓ (Eqn.R-5c)
（出自等式7-6， 7-7，7-8，7-9，ASME B5.54-2005）
（2）计算测试点球面半径
（3） PRi-R球面半径公差
2、系统测试点
（1）所有测试点最大半径
PRsystem=max.[PRi] (Eqn.R-7)
（出自等式7-18，ASME B5.54-2005）
（2） PRsystem-R球面半径公差
3、数据表示
一维-重复定位精度=+/- PRsystem(单位) +/-不确定性
或
二维-重复定位精度=+/- PRsystem(单位) +/-不确定性
或
三维-重复定位精度=+/- PRsystem(单位) +/-不确定性
（其他测试参数按照ASME B5.54-2005）
三、不确定性分析
（一）不确定性（电容性测量）
1、差异：ISO 230-9:2005（E），Annex C
所有数据一组（无单向性数据）；
含安装及不对准误差；
含装置精度误差；
不含热补偿。
2、下一步工作：
进一步发展方程；
进一步量化电容性测量误差
增加TUR
（二）不确定性（实例）
ux= uy= uz= u（RS）
u（PR）=+/-11.0 nm
u装置误差=1.9nm
u不对准误差=0.7nm
u安装误差=1.9nm
u环境误差=1.2nm
u热误差=0.0nm
四、讨论要点
（一）多轴系统
2、多轴系统测试规则
所有轴线影响重复定位精度。
作为一个系统来测试。
3、所有轴双向运动；
测试点几何匹配用法：两轴—二维的重复定位精度；三轴—三维的重复定位精度
4、相同的测试程序，更多测试点。
（1）2轴系统—相同的程序
5、面重复定位精度与点的重复定位精度误差自由度对比
（二）为什么只测双向作用
１、为什么点可重复性仅仅是一个双向测试？
（1）原因：
“系统”性能；有单向运动的用途吗？
（2）测试目的：
在三维空间里测试“系统”性能。
（3）单向运动
按照定义忽略其他轴线或误差源；哪个不是“系统”性能。
（4）单向纳米精度应用
单向=单轴，单个方向；
纳米精度≠单轴，单个方向；
举例—XY平台: ＸＹ轴共同决定测试点的定位；是否有一种运动使一个轴向决定测试点的定位？
２、所有轴线影响点的重复定位精度
（三）为什么没有热补偿
１、热敏性
微米级—＞单独温度模型
纳米级—＞热梯度
—＞０.００１度
—＞复合模型
—＞适用于平台及测试固件
２、电机散热问题
不可能独立于环境；应包括在性能内。
３、ｕ热补偿＞ｕ漂移
热补偿增大不确定性
４、平台上的环境影响
之前，散热被视为误差；精度的需求导致热性能被视为性能指标的一部分。
因此，热补偿会
１）增加不确定性；
２）隐藏实际性能指标；
３）不代表终端性能。
（四）纳米精度的环境因素
１、用户终端应用：好环境、好性能；应用始终受环境影响。
２、测试装置：不要移除热补偿Ｂ／Ｃ，否则数据不代表任何终端用途。
五、下一步工作
（一）用多个实体测试；
（二）电容轨距不确定性；
（三）电容轨距—ＮＩＳＴ（美国国家标准技术研究所）可追踪
（四）截断测试点
（五）循环公差范围
（六）难点
１、测试时间
２、验收
３、低精度如何
４、单轴—只限
多轴的价值
六、总结
（一）重要性
１、运动系统在三维空间中运转。（为什么我们在一维空间测试？）
２、为纳米精度使用。（现有方法忽视太多；现有的不确定性太大。）
３、平台设计（当前有许多需求和未知；添加装置以评估等效值。）
（二）重复定位精度方法
１、点的重复定位精度（点在三维空间里，“系统”所有误差源的比重）
２、球面公差范围
３、纳米级不确定性
４、适用于终端应用。
（三）思想变化
１、想象点在空间里，而不是一维平面上。
２、想象“系统”，而不是“每轴”
３、双向作用表示“系统”的实际应用。
４、热误差性能（不要删除）
５、精度的不确定问题
二、测试方法
三、实例
四、不确定性分析
五、讨论点
六、进一步的工作
一、面的重复定位精度VS点的重复定位精度
（一）现有技术
1、ASME B5.54-2005
7.2定位精度及重复定位精度
7.8.2快换装置的重复定位精度
7.8.3托板交换装置的重复定位精度
2、ISO 230-2：2006（E）
3、基于现有技术之上的其他展示。
4、机床工具转换用于精密运动。
（二）面的重复定位精度
1、ASME B5.54-2005
“在相似情形下，机械顺序地在预期平面定位的能力。重复定位精度是每单轴上的定义。”
2、测试是一维的。
即一个自由度 ，即一轴
重复定位精度沿轴方向
（三）面的重复定位精度测量（俯视图）
1、单个数值。
2、一维的。
3、“完美的平面是沿着完美的轴。”
4、误差源自未知的自由度或轴向。
（四）其他误差源（现行标准下等量点）
（五）ASME B5.54-2005（关于重复定位精度）
可做：
测试所有自由度
单轴
不确定度（微米级）
不可做：
将一维数据代入三维
测试多轴系统
不确定度（纳米级）
（一）现有技术
1、ASME B5.54-2005
7.2定位精度及重复定位精度
7.8.2快换装置的重复定位精度
7.8.3托板交换装置的重复定位精度
2、ISO 230-2：2006（E）
3、基于现有技术之上的其他展示。
4、机床工具转换用于精密运动。
（二）面的重复定位精度
1、ASME B5.54-2005
“在相似情形下，机械顺序地在预期平面定位的能力。重复定位精度是每单轴上的定义。”
2、测试是一维的。
即一个自由度 ，即一轴
重复定位精度沿轴方向
（三）面的重复定位精度测量（俯视图）
1、单个数值。
2、一维的。
3、“完美的平面是沿着完美的轴。”
4、误差源自未知的自由度或轴向。
（四）其他误差源（现行标准下等量点）
（五）ASME B5.54-2005（关于重复定位精度）
可做：
测试所有自由度
单轴
不确定度（微米级）
不可做：
将一维数据代入三维
测试多轴系统
不确定度（纳米级）
（六）其他类型的重复定位精度：6-D（6轴系统）
1、直线度；
2、平直度；
3、平面度；
4、Yaw偏航（绕Z轴的转动）；
5、Pitch俯仰（绕Y轴的转动）；
6、Roll横滚（绕X轴的转动）。
二、测试方法论
（一）测试方法论概述
1、明确测试点
2、明确运动循环
3、采集数据
4、分析数据
（二）明确测试点
1、定位问题 定制VS标准
2、PTS及间距
以ASME B5.54-2005为例：
<250mm(间隔<25mm)
<250mm(间隔<1/10行程)
3、几何
线性、平面、立体
4、移动测试点（或多重测试点）。
（1）移动测试点至多个测试位置。
（2）移动多个测试点至测试位置。
（三）明确运动循环
1、钟摆测试
0 ->+A –>0 –>-B ->
（每回到“0“点就采集数据）
2、双向作用
10次，即20个点动。
3、运动距离>1/10行程
4、ASME B5.54-2005标准双向LDA测试也适用。（表7.11）
（四）采集数据
1、执行运动循环
2、采集每一个测试点数据
采集X轴上重复定位精度数据
采集y轴上重复定位精度数据
采集Z轴上重复定位精度数据
3、完成所有测试点的采集工作
（五）分析数据
1、单个测试点
（1） X、Y、X标准偏差
Rxi↑↓=+ 2Sxi ↑↓ (Eqn.R-5a)
Ryi↑↓=+ 2Syi ↑↓ (Eqn.R-5b)
Rzi↑↓=+ 2Szi ↑↓ (Eqn.R-5c)
（出自等式7-6， 7-7，7-8，7-9，ASME B5.54-2005）
（2）计算测试点球面半径
（3） PRi-R球面半径公差
2、系统测试点
（1）所有测试点最大半径
PRsystem=max.[PRi] (Eqn.R-7)
（出自等式7-18，ASME B5.54-2005）
（2） PRsystem-R球面半径公差
3、数据表示
一维-重复定位精度=+/- PRsystem(单位) +/-不确定性
或
二维-重复定位精度=+/- PRsystem(单位) +/-不确定性
或
三维-重复定位精度=+/- PRsystem(单位) +/-不确定性
（其他测试参数按照ASME B5.54-2005）
三、不确定性分析
（一）不确定性（电容性测量）
1、差异：ISO 230-9:2005（E），Annex C
所有数据一组（无单向性数据）；
含安装及不对准误差；
含装置精度误差；
不含热补偿。
2、下一步工作：
进一步发展方程；
进一步量化电容性测量误差
增加TUR
（二）不确定性（实例）
ux= uy= uz= u（RS）
u（PR）=+/-11.0 nm
u装置误差=1.9nm
u不对准误差=0.7nm
u安装误差=1.9nm
u环境误差=1.2nm
u热误差=0.0nm
四、讨论要点
（一）多轴系统
1、
面的重复定位精度
基于每个轴
一维的
1-D的误差
无轴间作用
点的重复定位精度
基于每个系统
三维的
6-D的误差
含所有轴
面的重复定位精度
基于每个轴
一维的
1-D的误差
无轴间作用
点的重复定位精度
基于每个系统
三维的
6-D的误差
含所有轴
2、多轴系统测试规则
所有轴线影响重复定位精度。
作为一个系统来测试。
3、所有轴双向运动；
测试点几何匹配用法：两轴—二维的重复定位精度；三轴—三维的重复定位精度
4、相同的测试程序，更多测试点。
（1）2轴系统—相同的程序
5、面重复定位精度与点的重复定位精度误差自由度对比
（二）为什么只测双向作用
１、为什么点可重复性仅仅是一个双向测试？
（1）原因：
“系统”性能；有单向运动的用途吗？
（2）测试目的：
在三维空间里测试“系统”性能。
（3）单向运动
按照定义忽略其他轴线或误差源；哪个不是“系统”性能。
（4）单向纳米精度应用
单向=单轴，单个方向；
纳米精度≠单轴，单个方向；
举例—XY平台: ＸＹ轴共同决定测试点的定位；是否有一种运动使一个轴向决定测试点的定位？
２、所有轴线影响点的重复定位精度
（三）为什么没有热补偿
１、热敏性
微米级—＞单独温度模型
纳米级—＞热梯度
—＞０.００１度
—＞复合模型
—＞适用于平台及测试固件
２、电机散热问题
不可能独立于环境；应包括在性能内。
３、ｕ热补偿＞ｕ漂移
热补偿增大不确定性
４、平台上的环境影响
之前，散热被视为误差；精度的需求导致热性能被视为性能指标的一部分。
因此，热补偿会
１）增加不确定性；
２）隐藏实际性能指标；
３）不代表终端性能。
（四）纳米精度的环境因素
１、用户终端应用：好环境、好性能；应用始终受环境影响。
２、测试装置：不要移除热补偿Ｂ／Ｃ，否则数据不代表任何终端用途。
五、下一步工作
（一）用多个实体测试；
（二）电容轨距不确定性；
（三）电容轨距—ＮＩＳＴ（美国国家标准技术研究所）可追踪
（四）截断测试点
（五）循环公差范围
（六）难点
１、测试时间
２、验收
３、低精度如何
４、单轴—只限
多轴的价值
六、总结
（一）重要性
１、运动系统在三维空间中运转。（为什么我们在一维空间测试？）
２、为纳米精度使用。（现有方法忽视太多；现有的不确定性太大。）
３、平台设计（当前有许多需求和未知；添加装置以评估等效值。）
（二）重复定位精度方法
１、点的重复定位精度（点在三维空间里，“系统”所有误差源的比重）
２、球面公差范围
３、纳米级不确定性
４、适用于终端应用。
（三）思想变化
１、想象点在空间里，而不是一维平面上。
２、想象“系统”，而不是“每轴”
３、双向作用表示“系统”的实际应用。
４、热误差性能（不要删除）
５、精度的不确定问题
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