基于光学非球面的大尺寸精密检测平台技术

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for Optical Aspheric LensKE Xiao.1ong ，LIU Jian.chun ，HUANG Hai.bin ，GUO Yin-biao(1.School of Mechanical and Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，China)Abstract：According to the requirement of precision measurement for optical aspheric surface，thispaper presents a measuring an d control means，which is based on large scale high-precision measure。

ment platform.Through analyzing the of-machine measuring principle，a large scale measurementplatform included high-precision linear motors，contacting and non-contacting measurement sensor of0.1 um resolution and a new developed of measuring software，is designed and built.Aiming at themeasurement characteristics of optical aspheric lens，measuring software is developed to achieve sur-face metrology and evaluation for large scale optical aspheric lens.The experiment results indicatedthat the measuring system has met the needs of high-precision measurement。

Key words：optical aspheric lens；measurement platform ；of-machine measurement；large scale；high-precision收稿日期：2013-03-29基金项目：辅省自然科学基金资助项目(2012JO51O2)；厦门理工学院高层次人才引进项目(YKJ11029)作者简介：柯晓龙(198l-)，男，辅厦门人，博士，讲师，主要从事微纳米加工与检测技术研究。

柯晓龙，等：基于光学非球面的大尺寸精密检测平台技术 37光学非球面元件是-种非常重要的光学零件。非球面透镜、非球面反射镜、非球面雷达天线广泛应用于航空、航天等领域，投影仪镜头、电视摄像管、条形码读数头等非球面零件在民用光电产品上也扮演着越来越重要的角色 I4j。

光学非球面元件的检测技术是影响非球面精密加工的关键要素之-。目前，光学非球面测量的方式主要有两种：在位测量和离线测量5 ]。

前者是指工件加工完毕后 ，在机床上不卸下工件的情况下进行检测。这种方式有利于补偿加工的可靠性，但受测量环境影响，测量精度往往相对较低。后者则将工件从机床上取下，并用专门的检测设备进行工件面形检测。检测平台是最为重要的-种离线检测方式。由于离线检测系统采用独立洁净的测量环境和更为合理的运动控制方案，因此通成获得更高的面形检测精度。

笔者针对非球面元件的测量特点，开发了相应的精密检测系统，用来实现光学非球面元件，尤其是大口径光学非球面元件的精度面形检测。

1 检测平台的测量原理笔者开发的大尺寸精密检测平台的检测方式与传统的三坐标测量机类似，即通过三轴联动的运动控制系统带动测量传感器在 3个相互垂直的空间坐标内移动，从而测量出被测工件表面点的空间坐标数据，并将这些点云数据进行计算机数据处理，以完成工件轮廓的精度测量。下面以笔者自主开发的检测平台为例来阐述其工作原理。

如图 1所示 ，该检测平台采用基于上位机和下位机双 CPU开放式数控系统，并采劝三轴直线电机联动”的运动方式。下位机通过基于 DSP的 Parker运动控制卡来实现，主要承担实时性任务，如伺服控制、插补预算等；上位机为工业控制PC机，主要承担离线检测软件控制、数据采集和数据分析处理等任务。上位机通过PCI总线和检测平台的运动控制卡连接；测量软件生成测量轨迹后，经PC/总线传递给运动控制卡，从而经各轴驱动器控制检测平台XYZ三轴的运动；上位机通过RS232/UBS接口，带动接触式/非接触式传感器实现数据采集测量，测得工件表面的-系列离散点的三维坐标值，并将数据传回给上位机，从而按照-定的算法拟合出该工件的表面形貌，进而得到其面形方程以及面形精度等。

巫 囡] - 砖匝外岖 圃- I， ， 图1 检测平台的测量原理2 检测平台的硬件搭建为了获得良好的运动控制精度，笔者采用了高精度直线电机、0.1 m接触式/非接触传感器以及自主开发测量评价软件为核心的软硬件控制方案，搭建了大尺寸精密检测平台(图2)。该检测平台的测量范围为430 mm X430 mm，面形检测的设计精度为2 Im/400 mm×400 mm。其中：1)花岗岩龙门框架结构采用了济南青”材质，具有质地均匀、刚性好、硬度高、热膨胀系数小的特点。

2)运动控制卡选用美国Parker公司的 ACR-1505四轴运动控制卡，其拥有 120 MHz、32字节浮点的DSP高速数字信号处理器，并提供 4路 30MHz的编码反馈，可满足高速高精度测量的需要。

3)光栅尺选用英国 Ranishaw公司的开放式高精度光栅尺。其热膨胀系数小于 1.4 nl/，mPC，读数头分辨率为20 nm。

4)直线电机采用荷兰Tecnotion的UL系列永磁无铁芯直线伺服电机。采用直线电机传动方式代替传统的旋转电机滚珠丝杆”传动方式，可缩短传动链，减小传动误差，提高定位精度，并实现快速运动响应。各轴电机单独配备Parker公司的 Compax 3系列伺服驱动器，实现各轴进给控制。

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