大量程高精度非球面光学元件检测平台设计

第１６卷增刊　厦门理工学院学报　Ｖｏ１．１６　Ｓｕｐ　２００８年１２月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉａｍｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｃ．２ｏｏ８　大量程高精度非球面光学元件检测平台设计　潘　昆，郭隐彪，柯晓龙　（厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门３６１００５）　［摘要】针对目前高精度，大量程的非球面检测需求，综合考虑各部件对平台精度的影响，完成了　对平台的机械系统，探测系统和运动控制系统的设计．该非球面光学元件检测平台采用花岗岩框架结构，　以增加整体结构的刚度，减小自身热变形引起的几何误差．系统的探测系统采用了接触／非接触式双重测量　的检测方法，既提高了测量的速度，又增加了测量数据的可靠性．运动控制系统则采用运动控制卡＋伺服　电机的三轴联动的开放式运动控制方式，满足了高精度非球面光学元件的检测需要．　［关键词］非球面光学元件；大量程；检测平台；控制　［中图分类号］ＴＢ４７２　［文献标志码］Ａ　［文章编号］１００８—３８０４（２００８）Ｓ一００８１—０４　近年来，随着微纳米加工技术的的发展，在纳米量级激光干涉测量技术的实时测量与控制下，采　用超精密磨削及金刚石单点切削，使超精密机床的加工精度提高了上百倍，达到了亚微米级形状精度　与纳米量级表面粗糙度¨Ｊ，这对非球面检测提出了更高的要求．同时，在国家大光学工程任务以及　光电子消费产品需求日益增长的牵引和推动下，大尺寸先进光学元件广泛应用于激光核聚变装置、高　能激光、红外热成像、卫星用光学系统、大型天文望远镜、医疗影像设备等国防及尖端技术领域．目　前从国内外非球面测量仪发展来看，一些量程比较大，但是精度比较低，如三坐标测量机，不能满足　非球面精密测量的需求．一些虽然精度很高，但是量程比较小，如英国Ｔａｙｌｏｒ　Ｈｏｂｓｏｎ公司的各类接　触式轮廓仪．因而本文提出设计一个大量程高精度的非球面检测平台，以满足当前大口径光学元件的　检测需求．　１　平台整体结构设计　光学元件检测平台是由三个正交的直线运动轴构成的，　因此三个坐标轴之间的位置配置对测量的精度以及被测工　件的适用性都有很大的影响．在目前已经成熟的产品中用　的比较多的是移动桥式结构．这种结构相对来说结构比较　简单，敞开性好．但是这种结构有两个比较大的缺点：１）　向标尺位于桥框一侧，在】，向有较大的阿贝臂．２）　向　驱动位于桥框一侧，桥框移动时容易产生绕ｚ轴的偏摆，　这种偏摆会引起较大的阿贝误差．这两个缺点直接对测量　的精度造成较大的影响，因而该结构只适合于中等精度的　测量．　由于被测工件尺寸范围较大（４３０　ｍｍ×４３０　ｍｍ×　图’非球面检测平台整体结构图　２００　ｍｍ），预期系统检测精度高（系统整体定位精度为±３　脚），因而经过对比选择最终采用了固定　［收稿日期］２００８—０９—２５　［基金项目］福建省科技计划重点项目基金资助（２００８Ｈ００１２）　［作者简介】潘昆（１９８５一），男，硕士研究生．　厦门理工学院学报　２００８正　桥式结构．这种结构的桥框固定不动，它直接与基座连接．　轴驱动装置直接固定在底座上，其上固　定工作平台．整个　向标尺和驱动机构位于工作台的下方中部，相对于移动桥式结构ｌ，向的误差就　比较小．另一方面由于是从中间驱动，工作台绕ｚ轴的偏摆小，阿贝误差小．因而固定桥式结构运　动稳定性好，运动的误差小，很适合高精度的测量．　图１为先进光学元件检测平台的整体结构图，平台整体　尺寸比较大（８６０　ｍｍ　Ｘ７００　ｍｍ　Ｘ８５０　ｍｍ），为减小自身形　变，保证精度，平台主体采用花岗石材料．它具有热变形　小、稳定性好、不生锈、平面加工容易等优点，并且表面　加工精度能够达到０００级（平面度２　Ｉａ，ｍ）．图２是对平台受　力最大的横梁进行ＡＮＳＹＳ仿真分析后的结果．在模拟真实　负载的情况下，从图上可以看出其最大变形处也就只有　０．１５８　Ｉｘｍ，基本可以忽略不计．但是花岗石属硬脆材料，　无法加工螺纹孔，因而在设计上需要注意各结构件之间的　连接方式．　图２横梁模拟受力变形仿真　２平台运动机构设计　运动机构对于一个平台整体来说至关重要，一方面，　它的运动速率直接影响着检测的效率．另一方面，运动机构的运行精度直接影响着整体的测量精度．　因而本平台选用了进口原装的高精度产品．　２．１直线电机驱动机构　作为一个高精度检测平台来说，要求其驱动系统传动平稳，刚度高，爬行小，不能产生太大的振　动和噪声．因而在本平台上我们选用了直线电机作为驱动系统．与传统的旋转电机相比，直线电机能　够直接将电能转换成直线运动机械能，不需要任何中间传动机构，因而就不存在运动间隙的问题．而　且还简化了整个驱动系统，保证了运行的可靠性、使得传递效率提高．图３为检测平台所采用的荷兰　ＴＥＣＮＯＴＩＯＮ直线电机的结构图．采用直线电机驱动的滑台有以下特点：定位精度配套相应的光栅反　馈系统能达到纳米级别；响应速度快，仅为０．８　ｍｓ；运行平稳，速度为０．２　ｍ／ｓ；负载大，能够达到　４０　ｋｇ；无运动间隙，无摩擦，无磨损．同时对工作环境要求较低，既能用在真空和无尘室，也能应　用在一些干扰大、潮湿以及有振动的环境中．　图３　ＴＥＣＮＯＴＩＯＮ直线电机　图４滚动导轨结构图　２．２滚动导轨　导轨是运动平台的重要部件之一．它不仅是整个平台的承载装置，而且是导向装置．它的直线性　精度直接影响着各个运动部件的定位及运动精度，对整个系统的检测精度有着重大的影响．　在传统的检测平台上，用的比较多的是滑动导轨，虽然滑动导轨的承载能力强，但是滑动导轨的　摩擦阻力大，容易磨损．静、动摩擦系数差别大，低速运行时易产生爬行，也不易在高速下运行．由　于检测平台要求精度较高，因而我们采用了滚动导轨，图４为滚动导轨结构图．其具有以下优点：　增刊　潘昆，等：大量程高精度非球面光学元件检测平台设计　・８３・　Ｉ）灵敏度高，运动平稳，低速移动时不易出现爬行现象；２）定位精度高；３）摩擦阻力小，移动轻　便，磨损小，精度保持性好，寿命长．因而选用滚动导轨能够达到设计平台的精度要求．　２．３标尺系统　标尺系统是用来度量各轴的坐标数值的，是检测平台不可或缺的组成部分．标尺系统基本可以分　为三类：机械式标尺系统；光学式标尺系统和电气式标尺系统；对照国内外先进的坐标测量仪，本平　台采用了Ｒｅｎｉｓｈａｗ光栅尺，分辨率能够达到２０　ｎｍ，其自身材料为不锈钢带，背面自粘性胶带能将尺　身直接固定在　三轴上．　该标尺系统是具有绝对零位的增量式光栅系统，有以下优点：避免系统一旦停电或由于其它原因新　号中断后导致前面的测量结果废弃而无法恢复；在更换工件、更换测量头或掉头测量等情况，选定的测　量点不会消失；在机构误差补偿等情况下，可以提供绝对零位给测量系统进行误差补偿等操作［２】．　３探测系统　探测系统是为检测平台拾取信号的，它与平台的检测效率、精度密切相关，没有先进的测头就无　祛充分发挥测量机的功能．因而选择一个好的探测系统对于一个检测平台来讲至关重要．　按测量方式来分，测头可以分为接触式跟非接触式两类．接触式测量的精度较高，但是测量的速　度比较慢．非接触式测量的速度与采样频率比较高，但是在测量高曲率面和发光面时容易产生错误的　数据和缺点现象．考虑到被测工件多为　非球面玻璃面，有些部位曲率较大，而　ｌ非接触式激光探头快速检测得到表面点数集　且容易发生镜面反射，产生数据的缺失　或者不真实的数据．因而在测量过程中　利用所得点数集构建基础平面　采用接触式与非接触式相结合的探测办　法．首先利用非接触探测方式快速扫描　Ｉ利用最优临近点（ｎｅｘｔ　ｂｅｓｔ　ｐｏｍ．ｔ）算法确定数据缺失或失真区域　表面，得到一个点数集，初步创立一个　基础表面．紧接着利用最优临近点（ｎｅｘｔ　利用接触式探头重测数据缺失或失真区域　ｂｅｓｔ　ｐｏｉｎｔ）　的求解方法，来计算数据缺　失或者失真的部位，然后再对这些部位　用接触式探头重新测量，更新表面的点　更新点数集。得到表面的精确测量数据　数集，从而得到非球面表面的精确测量　图５测量流程图　数据．其大致流程如图５所示．采用这　种测量方式融合了接触式与非接触式两种测量方式的优点，既保证了测量的速度，又保证了测量数据　的可靠性．　４控制系统设计　控制系统是测量平台的关键组成部分之一．其主要功能是：读取空间坐标值，控制测量系统对测　量头信号进行实时响应和处理，控制机械系统实现测量所必须的运动，实时监控测量平台的状态以保　障整个系统的安全性和可靠性等．　整个的控制系统采用以计算机为核心，扩展外围控制系统来实现对三轴运动控制．为满足每个轴　的运动都平稳可靠，保证测量精度，可以采取每轴单独由一套伺服系统控制．同时通过软件程序，不　仅要能实现单轴的运动，而且能够实现三轴联动，按照设定的路径来自动完成测量任务【４】．　系统控制软件首先建立上位机（计算机）与下位机（运动控制卡）的通讯．整个控制系统采用　的是开放式结构，它的重要特点就是采用了基于ＰＣ的双ＣＰＵ结构．此时，Ｐｃ机承担非实时任务的　・８４・　厦门理工学院学报　２００８拄　处理；实时任务则由具有高速浮点运算功能　的ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）来处理．同　时这些ＣＰＵ协调工作，共同完成测量任务．　这种并行处理的方法提高了控制系统的实时　性．图６为控制系统的总体结构图．　５　结语　设计了一个非球面检测平台，整个系统　设计主要包括平台整体、运动机构、探测系　图６测量与控制系统结构图　统和控制系统的设计．在设计过程中为保证检测平台的整体精度，整体结构采用了花岗岩，保证了平　台整体的刚度。在后期的调试过程中，尤其应注意对系统进行误差补偿．国内外有关专家基于测量平　台为刚性模型的假设提出了多种不同形式的误差补偿模型．但对于一个高精度的非球面检测平台来　说，必须要对整个平台做非刚性效应的误差补偿．应该在整体系统误差给定的前提下，对整个平台进　行数学建模，并充分考虑系统的主要支撑部件的受力变形，计算出系统自身的几何误差与动态运行中　的随机误差，并将二者累加起来进行补偿．以期获得更加准确的测量数据．　［参考文献］　［１］Ｂｅｍｄ　Ｄ￣ｒｂａｎｄ，Ｇｔｉｍｈｅｒ　Ｓｅｉｔｚ．Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　ａｔ　ｉｔｓ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｌｉｍｉｔ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃ，２００１，　１１２（９）：３９２－３９８．　［２］黄浩，郭隐彪，王振忠，等．轴对称非球面加工误差分离及补偿技术［Ｊ］．机械工程学报，２００５，１２（４１）：　１７７．１８１．　［３］ＨＵＡＮＧＹ　Ｂ，Ｘｉａｏｐｉｎｇ　Ｑｉａｎ　Ｊｕｎｅ．Ａ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｅｎｓｉｎｇ－ａｎｄ－ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｐｏｉｎｔ—ａｎｄ　ａｒｅａ—　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｃｌｅｎｅｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，１２９（７）：６２３－６３５．　［４］郭隐彪，杨平，刘建春．光学非球面检测平台伺服控制系统研究［Ｊ］．中国机械工程，２００７，１４（７）：１６３９・　１６４３．