摆臂式轮廓仪测头空间位置检测技术研究

杨利霞

摆臂式轮廓仪测头空间位置检测技术研究

7 G. b/ r' {9 @0 q: A! e; ?
& b/ I1 A; D6 U  g1 \& C% w伴随着科学技术的快速发展，光学非球面由于其优异的光学性能，在大型光学系统、
8 f% J/ P# }2 n空间目标探测与识别和红外导引等技术领域有着较为广泛的应用。然而，目前光学非球面
1 ~$ h$ N1 P* V' c面形加工以及相应的在位检测依然存在一定的难度，为此提出了摆臂式轮廓仪的测量方法。
摆臂式轮廓仪具有结构简单、成本低、测量范围大和测量精度高等优点，可以实现光学非
球面的在位检测，避免加工中的镜面在搬运中带来的风险，同时提高了镜面面形的检测精
度和加工效率。但是在实际的检测中，摆臂式轮廓仪测头空间位置中的测头偏心误差以及
有效臂长均对其测量面形的精度产生一定的影响。本论文的主要工作是围绕摆臂式轮廓仪
测头空间位置检测技术进行研究，提出了光谱共焦传感器测量测头偏心误差的方法以及点
源显微镜标定测头系统空间坐标位置关系和激光跟踪仪测量横臂转台轴心线的联合测量
+ o, ]  f; i, D) u有效臂长的方法。本论文的主要研究内容围绕以下几部分展开：

1.  
调研了摆臂式轮廓仪的国内外研究发展状况，对摆臂式轮廓仪的测量原理进行了介
8 M5 L. N5 C7 ~# G1 [绍，分析了测头空间位置对面形检测的影响，得出需要将摆臂式轮廓仪测头偏心误
" Q/ E- c2 R7 j差控制在
" \, K. o& y+ @8 \7 A* b2 r10μm
8 O: Q5 O- ?. F" a，即测头偏心误差测量不确定度不超过
" x$ X4 Q" `* z5 [  l3μm
，同时有效臂长的测量
不确定度不超过
10μm
, C2 O* @( G) `3 i; o3 |. G。对目前一些偏心误差测量方法和有效臂长测量方法进行了
调研。

2.  
: g! W. _8 J) ]1 I介绍了摆臂式轮廓仪测头偏心误差的测量原理及光谱共焦传感器的测量原理，对测
头偏心误差的误差因素及测量不确定度进行了相应理论分析，利用
+ l" \3 l) g3 e9 o) }) ]; h$ TMonte-Carlo
" I! Z2 ?; g7 K- c3 ?/ w! T模
拟方法得到理论扩展不确定度
# \; L0 E1 y" y( PU
Lg
9 P$ `+ y' X* N; u=0.8μm
( _% s7 ^5 P/ t3 d# O/ [$ ^。
5 z' u* h2 o0 e6 P
3.  
' n" W6 c4 |, N% x5 ^7 c对有效臂长的测量方法进行了研究，提出了点源显微镜标定测头系统空间坐标位置
9 e& D; d4 Y2 n( A  Q5 u0 B关系以及激光跟踪仪测量横臂转台轴心线的方法，分别介绍了点源显微镜的工作原
# L! [/ R' a. M1 h理、激光跟踪仪的工作原理以及两种测量方法的原理。利用
; l" L% R& L2 n$ h5 J# R4 XMonte-Carlo
模拟方法
得到实验中有效臂长扩展不确定度
4 Q* }7 f- W3 W9 j% ^! }( M! HU
L
=8.2μm
5 [8 l6 g% d, U# i. a。
6 G- N0 o7 H$ i7 \% D8 {) w
8 B; m. H& ?+ a* _  w7 j4.  
+ q2 o0 P% r& F针对光谱共焦传感器测量摆臂式轮廓仪测头偏心误差，进行了对比实验，对比实验
结果证明了光谱共焦传感器测量测头偏心误差的测量方法是可行的，测量数据是可
靠的。
/ y/ y: s6 Y) S9 R' R+ b+ Y
5.  
& f5 e! E7 B% t/ _: o% v: w0 P1 J针对点源显微镜标定测头系统空间坐标位置关系及激光跟踪仪测量横臂转台轴心
线来测量摆臂式轮廓仪有效臂长，设计了对比实验，实验结果证明该测量方法的可
. z  j. e: I; @! ]  X行性与可靠性。

关键词：摆臂式轮廓仪，偏心误差，有效臂长，光谱共焦传感器，点源显微镜，激光跟踪
仪



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