非球面测量系统与数据处理技术研究

图2
8254 工作方式 2 时序波形
非球面测量系统为三轴运动控制， 即传感器沿 X 、 Y、 Z 3 个 方 向 的 运 动。 测 量 时， 传感器沿工件表面 X － Y方向运动， 传感器采集的是工件相对传感器 z 向 该采样点的 Z 坐标值必须与 距离信息。 数据处理时， 该点的 XY 坐标准确对应才能拟合出正确的工件表面 形状， 因此， 对传感器的运动轨迹精度有较高的要求。 由于数据采集是在传感器的运动过程中完成的 ， 因此 其运动平稳性直接影响测量系统的精度 。在非球面测 量系统中， 最重要的控制指标是跟踪误差和定位精度 运动控 的问题。运动控制系统的位置是不断变化的， 制系统必须准确无误地跟随给定量。 系统以 MCX314 运动控制芯片构建运动控制平台。 MCX314 具有四轴 每个轴都有两个 32 位计数器和两个 32 位 控制功能， 比较 寄 存 器， 可 以 实 现 位 置 的 闭 环 控 制。 根 据 MCX314 器件和 PCI 总线传输的特点， 采用 16 位数据 总线使 MCX314 与 PCI 低端地址 / 数据线直接相连， 有 效地简化了系统结构。 运动控制系统硬件结构如图 4 所示， 系统采用上 下位机 MCX314As 通过 PLX9052 总线接 下位机结构， 口芯片与上位机 PCI 接口通信。上位机通过 PCI 接口 向运动控制芯片发送运动控制参数， 控制程序下载到
1
测量系统规划
测量系统由数据采集系统、 运动控制系统和数据 处理模块组成。图 1 为非球面测量系统结构示意图， 系统以工控机为上位机， 以运动控制器和数据采集卡 为下位机构成多 CPU 的数据采集与处理系统。 上下 位机结构的特点是把系统任务按实时性和非实时性分 配给上下位机来完成。上位机即为工业控制计算机实
n
（ 1 + k） +
n －1 2 n －1
c
pn ∏（ 2 i － 3 ）
i =1
2 n n！
（ 3）
将式（ 3 ） 代入式（ 2 ） 后可得
z = － 图4 运动控制系统结构图
Baidu Nhomakorabea
4
数据处理
+
) ( ) + k) c + k) c ( α － 5 ( 1128 )p + ( α － 7 ( 1256 )p + + k) c ( α － 21 ( 11024 )p + …
· 26· 现非实时的多功能任务， 主要任务有传感器运动规划、 运动参数设定、 数据采样参数设定、 数据处理等。下位 机运动控制器和数据采集模块， 它们是一组并行的结 各自完成不同的系统任务， 可以通过 PCI 接口与上 构， 位机通信。 2． 2
《测控技术》 2011 年第 30 卷第 12 期 数据采集模块 数据采集模块结构如图 3 所示。传感器采集的工 经程控放大后进入采样 / 保持通道， 由于 件表面信号， 高共模抑制能力， 因此 程控放大电路具有高输入阻抗、 可作为测量系统的前置放大。数据输入通道采用带采 由于 样保持器的 A / D 通道。当系统进行数据采集时， A / D 转换需要一定的时间才能完成， 因此， 采样保持 器在控制逻辑的控制下处于采样或保持状态 。在采样 状态下， 数据采集模块接收传感器的模拟信号 ， 在保持 状态下， 采样保持器对接收到的模拟输入信号进行保 直到下一次采样为止。 它的作用相当于对模拟量 持， 以便对采集的数据进行处理。 进行锁存，
非球面测量系统与数据处理技术研究
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非球面测量系统与数据处理技术研究
范剑红，林金兰
（ 福建莆田学院 电子信息工程系， 福建 莆田 351100 ）
摘要： 基于上下位机结构设计光学非球面检验系统 ， 采用工控机作为上位机， 下位机由运动控制卡和数 据采集卡构成。通过计数器协调运动控制单元和数据采集单元的动作 ， 可实现检测过程坐标的准确定 采用最小二乘拟合算法对数据进行曲面拟合 位和高精度的数据采集。对一般非球面方程进行变换后， 处理。并可适当增加测量点数据来减少测量误差 。 通过数据实验表明测量系统的拟合精度估计 σ ＜ 0. 05 μm， 能满足一般光学非球面的精密加工要求。 系统采用 Matlab 进行编程， 程序简单， 具有较高的 可靠性。 关键词： 非球面； 运动控制； 数据采集； 最小二乘法； 曲面拟合 中图分类号： TP273 文献标识码： A 文章编号： 1000 － 8829 （ 2011 ） 12 － 0025 － 04
图3
数据采集模块结构图
数据采集时， 上位机向采集系统发出数据采集指 A / D 转换器接收到指令后， 令， 就进行一次 A / D 转换， 当上位机发出取数据指令时， 转换的数据从 A / D 转换 ， 器的输出寄存器中取出 经数据总线进入上位机存储 单元。
2
2． 1
数据采集设计
3
扫描运动机构控制
定步长数据采集 非球面测量系统利用定时 / 计数器 8254 实现对非 球面表面的定步长采样。 采样时， 传感器在运动系统 的控制下沿工件表面匀速运动。 由于采样步长一定， 因此采样触发信号必须由运动控制系统提供 。定时计 数器 8254 对运动控制系统提供给伺服电机的脉冲信 8254 发出计数触发信 计数条件满足时， 号进行计数， 号触发数据采集卡进行数据采样 。 测量系统中， 设定 8254 工作于方式 2 ， 这种工作 OUT 输出为高电平， 方式下， 当装入 计 数 值 后， 如果 GATE 为高电平， 则开始计数， 计数过程 OUT 保持高 ， 1 OUT 输出一 电平不变 直到计数值减到 和 0 之间时， 个宽度为一个 CLK 周期的负脉冲， 这个负脉冲可作为 8254 自动装入计数 采样触发信号。当计数值为 0 时， 8254 计数器工 实现循环计数。 以 n = 4 为例， 初值 n， 作于方式 2 时的时序波形如图 2 所示。
收稿日期： 2010 － 12 － 02 作者简介： 范剑红 （ 1972 —） ， 男， 福建莆田人， 硕士， 讲师， 主要 ； （ 1968 — ） ， ， 从事测控及自动化技术研究 林金兰 女 福建莆田 人， 副教授， 主要从事精密仪器与精密机械研究 。
成像质量。非球面检测技术一直是影响非球面加工精 “瓶颈 ” 。 从某种意义上讲， 度进一步提高的 没有与加 工精度相适应的高精度检测方法及仪器 ， 非球面的精 。 密加工和超精密加工就难于实现 针对非球面零件的 测量方法多种多样， 各种方法所应用的原理、 设备、 所 能达到的精度各不相同。笔者提出一种基于上下位机 ［6 － 9 ］ 。 结构的非球面测量系统
Study on Aspheric Measuring System and Data Processing Technique
FAN Jianhong， LIN Jinlan
( Department of Electronics and Information Engineering，Putian University，Putian 351100，China)
非球面测量系统与数据处理技术研究 下位机后可脱离上位机独立运行 。系统实验平台采用 β 系 列 伺 服 系 统。 伺 服 放 大 器 为 富士 FALDICRYB401S30VBC 型， CA 型。 伺服电机为 GYS401DC1-
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5 （ 1 + k） 3 c7 p4 7 （ 1 + k） 4 c9 p5 21 （ 1 + k） 5 c11 p6 － － +… 128 256 1024
3 7 4 9 4 5 4 5 5 11 6 6 n
( 1 + k ) c3 2 ( 1 + k ) 2 c5 3 cp p + α3 － p + + α2 － 8 16 2
(
非球面测量的目的是获取光学元件的表面形状 ， 其主要应用于两个方面： ① 在光学元件的加工过程中 获取光学元件表面形状， 并与理想元件表面进行比较， 再把比较结果用于补偿加工； ② 对待检定工件进行表 面测量， 确定待检定工件的非球面方程参数。 对于第 1 种情况， 在排除粗大误差后， 可把当前测量点的测量 值与理想值进行比较， 从而获得加工余量。 对于第 2 种情况， 系统对光学元件的数据扫描获得的是一组离 散的坐标数据， 通过这些数据的拟合来获得非球面的 参数是测量的最终目标。 测量数据在排除粗大误差 后， 通过最小二乘法可以找到误差平方和最小的非球 面参数匹配。 以下着重讨论第 2 种情况下的数据处 理。 4． 1 算法原理 对于轴对称非球面， 其曲面方程的一般表达式为
图1
非球面测量系统结构示意图
测量系统以高精度激光位移传感器作为数据采集 元件， 传感器在运动控制系统的控制下沿检测工件表 面以一定轨迹运动。数据采集模块在脉冲计数器的控 制下定时对传感器信号进行数据采样。 采样数据经 A / D 转换后通过 PCI 接口送入 IPC 进行后续处理。由 于测量过程中， 运动系统的振动、 冲击、 速度波动等， 都 因此， 测量系统不仅要有高精 会影响测量系统的精度， 度的数据采集模块， 而且要有高精度的运动控制子系 设计包括运动控制模块和 统。基于这些因素的考虑， 。 数据采集模块
Abstract: An aspheric measuring system based on masterslaved computer structure is designed． The master computer adopts industrial computer，while the slaved computer is composed of motion control card and data acquisition card． A scaler is used to detect the pulse output by the motion control cell and feedback to data acquisition cell so that the sensor realizes accurate location and high precision data acquisition． Under the basis of transforming the aspheric equation into polynomial equations， surface fitting is carried out by using of least square method． Measurement error can be reduced by increasing the amount of acquisition data． Experiment shows that the fitting accuracy estimate is less than 0. 05 μm． The result can generally meet the precision requirement of aspheric surface machined． Data processing is programmed by Matlab． The system is characterized by simple procedure and high reliability． Key words: aspheric surface; motion control; data acquisition; least square method; surface fitting 在光学应用领域， 由于球面透镜在光学性能上的 缺陷， 单独成像时往往存在着各种无法克服的光学像 为了消除像差， 需要增加透镜的片数， 同时还要通 差， 过加 上 多 层 镀 膜 等 技 术 来 实 现 高 性 能 的 光 学 系 ［1 － 2 ］ 。在光学设计中， 统 如果采用非球面光学器件， 不 仅可以消除球差、 像差、 场曲， 减少光能损失， 从而获得 高质量的图像效果和高品质的光学特性 ， 而且减少了 ［3 － 5 ］ 。 简化了系统的结构 光学元件的数量， ， 近年来 非球面透镜在光学系统设计中的应用日 益普及。而非球面的加工质量直接影响到光学系统的