数字伺服聚焦表面轮廓仪的研制

摘要

接触式测量由于接触力的存在，容易损坏工件表面和磨损测头，应用有一定局限，而非接触测量不存在接触力，对被测工件表面无任何划伤，所以非接触测量仪器得到了迅速发展。在基于各种探测原理的非接触轮廓测量仪中，聚焦探测式仪器以其垂直和水平方向测量范围较大，动态比率较高，在工程表面测量中占有重要地位。 我国的工业生产和科学研究为了测量表面形貌，对非接触轮廓测量仪有比较大的需求，但是国内没有成熟的产品，而国外仪器价格又比较昂贵，所以研究数字伺服聚焦非接触轮廓仪,解决这一矛盾，意义非常重大。 本文的主要研究内容和工作如下： 在改进傅科刀口法的基础上，设计了仪器的光路系统，分析了聚焦信号的数学模型，从本质上揭示了仪器的成像规律及特征。 设计了信号调理和数据采集板卡，从数据通讯的角度，详细分析了测量过程中外部设备与计算机的数据通讯，并具体介绍了与测量相关的信号处理电路。 在硬件的基础上，设计了一种高效率的试探法和二分法结合的找焦的软件实现方法，使得计算机能够数字伺服驱动音圈电机聚焦，与传统的模拟伺服相比，提高了伺服系统的稳定性，同时缩短了找焦的时间，提高了仪器的工作效率。 设计了闭环控制的共基面精密工作台，满足了仪器采样走步的高精度；音圈电机作为仪器聚焦伺服系统反馈环节的执行机构，采用整体线切割的结构方式，具有良好的动态和静态特性。 将虚拟仪器技术引入到非接触轮廓测量仪中，以C++builder作为虚拟仪器软件开发平台，设计了功能完整而强大的用户程序。人机交流的友好用户界面，标准化的参数设置和丰富的数据处理方法，实现了仪器的智能化。利用研制出的非接触轮廓测量仪对标准样块进行了检测,实验结果表明仪器达到设计要求。