摆臂式轮廓仪控制系统设计

摘要

大尺寸光学元件表面面形的精密检测是许多领域光学系统发展的重要部分，随着科学技术的进步，许多领域如同步辐射光源、极紫外光刻、相机、望远镜和X射线自由电子激光灯都对大尺寸的光学元件表面面形检测提出了更高的要求。
　　本文基于摆臂式轮廓仪原理研制了一台能够自动完成对大尺寸光学元件表面面形检测的平台，通过极坐标定位传感器的位置并测得元件的面形数据，最后在计算机上拟合元件的面形。该平台结构设计合理，不仅继承了摆臂式轮廓仪测量精度高、范围大、测量速度快的优点，还使用了多项嵌入式系统与计算机系统的技术搭建控制系统提高了平台的测量速度及自动化程度。
　　本论文主要讨论了针对该检测平台所设计的控制系统。一是摆臂与转盘的精密运动控制，通过UMAC运动控制器驱动两个气浮无刷直流电机，并使用32位圆光栅编码器作为位置与速度反馈完成对转臂与转盘的控制从而定位传感器;二是数据的高速传输与存储，通过Xilinx FPGA搭建SOPC系统，通过高速AD采样传感器的数据，并通过乒乓操作等内存管理方法缓存数据，最终通过硬件实现的SATA接口协议将数据存储在硬盘中。通过计算机拟合测量的点云数据得到整个元件的面形。而在传感器方面，本平台可以方便的进行更换已达到测量不同面形及精度要求的目的，实验中选用的是激光三角测距仪。
　　摆臂式轮廓仪在测量大尺寸光学元件面形方面具有测量速度快，精度较高等的独特的优势，随着材料性能、零部件加工精度以及传感器测量精度的提升，有望能够达到更高的测量精度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 摆臂式轮廓仪技术现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文的研究目标和组织结构

第二章 摆臂式轮廓仪的结构与原理

2．1 摆臂式轮廓仪的结构

2．2 摆臂式轮廓仪的测量原理

2．2．1 平行式测量的原理

2．2．2 倾斜式测量的原理

2．3 摆臂式轮廓仪的扫描轨迹

2．3．1 同心圆轨迹

2．3．2 螺旋线轨迹

2．3．3 弧线轨迹

2．4 本章小结

第三章 检测平台的结构设计

3．1 整体结构

3．2 摆臂扭动平衡结构

3．3 摆臂高度调整机构

3．4 激光三角测距仪原理选型

3．5 本章小结

第四章 检测平台的控制系统设计

4．1 控制系统整体框架

4．2 电机运动控制

4．2．1 无刷直流电机原理

4．2．2 控制器件选型

4．2．3 PID参数整定

4．3 数据管理系统设计

4．3．1 SOPC系统整体架构

4．3．2 AD采集模块

4．3．3 NPI接口控制模块

4．3．4 SATA接口模块

4．3．5 内存数据乒乓操作

4．4 本章小结

第五章 实验及结果

5．1 实验环境搭建

5．1．1 平台结构装调

5．1．2 空气通路安装

5．1．3 控制系统整合

5．2 平面面形测量实验

5．3 实验结果

第六章 总结与展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢