（机械制造及其自动化专业论文）非球面检测仪的研制.pdf

摘要 | f 针对目前对非球面光学零件的需求和非球面检测技术的现状，探 索一种操诈简便、通用性强、检测精度高的检测仪器具有重要的实用 价值 本文首先基于现阶段非球面的加工状况，提出了用接触式检测非 球面的子午面面形曲线并与理论曲线相比较，从而得到非球面面形误 差的检测原理，并根据该原理进行了机械结构的总体设计和电控系统 的研究。电控系统采用上下位机串行通讯的控制方式，下位机以8 9 c 5 5 为核心，驱动执行机构，并负责数据采集；上位机用v c + + 6 0 作为开 发平台，进行数据处理和图形显示。 本检测仪器采用高精度的机械构件和光栅传感器，电控系统采 集、接收、处理数据正确，因而能够达到设计的检测精度要求 关键词：非球面硅河电癌紊魏霸磊采集；行通讯 a b s t r a c t a i m i n ga tt h er e q u i r e m e n to fa s p h e r i co p t i c a lp a n sa n dt h ep r e s e n t s t a t eo ft h e i rt e s t i n g ，i tw i l lh a v ea l li m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u et od e v e l o p a n e q u i p m e n t t h a tw i l lb ee a s yt oo p e r a t e ，c o m m o n l yu s e da n dw i l lh a v e h i g ht e s t i n gp r e c i s i o n i nt h i s p a p e r ，o nb a s i so ft h ec u r r e n tm a c h i n i n gs t a t e ， at e s t i n g p r i n c i p l eo na s p h e r i cs u r f a c e i sp u tt b r w a r dt o ，t h ep r i n c i p l ei sak i n do f t o u c h i n g m e t h o d b yt e s t i n g t h em e r i d i a n o f a s p h e r i c s u r f a c ea n d c o m p a r i n gi t w i t ht h et h e o r e t i c a lc u r v e ，s os u r f a c ef i g u r ee r r o ri s g o t a c c o r d i n g t ot h i s p r i n c i r ) l e ，m e c h a n i c a l s t r u c t u r ei s d e s i g n e d a n d e l e c t r i c - c o n t r o l s y s t e m i sr e s e a r c h e d t h ee l e c t r i c c o n t r o l s y s t e m i s c o m p o s e do f o n es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra n do n ec o m p u t e rb ys e r i a l c o m m u n i c a t i o n t h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ri s8 9 c 5 5 ，w h i c hd r i v e s e x e c u t i v eb o d ya n dd o e sd a t aa c q u i s i t i o n t h et a s ko ft h ec o m p u t e ra r e d a t ap r o c e s s i n ga n d i m a g ed i s p l a y i n gb yu s i n g v c + + 6 0a ss o f t w a r e d e v e l o p i n g t a b l e m e c h a n i c a lp a r t sw i t hh i g hp r e c i s i o na n dr a s t e rs e n s o r sa r ea d a p t e d i nt h i s e q u i p m e n t ，e l e c t r i c c o n t r o ls y s t e mc a na c q u i r e s ，r e c e i v e sa n d p r o c e s s e s d a t ac o r r e c t l y ，s ot h i s e q u i p m e n tc a nr e a c ht e s t i n gp r e c i s i o n w h i c hi sr e q u i r e d k e yw o r d s ：a s p h e r i c s u r f a c e t e s t i n g e l e c t r i c c o n t r o ls y s t e m d a t aa c q u i s i t i o ns e r i a lc o m m u n i c a t i o n 第一章绪论 光电技术是非常重要的现代高科技领域。在许多兵器中，尤其是 “杀手锏”武器的性能主要是由光电技术来保证。在民品行业中，随 着科学技术的发展，市场竞争的日益激烈，为了生存和发展，几乎所 有行业都要靠光电技术来提高产品性能，控制生产过程，以便保证产 品的质量、提高加工效率和降低成本，以利于在激烈竞争的市场中占 有一席之地 在光电技术中，光学系统是必不可少的目前，应用于航天、航 空、天文、电子、激光以及光通讯的各种新的光电产品不断涌现：如 军事上用于瞄准、测距、夜视、制导、激光武器以及指挥等方面；民 品上用于c d 、v c d 、d v d 、光通讯、数码相机、摄像机、激光打印 机等；用于医疗上的激光手术刀、内窥镜等各种诊断和治疗仪器。 由此，国内外专家称2 l 世纪为“光的世纪”在当前和未来的军 事、经济以及高科技方面，光电技术将成为重要的竞争领域。 光电仪器中的光学零件是基础构件。在光学系统中采用非球面零 件，不仅使仪器性能大大提高，而且体积减少、重量减轻，因而具有 球面光学零件无法比拟的优点因此，对非球面光学零件的需求越来 越迫切。 但是非球面的加工和检测至今仍是一个难点问题。本课题主要是 研究非球面的检测问题。 本课题是结合国家自然科学基金资助的“轨迹成形法加7 - 非球面光 学零件新原理的研究”课题，以较为简便通用的方法，为解决非球面 光学零件的面形精度的检测而进行的探索性的研究 1 1 本课题研究的内容 本课题主要进行了如下三方面的研究 1 、检测原理的研究。 2 、检测仪器总体设计。 3 、电控系统的研究 1 2 本课题研究的意义 一般光学系统中主要采用球面元件，与传统球面光学系统相 比较，在保证系统成像质量的前提条件下，光学系统中通过使用 非球面元件可以减少系统所需的光学表面的数量，进而减少光学 系统的尺寸、重量、及复杂性正因如此，在光学系统中迫切需 要非球面光学零件虽然非球面元件具有很多的优点，但是由于 它的特殊的几何形状决定了非球面的加工方法异于球面的加工方 法，无论是制造难度还是制造成本都远远高于球面元件见 非球面的面形精度直接影响光学系统的性能，因此，要提高 光学系统的成像质量，必须提高非球面的加工精度，作为完整的 非球面制造技术主要包括两个部分，即加工技术和检测技术，加 工和检测是分不开的，加工质量要靠检测来评价和保证【挪i ii 。目前， 非球面的面形检测有多种方法，但没有一种检测精度高、使用方 便、通用性好的检测方法基于上述现状，在本课题中，要研究 一种简便、通用的接触式检测非球面的装置，在机上或机下对非 球面的面形进行较高精度地检测。如能研究成功，则将使非球面 的检测变得简便，廉价。 1 3 目前国内外非球面检验的方法 据作者查阅国内外文献知，目前国内外非球面检验有如下一些主 要检测方法： l 、无相差点法 此法适用于检验反射式二次非球面。它是由二次曲线围绕连接其 两个几何焦点的轴线旋转而成的反射式二次非球面具有很好的光学 性质：表面几何焦点是一对共轭的无相差点。利用其几何焦点的无相 差性，可以检测二次非球面。此法需要利用辅助平面和球面镜来完成 检验。 将光源置于其中一个焦点上，可以研究由被测面反射的渡前变 形，但其变形不仅包括了被测非球面的面形误差，同时也包括点光源 与非球面几何焦点位置的不重合偏差( 离焦) 故此法在一般用在大 口径辅助光学的场合下，实际无法采用。 2 、玻璃样板法 适用于检验直径小于1 5 0 2 0 0 m m 的非球面，尤其适用于检验与 球面或平面偏离很小的非球面。此时可以使用球面或平面样板。其优 点是使用简便，缺点是必须制造标准非球面，并精确的加以标定。因 而此法还需用其它方法检验标准非球面的质量，方法不独立。 3 、全息样板法 理论上可以检验所有类型的非球面，原理是采用人工全息图作为 参考平面或补偿器但全息图制作复杂，尤其是对于大口径的非球面， 全息图的线纹频率非常高，以至于不能制作。而且，对于每一个非球 面都需要一个专门的全息图，所以全息法不具有广泛性全息法可以 检验锥面和柱面，这时全息图具有线性结构。 4 、光学补偿法 主要用于检验大口径的二次及高次非球面的方法，如天文镜面质 量补偿件的直径较被检验件的直径小的多是其特点，补偿件与被检 测非球面必须一一对应 5 、法线相差补偿法 借助补偿元件把平面和球面波前转换成非球面波前，使之与被检 测非球面的理论形状吻合，再经非球面反射后光线循原路返回，经补 偿元件反射后仍为球面光束或平面光束，会聚后再用阴影法或干涉法 检验这种方法比较麻烦。 6 、干涉法 可用于检测任何光学系统，只要检测系统把入射其上的球面和平 面波前，转换为近似于平面和球面的波前观察其干涉条纹，就可知 非球面误差该法测量的首要问题是如何保证物镜、被检测镜面和自 准轴反射镜的同轴度问题【2 】 f 9 】o 这些方法中，有的仅能定性检测：有的虽然能定量的检测，精度 也很高，但是系统本身很复杂，造价也很高；有的仅能检测某一类型 的非球面，不具有通用性。为此，本课题要研制一种操作简便，通用 性强，检测精度高的检测仪器。 4 第二章非球面检测的原理 1 、轴对称非球面的数学表达式 设x 表示非球面的旋转对称轴，y 表示入射光线在非球面上的高 度，则轴对称非球面的子午面曲线一般可用两种形式的方程式来表达， 下面分别叙述。 第一种v 2 = a l x 十a 2 x 2 + a 3 x 3 + ( 2 1 ) 这种表达式在两种情况下比较方便：一是对于二次曲面，到第二 项为止即严格地表达了曲面形状；二是对于相对口径很大的非球面， 逼近得很快，即高次项为数不多。这种表达式的不便之处是，当含x 3 以上项时，给定y 值求解x ，用解析法很繁，一般要用逐次逼近法。 式( 2 1 ) 中，a 1 只与非球面的顶点有关，即a l = 2 r ，r 为顶点的曲率 半径。这种表达式用在强聚光系统很方便。 第二种x = a y 2 + b y 4 + c y o ( 2 2 ) 这种表达方式只用在偏离平面很小的改正板一类光学元件上。将 x 表达为v 2 的幂级数在设计时特别方便。由于总的偏离量一般不大， 故逼近得很快。实际需要的项数和系统的相对口径有关。一个相对口 径为1 ：3 的施密特系统的校正板，实际上到y 4 项就足够了，也就是 说用三级象差理论解出的方程就能满足要求。在口径特别大时，最多 加上y 6 项也就够了。设计者应该力求做到取最少的项数满足要求，因 为无谓的增加项数有时会给加工和检验带来更多的困难，或者做出的 实物和设计的曲线并不一致。反之，如果从设计角度认为妊须取多项， 则一定要考虑相应的检验和加工方法。式( 2 2 ) 中第一项的系数也只和 非球面顶点曲率半径有关，即a = i 2 r 。 实际光学系统在很多情况下用二次曲面就够了，二次曲线又称圆 锥曲线，它有两个参数。坐标原点选择不一样，或坐标变量取得不一 样，则同一曲线非球面参数有所不同，而且它们代表的几何意义也不 同。对从事非球面光学设计的人来说，熟悉它们之间的关系和各自代 表的几何光学意义是十分重要的。 2 常用的二次曲线表达式 ( 椭圆及双曲线) ( 抛物线) ( 2 3 ) = 。 枷 = ，一 ， 这二式是解析几何中一般采用的两种形式，式( 2 3 ) 中前一式的坐 标原点取在曲线的对称中心，后一式坐标原点取在曲线的顶点式中 参数a ，b 分别是椭圆或双曲线的半长轴和半短轴，p 是抛物线的焦点 到准线的距离，也是抛物线顶点的曲率半径。用式( 2 3 ) 前一式从数学 角度讨论曲线的性质及一些衍生的数学关系比较方便；但从几何光学 的角度看，除了求曲线的几何焦点外，用该式却不很方便。我们可利 用它的参数来求曲线焦点的位置 ( 2 ) y2 = 2 r x f 1 一e 2 1 x 2 ( 2 4 ) 该式是讨论光学问题最常用，也是最方便的形式。从式( 2 4 ) 立即 可以看出，不论对哪一种曲线，其坐标原点都在曲线的顶点。式中参 数r 是曲线顶点的曲率半径，e 2 是曲线的偏心率平方，也就是曲线的 形状参数。这种表达式的另一个好处是把扁球面也包括在内。扁球面 是绕椭圆的短轴旋转而成的二次曲面，在非球面光学中有它的地位。 形状参数与曲线性质的对应关系如下： e 2 o扁圆 e 2 = 0圆 o o 则 如同上面继续寻找，否则，电机m 1 后退( r 2 ) 个步距角，x 赋予 2 0 h ，至此，x 向最高点已找到。 y 向最高点同理亦可找到。 六、非球面旋转一周子程序 非球面旋转子程序框图如下页图4 1 6 所示。通过上述的寻找非球 面顶点子程序可以找到非球面的最高点，为了验证结果的正确性，需 要调用非球面旋转子程序假设上面的子程序找到的最高点为( x o ， z o ) ，步进电机每旋转一定步距角后，新测点的z 坐标为z 。1 ，若在误差 允许的范围内，7 - o 。z o ，则说明已找到最高点，否则，需要重新找最 高点 图4 15 非球面旋转子程序 第五章上位机系统的软件设计 5 1 软件开发平台及协议 一、开发平台 w i n d o w s 操作系统以其简便的操作、强大的功能和友好的用户 界面已成为软件开发的主流平台在w i n d o w s 环境下，工业上的越 来越多的分步式监控系统、数据采集系统、智能仪表采用串行口与 单片机进行通信，传递指令以及交换数据。本系统也采用系统机与 单片机通过串口进行数据的采集与处理 v is u a lc + + 6 0 作为新一代面向对象编程语言的代表，除了具 有c 语言的一切优点外，还具有高效( 程序执行的速度可达到与汇 编语言程序的执行速度) 、灵活、可与w i n d o w sa p i ( a p p l ic a tio i l p r o g r a mi n t e r f a c e ) 函数无缝地连接等优点。所以本系统选用 v is u a lc + + 6 0 作为程序开发平台。另外，由于本检测系统要采集 大量数据并保存，且为了直观明了，本程序还建立了与数据库的连 接所采用的数据库语言是s q l 7 0 ，它适于中小规模的系统。 二、通信协议【3 4 1 【3 7 】 在前一节已经提到，上下位机的通讯采用串口通讯，底层协议 采用r s 一2 3 2 协议，顶层协议已经在上一节中写明先介绍一下底 层协议。r s - 2 3 2 协议是o s i ( o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n ) 协 议体系中基于物理层的通信协议。它负责与硬件打交道，而c 语言 与其他类型的高级语言相比在此方面具有较大的优势，这也是本系 统选用v i s u a lc + + 6 0 作为程序开发平台的一个重要原因。 r s 一3 23 c 标准是美国e i a ( 电子工业联合会) 与b e l l 等公司一起开发 的1 9 6 9 年公布的通信协议它适合于数据传输速率在0 2 0 0 0 0 b s 范围内的通信 其电气特性： 在t x d 和r x d 上：逻辑1 ( m a r k ) = - 3 v 一1 5 v 逻辑0 ( s p a c e ) = + 3 + 1 5 v 在r t s 、c t s 、d s r 、d t r 和d c d 等控制线上： 信号有效( 接通，0 n 状态，正电压) = + 3 v + l5 v 信号无效( 断开，o f f 状态，负电压) 一3 v 一1 5 v 以上规定说明了r s - 2 3 2 c 标准对逻辑电平的定义对于数据( 信 息码) ：逻辑“1 ”( 传号) 的电平低于- 3 v ，逻辑0 ( 空号) 的电平 高于+ 3 v ；对于控制信号；接通状态( o n ) 即信号有效的电平高于 + 3 v ，断开状态( o f f ) 即信号无效的电平低于- 3 v ，也就是当传输电 平的绝对值大于3 v 时，电路可以有效地检查出来，介于一3 + 3 v 之间的电压无意义，低于一l5 v 或高于+ 1 5 v 的电压也认为无意义， 因此，实际工作时，应保证电平在士( 3 15 ) v 之间。 r s 23 2 c 与t t l 转换：r s - 2 3 2 c 是用正负电压来表示逻辑状态， 与t t l 以高低电平表示逻辑状态的规定不同因此，为了能够同计 算机接口或终端的t t l 器件连接，必须在r s - 2 3 2 c 与t t l 电路之间 进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件， 也可用集成电路芯片m a x 2 3 2 芯片可完成t t l 一一2 3 2 双向电平转 换 当通信距离较近时，可不需 要m o d e m ，通信双方可以直接连 接，这种情况下，只需使用少数 几根信号线最简单的情况，在 通信中根本不需要r s - 2 3 2 c 的 控制联络信号，只需三根线( 发 送线、接收线、信号地线) 便可 实现全双工异步串行通信 ( 1 ) r t s 与c t s 互联：只要请 求发送，立即得到允许 ( 2 ) d t r 与d s r 互联：只要本 端准备好，认为本端立即可以接 d t e ( 甲) i 1 i e ( 乙) t l d啪 秉，d= r 啪 r 1 隋 广 r t s c 狂 jb 一c t s d o r 广 d s r s gs g d c d |f d c d d t r- j l d t r mm 图5 1 最简单的通信线路连接 收( d s r 、数传机准备好) 本系统中采用m a x 2 3 2 集成芯片完成电平转换功能，该芯片仅用 + 5 v 电压供电，其内部有两组电压转换电路，g i ，+ 5 v 到+ l0 v 转换和+ 1 0 v 到一】0 v 转换，很适合2 3 2 电平与t t l 电平之间的转换，且外围电路简 单，工作电流仅5 m h m a x 23 2 已在上节详细介绍 三、串口控件 用v c + + 6 0 开发串口通信有四种方案：( 1 ) 使用v c + + 6 0 提供的 串口通信控件m s c o m m ；( 2 ) 是用单线程的方法实现自定义串口通信类 ( 封装w i n d o w sa p i ) ；( 3 ) 是用多线程的方法实现自定义串口通信 类( 封装w i n d o w sa p i ) ；( 4 ) 直接读写串口类( 字节编写r s 2 3 2 类， w i n 3 2 p o r t 类) 。四种方法的优缺点见表5 1 。为了编程方便，本系 统采用第一种 i 方；去优董缺占堆易 lc c o e v a l 解洁，易用不够灵活 岛 l 单线杜较灵活用于简单j 禾蛇鞍难 i 直接读写用于有较毫羹卑酌宾时需羹蝻写太量酌赢屉 羹难 j l 拒象蠹乞画般 柬5 1 各种+ 口通信方素比较 利用m i c r o s o f ta c t i v e x 通信控件m s c o m m 0 c x 可实现串口通信 其主要属性见表5 2 属性属性说明设定值 c o m m p o r tp c 端口号l i n b u f f e r s i z e接收缓冲区大小1 0 2 4 o u t b u f f e r s i z e输出缓冲区大小1 0 2 4 i n p u t l e n从接收缓冲区读入的字节薮。0 ( 全读) n p u t m o d e 接收数据类型1 ( 二进制) s e t t i n g端口d c b 参数 9 6 0 0 ，n ，7 ，1 r t h r e s h o l d接收几个字符时出发o n c o t m 事件 l n p u t o u t r t i t 从串口读数据向串口写数据 p o r t o p e n p c 端口的状态 表5 2 串口控件的主要属性 控件的属 生值随时可以改变，在程序中通过g e t 函数获得某一属 性值，通过g e t 函数设置某一属性值。有一部分属性可通过串口通讯 界面设置 通信控件以类似中断的方式工作，当有通信事件发生时或错误发 生时，出发o n c o m m ( ) 事件，在该事件的处理函数中调g e t c o m m e v e n t ( ) 函数获得当前通信事件或错误的属性值，根据属性值作出相应的处理 5 2 软件功能及流程图 本软件主要包括如下几大功能模块：检测参数录入、串口设置并 打开、自检结果显示、各检测子项、保存数据、图形显示、查看库存 ( 先前的检测结果) ，打印、退出等功能主程序框图如图5 2 所示 图5 2 主程序框图 一、主界面流程图 如流程图5 _ 3 ，主界面图5 4 所示：它包括非球面参数的录入，检 测参数的录入，若参数有效，可保存所输入的参数数据库中存储了 以前检测的非球面面形数据，若需了解以前所检测的非球面，则可通 过查看库存按钮进入查看。点击串口打开设置按钮，可以进行串口的 设置操作，串口设置界面如图5 5 所示。串口打开并设置以后，与下 位机相关的操作才可能进行。与下位机通信的相关操作包括参数初始 化、传感器自检、电机自检、寻找子午面、接收数据若哪一路数据 图5 3 主界面流程框图 不正确，可单独重新接收；若数据接收正确，说明一个面形检测完毕 图5 4 主界面 则可进行下一个子午面的检测与下一个子午面检测有关的操作有旋 转非球面、传感器回零、快进、快退等，检测完一个非球面后，可以 查看面形数据和显示图形，以便定量和定性的分析另外在检测的过 程中，如有什么问题，可以随时终止检测 二、数据保存功能模块 保存数据模块是本程序的主要功能模块之一，它不仅要对输入的 非球面参数和检测参数进行保存，还要对下位机采集来的大量数据保 存，这两类数据存储在不同的库里，以方便查看前者( 非球面参数 和检测参数) 被存在理论参数库( c t h e a p a r a ) 中，所有检测过的非球面 的基本参数都存在这个库里，库中主要包括日期、特性参数p 、偏心 率e 、零件的口径d 、零件类型以及检测点数等字段除了日期字段 以外，其余字段，不同的记录存在着数据相等的可能性( 因为两个非 图5 5 串口通讯参数设置界面 球面检测的时刻不可能完全相同，而检测的非球面的理论参数可能完 全相同) ，因此在查询中选用日期作为查询条件因此若想查看哪个被 检测非球面的面形数据( x ，z ，6 ) ，只需点击该记录的日期字段， 装载数据，即可查到而后者( 检测到的面形数据x ，z ，6 ) 被存 到实际检测数据库c m e a s d a t a 中，实际检测数据库主要包括日期字段、 面形横坐标x 字段、纵坐标z 字段、补偿误差6 字段非球面的面形 的最大误差也可查询 在这里要指出的是，在该系统实际应用中，接收数据有两种方式， 一是检测完毕，下位机向上住机发送中断信号，要求接收数据，二是 通过点击上位机软件系统的主界面的接收按钮( 有四个) 来接收数据， 因为在上位机程序的调试过程中的每一步，不可能现场采集数据，所 4 4 以需要模拟生成数据在保存功能模块里要模拟生成被检测的数据， 并放入c m e a s d a t a 库中，在软件调试完毕并成功后，可把模拟生成数 据这一部分去掉实际检测的数据也是放入c m e a s d a t a 中。 数据保存功能子程序 如图5 6 所示，首先检验非 球面标准参数及检测参数 是否有效，若有效，还要检 验c t h e a p a r a 中是否存在 该组数据，若不存在，将该 组参数c t h e a p a r a 存入理 论参数库。打开c m e a s d a t a 检测数据库，初始化随机生 成器，准备生成模拟数据 椭圆与圆者f 是封闭的曲线， 而双曲线与抛物线都是开 口曲线，在本系统中开口曲 线与闭口曲线的生成原理 不同因此，接下来要判断 偏心率m f e 的大小，根据 i n f e 的大小，来生成双曲 线或抛物线或椭圆的检测 数据，生成完毕关闭数据 库至此数据保存完毕 图5 6 保存功能框图 三、接收数据功能模块 接收数据是本系统中重要的一部分，它直接关系到本检测系统的 接收数据的正确与否，而本系统主要包括数据的采集和数据的处理， 若数据采集不正确，就谈不上后面的数据处理。接收数据的正确率的 高低，与所制定的协议有密切的关系，上面所说的接收数据是从广义 上说的，从狭义上说接收数据包括接受命令和接收数据( 真正的数据) 。 发送接收命令的协议早在硬件电路部分已经阐明，但接收数据比接收 命令复杂得多，在此要详述一下接收数据的协议。 定义数据头结构，用于分析下位机传来的数据 t y p e d e f s t r u c td a t a h e a d e r w o r d w l e n g t h ； b y t e b c o r n m a n d ； b y t e b s u m p a r i t y ； w o r dw d a t a l e n ； ) h e a d e r ； w l e n g t h 为一帧信息的长度，b c o m m a n d 表示对数据操作的方式， b c o m m a n d = l ，表示接收新数据( x ，z ，6 ) ；b c o m m a n d = 2 ，表示更 新坐标x ；b c o m m a n d = 3 ，表示更新坐标z ；b c o m m a n d = 4 ，表示更新 误差补偿量6 ，b s u m p a r i t y 为数据的异或和，用于校验，w d a t a l e n 为一帧信息中数据的长度，用于数据字节的截取当下位机传来信息 时，首先要截取数据头进行分析，如果数据头正确，则继续接收数据， 否则，重发命令如下代码所示： v a r i a n tv r e s p o n s e ； i n tc o u n t2 m _ c o m o e t l n b u f f e r c o u n t 0 ； 将数据头6 个字节读入，循环等待，非常关键 w h i l e ( m _ c o m g e t l n b u f f e r c o u n t ( ) p v d a t a ； m e m c p y ( m _ r e c e i v e b u f , p b h e a d e r , 6 ) ； 读取数据的信息头，进行分析 m _ h e a d e r w l e n g t h = m h k e w o r d ( + p b h e a d e r , + ( p b h e a d e r + 1 ) ) ； mh e a d e r w d a t a l e n = m a k e w o r d ( + ( p b h e a d e r + 4 ) ，+ ( p b h e a d e r + 5 ) ) ； m _ h e a d e r b c o m m a n d = + ( p b h e a d e r + 2 ) ； m h e a d e rb s u m p a r i t y = + ( p b h e a d e r + 3 ) ； ，耗时运算，保证缓冲区的数据能够全部进入缓冲区，关键 w h i l e ( m _ c o m g e t l n b u f f e r c o u n t o p v d a t a ； m e m c p y ( m _ r e c e i v e b u f + 6 ，p b t e m p ，m _ h e a d e r w d a t a l e n ) ； 对数据进行相应的处理 p lo c e s a d a t a ( 1 1 1 一h e a d m ) ， 通过上面代码，收到数据并放在全局变量mr e c e i v e b u f 中，接下 来可以用p m c e s s d a t a ( m - h e a d e r ) 函数来处理在p r o c e s s d a t a ( m _ h e a d e r ) 函数中首先要调用校验函数f c s s ( ) 来校验所接收到的数据是否正 确，若正确，再由判断条件m _ h e a d e r b c o m m a n d = 1 2 ，3 或4 ，决定是新 数据入库还是更新坐标x ，更新坐标z 还是更新坐标6 。上面这四类 数据都要被放入数据库c m e a s d a t a 中，接着进入下一轮的数据接收。 否则，若帧校验不正确，要求重发数据。所有数据都放入数据库中， 以备查看、绘图，比数据文件直观明了图5 7 数据接收程序框图， 其中的新数据入库函数比较复杂，如图5 8 所示程序框图。 图5 7 接收数据程序框图 图5 8 新数据八库程序框图 4 9 图5 1 0 测量数据对话框 四、绘图功能模块 绘图是为了将所采集的大量的数据更直观化显示但是在这里存 在两个问题需要解决：( 一) 在实际检测的过程中，传感器所采集的数 据点并不是被测曲面上的实际点，而是传感器上测头的中心点沿被测 ：由西j jo ! i 童上约点。固此、? 刚去 经的弋小时所采集的数恐有点接 的影响( 二) 用非球面检测仪测量非球面的面形误差，一方面是为了 评价被测表面而另一个主要原因是为了应用其测量结果来指导下一步 的非球面面形误差的修整，定量的检测是计算机控制非球面制造技术 的依据。 在光学测量中，拟合非球面面形误差的方法有z e m i k 法、最小2 - 乘法、插值法等实践证明，局部线性插值适合于圆回转对称非球面 的面形拟合在本系统中采用局部线性插值法来拟合非球面面形误差。 困5 1 1 图彤显示 5 3 测头误差补偿 以检测凸形非球面为例，如图5 1 2 所示被测件2 为一凸形非 球面，( x 。，z 。) 为测头中心点的坐标，在实际检测的过程中，采 集的数据是测头中心点的轨迹，也即为曲线3 上的点的坐标，而实 际被检测曲线是曲线4 ，( x 。7 ，z 。) 为曲线4 上( x 。，z 。) 在 曲线3 上的对应点。其中k 为曲线3 上过( x 。，z i t l ) 点的法线方 程的斜率。( x 。7 ，z m 7 ) 、( x 。，z 。) 和k 的关系如下： x 。7 = x m - r c o s ( a r c t g k ) ( 2 1 ) z 。7 = z m ，r s i n ( a r c t g k ) ( 2 2 ) l 、通过采集( x l ，z 1 ) ，( x 2 ，z 2 ) ，( x 3 ，z 3 ) ( x n ，乙) 这n 个点坐标，采用线性插值法得到曲线3 ，可以表示成z = ( x ) 的形 式。 2 、求出曲线3 以后，就可以求得曲线4 上任一点的切线斜率， 那么，该点的法线斜率为k = 一1 f ( x ) 。 3 、求得k 以后，易得曲线4 上的每一点( x 。，z m ) 从而可以 求得曲线4 的方程，即非球面面形方程。 1 测头2 被测件3 测头中心轨迹4 实际被测曲线 5 法线 图5 12 误差补偿原理图 结论 l 、所研制的非球面检测仪与传统的非球面检测的一些方法相比， 具有通用性强，操作简便，检测精度高的特点 2 、该原理的检测仪器的检测精度主要取决于运动构件的精度、传 感器的分辨率、检测时数据采集点的数量、曲线拟合的算法等，但根 据目前现成的技术，得到微米级的检测精度是能够达到的 3 、该原理的检测仪器比较适用于用轨迹成形法和数控加工方法 的机床上加工的非球面 4 、该原理的检测仪器的传感器可采用接触式的光栅传感器，也可 采用非接触式的激光传感器本原理的检测仪器根据结构设计的不同 可作为在线或离线检测仪器。 致谢 本论文的研究工作是在导师朴承镐教授的精心指导下完成的，朴 承镐教授严谨的治学态度、丰富的知识和经验、诚恳的待人作风都给 我留下了深刻的印象，是我今后工作和学习的榜样在此，我对尊敬 的导师表示衷心的感谢和崇高的敬意 在研究生学习期间，得到研究生部和机电工程学院的领导和老师 们的多方关怀和指导，在此，我向他们表示诚挚的谢意。 在论丈完成期间，得到不少老师和同学的帮助和指导，在此，我 向他们表示诚挚的谢意。 最后，向在生活和学习上给与我关心和帮助的2 0 0 0 级研究生表达 我深深的谢意。 参考文献 1朴承镐，蕻立兵器行业先进制造技术发展对策论让素材报告一非球面光学零 件加工技术2 0 0 0 3 2 t b 科略帕落娃，i i t 普连耶夫光学系统的研究与检验北京：机械工业出版 社1 9 8 3 3 i i t 普里牙耶夫光学非球面检验北京：科学出版社，1 9 8 2 4 苏大图光学测试技术北京：北京理工大学出版社，1 9 9 6 5 y u j i n g c h i ：x uj i n q i a n g ；z h a n gx u e j u n ，s u r f a c e c o n t o u rm e a s u r e m e n tu s i n ga n o p t i c a ls c a n n e r p r o cs p i e ，1 9 9 5 ，v 0 1 2 5 3 6 ，1 9 2 1 9 9 6 t a p i ok o r h o n e n ：t i m ol a p p a l a i n e n ，c o m p u t e r e d c o n t r o l l e df i g u r i n g a n d t e s t s p l e ，1 9 9 0 ，v 0 1 1 2 3 6 ，6 9 1 , - - 6 9 5 7 n e g i s h i m a h i t o ，s u p e r - s m o o t hp o l i s h i n g o n a s p h e r i c a ls u r f a c e s ( 1 ) ： h i 曲一p r e c i s i o n c o o r d i n a t e m e a s u r i n g a n d p o l i s h i n gs y s t e m s p r o c s p i e ，1 9 9 5 ，2 5 7 6 ：3 3 6 3 4 7 g 光学零件工艺手册( 上) 北京：国防工业出版社，1 9 7 6 9 潘君骅光学非球面的设计、加工及检验北京：科学出版社，1 - - 5 ，4 7 - - 6 7 1 0 w j g u p p ，t h ed e v e l o p m e n t o f o p t i c a l s u r f a c e s d u r i n g t h e g r i n d i n g p r o c e s s a p p l i e do p t i c s ，1 9 9 5 ，4 ( 6 ) ，7 4 3 - 7 6 8 t1 e b e r a u d ，j e s p i a r d ，r g e y l ，o p t i c a lf i g u r i n ga n dt e s t i n go ft h ev l t82 m p r i m a r ym i r r o r s s p i e ，1 9 9 5 ，2 5 3 6 ，4 1 3 4 2 0 1 2 w e i n g a e t n e r ，i n g o l f ；s c h u l z ，m i c h a e l ，n o v e ls c a n n i n gt e c h n i q u ef o ru l t r a p r e c i s e m e a s u r e m e n to f s l o p ea n dt o p o g r a p h yo ff l a t s ，a s p h e r e s ，a n dc o m p l e xs u r f a c e s p r o c s p i e ，1 9 9 9 ，v o l3 7 3 9 ，2 7 4 2 8 2 ， 1 3 余景池，张学军，孙侠菲计算机控制非球面加工精磨阶段的检测技术光学技 术1 9 9 8 ，3 ：3 8 , 4 0 1 4 j t a p p e l s