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基于单转位误差分离方法的大口径非 球面测量仪器，包括激光差动共焦过零触发表面形状探测器、高精度静压气浮回转基准、精密单转位误差分离回转工作台、精密倾斜偏心等位姿调整回转工作台、光栅式圆周位置反馈监测系统、X-Z二维高精度气浮直线运动基准、激光干涉位置测量系统、运动控制系统、测控软件及评定系统和仪器主体等。
1、测控系统总体构成
大口径非 球面测量仪器的测控系统以运动控制卡实现对伺服驱动电机、纳米超声电机和直驱旋转电机等多种 硬件的驱动控制和位置信息采集处理；采用多功能数据采集卡为激光差动共焦过零触发探测器的压电陶瓷物镜驱动器扫描提供正弦电压驱动，并将探测器所获得的物镜驱动器位置信息、前焦和后焦光强信号以及过零触发信号进行采集和处理；上位机及测控软件实现X向、Z向和回转运动位置的比较和反馈，记录各直线运动基准和回转运动基准的实时位置，以及实现各功能模块的协调，并控制各测量模式和事件的触发。
整套测控系统可分为激光差动共焦过零触发扫描测量模块、X向直线运动基准的精密驱动定位模块、Z向直线运动基准的精密驱动定位控制模块以及旋转电机运动控制模块。具体设备包括：工业控制计算机、运动控制卡、多功能数据采集卡、光电探测器、压电陶瓷物镜驱动器、伺服电机、精密丝杠、气浮直线导轨、纳米超声电机、直驱旋转电机、直线光栅系统、圆光栅系统、双频激光干涉测长仪等。
2、激光差动共焦过零触发扫描测量模块
激光差动共焦过零触发扫描测量模块中，物镜驱动器由多功能数据采集卡输出的正弦电压信号驱动，带动长工作距显微物镜沿Z向往复振动，实现Z向位置扫描。当获得过零触发信号时，通过模拟输入通道读取和记录物镜驱动器当前位置信息。物镜驱动器也可由串口命令控制沿Z向运动指定位移，并获得其位置反馈信息。而前焦和后焦的两路光强信号以及过零触发信号由多功能数据采集卡的模拟输入端口采集。
3、逐测量圆周单转位误差分离测量模块
旋转电机运动控制模块中，超精密气浮回转工作台由R向旋转电机带动进行回转，旋转电机控制器采用TCP/IP协议与上位机联接，控制旋转电机的角 位移和角 速度等。其圆周位置的角 位移反馈由安置在 大理石平台上的回转工作台工作端面的圆光栅系统提供，由数据采集卡的计数器模块进行接收计数。运动控制卡设置初始的回转速度，电机控制器驱动旋转电机转动，根据电机编码器获取速度反馈，以保证回转速度平稳。当进行单转位转动时，圆光栅获取角 位移信息，判断是 否转至指定角 度，其角 位移差值送回运动控制卡进行圆周位置反馈。单转位转动操作完成后，获取合适的回转速度，回转电机带动精密回转工作台旋转，圆光栅系统的反馈信号作为圆分度信息标记被测件的各测量点。
在所研制仪器的上述回转测控模块中，要求回转基准轴系回转运动速度的稳定性，因此，选用高精度直驱旋转电机驱动气浮回转运动基准回转。电机通过控制器和高分辨率正弦编码器构成速度环和位置环双反馈驱动控制系统，调节速度环和位置环控制的PID参数，对电机的回转驱动特性进行实验测试，以保证回转运动的高重复精度、噪声低和运行平稳。
4、X向精密驱动定位模块
X向精密驱动定位模块中，高精度定位系统由精密气浮直线导轨、伺服电机、精密滚珠丝杠等设备组成。由运动控制卡对伺服电机进行位置、速度和加速度控制，XL80激光干涉测长仪为X方向的高精度定位提供位置反馈，以此实现传感测量系统沿X向的逐测量圆周的精密运动和定位。在X向逐测量圆周的运动定位过程中，根据X向的目标位置，由运动控制卡向X向的伺服电机驱动器发送脉冲指令，电机和精密丝杠再带动X向副气浮直线导轨运动，该气浮导轨通过侧向驱动力解藕合装置再驱动X向主气浮直线导轨运动，而主气浮直线导轨的实时位置由双频激光干涉测长仪进行反馈监测，判断是 否达到指定位置，并将位置误差换算为PMAC运动控制卡的驱动脉冲数形成反馈控制，以此实现X向直线运动基准的运动控制和精密定位。有鉴于X向直线运动基准在水平方向运动时的直线度对仪器测量精度具有重要影响，因此需要对其进行测试并补偿标定。
5、Z向精密驱动定位模块
激光差动共焦过零触发探测器作为传感测量系统时，可获得对应于共焦位置的过零点和近似线性的轴向响应区域，这两方面的突出优 势使所研制的探测器具备恒光强过零触发测量和恒高度传感测量的特性。因此，在所研制的大口径非 球面测量系统中，需要Z向的精密定位驱动模块能够兼顾实现上述两种 测量模式。有鉴于此，Z向直线运动基准采用了超声电机和压电陶瓷物镜驱动器相结合的方式，以完成大行程宏微结合的运动控制特点。
Z向精密驱动和定位控制模块中，采用纳米超声电机对后精密气浮直线导轨进行驱动，再由后气浮直线导轨带动前精密气浮直线导轨运动，以此保证Z向的高精度直线运动基准。由运动控制卡的模拟输出功能提供-10~+10V的模拟电压信号对超声电机进行速度和位置控制，超声电机驱动后精密气浮直线导轨，再由后气浮直线导轨带动前精密气浮直线导轨运动，前精密气浮导轨的Z向位置由直线位移光栅系统反馈，其正交信号由运动控制卡接收存储，并与Z向双频激光干涉测长仪获得的实际位移值进行比较，实现Z向的位置全闭环。运动控制卡通过数字输出端口对超声电机进行连续和步进等运动模式的切换。
测量仪器工作于恒光强过零触发测量模式时，根据Z向目标位置由运动控制卡输出-10~+10V电压，经电机驱动器、驱动超声电机，前气浮导轨即可完成Z向的直线基准运动，Z向位置信息由双频激光干涉测长仪监测，到达指定位置后实时记录Z向宏动的位置信息。然后，多功能数据采集卡输出正弦扫描驱动信号控制物镜驱动器振荡，且回转电机带动仪器轴系和被测件进行旋转。这时，激光差动共焦过零触发探测器的测量物镜对被测件表面进行沿Z向的扫描，一旦捕获到了过零触发信号，则保存当前PZT位置，由此获得被测样品表面的高度信息。
测量系统工作在恒高度传感测量模式时，根据Z向目标位置同样由运动控制卡输出-10~+10V电压，控制超声电机驱动Z向直线运动基准运动，再由Z向激光干涉测长仪对运动位置进行反馈监测判断是 否到达指定位置，记录Z向宏动部分的当前位置信息。压电陶瓷物镜驱动器使激光差动共焦过零触发探测器的测量光束在被测件表面上定焦，启动旋转电机控制模块，被测件随仪器回转轴系旋转，传感器获得该测量圆周上各扫描点处的光强信息。这样，在1~2μm的高度范围内，根据激光差动共焦过零触发探测器的光强和高度特性曲线，可对应解算出各扫描点的高度信息，以此实现恒高度模式的单层传感测量。Z向直线运动基准沿垂直方向运动时的直线度对仪器测量精度同样具有重要影响，因此需对其直线度进行标定实验并在实际测量中进行补偿修正。
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