光针轮廓仪伺服机构设计与聚焦误差信号的改进

　　1　引　言

　　在工程表面形貌测量中,由于接触式测量容易损坏工件表面和磨损测头,不适合太软和太硬材质表面的测量,且测量速度慢,所以非接触式测量得到迅速发展[1~3],其中,对于工程表面形貌测量,基于聚焦探测原理的光针式轮廓仪是一种较理想的测量仪器[4~7],但目前在国内由于价格和技术问题,实际应用还很少。

　　本文通过线切割方法设计光针式轮廓仪伺服机构—音圈电机,使其具有重复性高、线性好、响应速度快、无滞后等优良特性。针对轮廓仪容易脱焦的问题[7],采用提高测量系统光电转换放大倍数的方法,改善传统的聚焦误差S曲线,利用数字伺服控制的方法,不仅解决了轮廓仪容易脱焦的问题,而且实现了大范围陡坑或阶梯的测量。这些方法使系统加工和调整变得简单化,不需要严格的环境条件和工艺要求,测量系统就能达到很高的测量精度。应用该轮廓仪对不同材质工件表面进行形貌测量,重复性好,与接触式测量相比具有很好的一致性。

　　2　光针式轮廓仪测量原理

　　光针式轮廓仪主要基于改进的傅科刀口法原理,其测量方法是[4]:半导体激光器整形及准直后的平行光,经聚焦透镜形成圆形光斑,会聚于被测工件表面形成光学探针。光学探针以恒定速度沿被测表面扫描,表面形貌的微观起伏表现为光束焦点的近焦与远焦。通过一定的光路设计,工件表面的衍射光束反射到两组光电探测器上,这两组光电探测器接收光强信号的差分即为聚焦误差信号。当入射光束会聚在被测工件表面上时,聚焦误差信号为零,近焦和离焦时其聚焦误差信号呈S形变化。它反映了入射光束焦点偏离被测工件表面形貌的状况,即聚焦误差信号的正负反映了焦点偏移的方向,其大小反映了焦点偏移的大小。这一信号经过处理和补偿后被用来控制音圈电机,驱动聚焦物镜作相应的调整运动,保证聚焦物镜和工件表面被测点之间的相对位置不变,光点始终聚焦在被测面上。对音圈电机的控制既有硬件控制方法[4~6],也有软件控制方法[7]。硬件控制方法控制参数难以调整,且要求电机在运动范围内具有一致的静动态特性,因而目前多采用软件数字控制。

　　3　伺服机构的设计及静动态特性测试

　　3.1　伺服机构的设计

　　伺服执行机构采用动圈式音圈电机[5],主要由磁钢、线圈、运动体及簧片组成。为了改善其静动态特性,本文采用线切割方法把一块弹簧钢板切割成整体骨架形状,构成音圈电机原有的运动体及簧片。线圈体与骨架运动体固连在一起,见图1。

　　当改变线圈电流的大小与方向时,线圈体在磁钢的作用下上下移动,从而改变固定在骨架运动体上光学探针的位置。音圈电机的直线位移即为骨架体的运动位移。