三坐标轮廓检测是大口径高次非球面确定性加工过程中的主要面形测量手段。由于原始三坐标数据包含较大的检测误差，无法直接应用于加工过程，本文提出了一组数据处理算法对误差进行全面去除。首先，对获取的检测数据采用基于球心曲面重建的测头半径补偿算法进行测头半径误差补偿，然后对补偿后数据进行坐标系旋转平移误差去除，最后对提取的检测面形残差进行基于KNN的残差噪点过滤。其中，提出的基于球心曲面重建的测头半径补偿算法通过引入一个高精度的测头球心包络面拟合模型，来计算各检测点的测头半径补偿向量，仿真实验证明:算法补偿精度达到RMS<4 nm；提出的基于KNN的残差噪点过滤算法，通过采用插值方法提高样本空间密度和优化噪声度量值的计算，提高了噪点的识别敏感度并实现了噪点的自动化去除。最终根据整个误差清理算法构建了检测点云处理软件，应用实践表明其有效提高了镜面加工过程中检测点云的数据处理精度和效率。

提出了一种使用三坐标测量机(CMM)对自由曲面光学元件表面待加工区域进行标记的方法。针对自由曲面光学元件外形特征设计工件坐标系, 规划工件坐标系定位点, 通过坐标变换将待加工区域的像素坐标转换为对应的自由曲面工件坐标系的标记点位置坐标, 将待加工区域的感兴趣点三维坐标导入CMM, 使用CMM对工件坐标系下标记点位置自动探测, 实现待加工区域的标记, 提高了检测效率也避免人为标记定位误差。

对基于三坐标测量机的大口径红外透镜曲率半径检测方法进行了研究。首先简要阐述了三坐标测量机测量透镜曲率半径的原理，然后根据此原理应用误差理论推导出该方法测量透镜曲率半径时的标准差估计公式，并进行了相关验证实验。实验结果证明该测量标准差估计公式正确，并据此对三坐标测量机测量曲率半径的测量范围以及测量精度进行分析。研究结果表明：由于测量精度随着球冠包角θ值的增大而迅速减小，使得该方法较适用于测量球冠包角θ值较大的大口径透镜。

为了提高纳米坐标测量机探针的测量精度, 且能满足对复杂曲面或微结构进行精确测量的要求, 提出了一种新颖的基于微探针系统的光纤布拉格光栅(FBG)探针。该探针具有较高灵敏度和可重复性。提出该新型FBG探针, 即探针里有一个熔融的球形顶端, FBG作为应变传感器内置在测杆上。介绍了光纤探针的基本原理, 并利用有限元软件ANSYS 11对探针的应变分布在轴向和横向载荷两种典型配置分别进行了仿真分析, 结果表明仿真分析和理论计算相吻合。通过实验对光纤探针的灵敏度和分辨率分别进行测试。实验结果表明, 在轴向载荷条件下, 用位移分辨率为1.5 nm的压电换能器对探针进行性能测试, 得到光纤探针的测量分辨率为60 nm。即光纤探针具有较高的灵敏度和分辨率, 其性能满足实际测量需要。

利用三坐标测量仪在光学非球面镜研磨与粗抛阶段进行面形检测时, 测量结果常由于补偿程序不完善而出现像散误差。本文分析了非球面三坐标测量得到的数据, 指出测量结果中出现像散误差是测头半径补偿不准确所致。然后, 提出了一种离线数据处理方法对测量数据进行补偿来消除像散误差。该方法通过计算网格排列的测头中心点行和列方向的切向量得出曲面上每个点的法向矢量; 根据测头半径计算出测头球心到接触点的偏移量, 从而实现三坐标测量仪的三维测头半径补偿。球面样板实验显示这种方法可以将该样板测量中的像散峰谷值(PV)由4.921 9 μm减小到0.065 2 μm, 基本消除了测量结果中的像散误差, 提高了三坐标测量结果的准确度。实验结果验证了提出的三维测头半径补偿程序的有效性。

为解决微电子机械系统(MEMS)器件三维尺寸高精度测量的难题，研制了一种适用于微纳米三坐标测量机的新型高精度三维接触触发式探头。该探头只用了一个基于四象限感测器的二维角度传感器即可同时实现对测球三维运动的高精度感测。介绍了探头的结构和原理，建立了探头的灵敏度模型和刚度模型，用最优化方法得出了探头结构参数的最优解。对探头的刚度、感测范围、灵敏度、稳定性及触发重复性等性能指标进行了测试。实验结果表明：探头的刚度在三轴方向基本相同 , 约为 1 mN/μm；允许触碰范围超过 12 μm；灵敏度大于 0.5 mV/nm；在恒温环境 (20±0.025)℃下，1.3 h内的位移漂移量约为 20 nm；触发测量重复性小于 40 nm(K=2)。该探头具有精度高、测力小、体积小、成本低、装调方便等优点，可被用于微纳米三坐标测量机。

本文基于三坐标测量机(CMM)设计了一套视觉检测系统, 该系统能够对零件实际空间特征信息进行比较全面地提取。针对位于CMM平台上带有角点的零件, 利用Harris算子提取从CMM三个不同方位获取的零件图像的角点。对于Harris算子提取到的角点, 本文提出一种八链码搜索法和SUSAN区域法相结合的伪角点剔除方法, 最后基于立体视觉的原理, 提出“距离空间图”匹配算法, 将以上3幅图像一一建立匹配关系。实验中多次改变零件在CMM中姿态时, 多次实验数据表明本文的角点提取精度与真实角点间仅存在1~2像素的偏差, 零件的定位误差为1~3 mm。通过实验验证, 角点匹配和定位的稳定性和精度满足要求, 具有一定的抗干扰性和实用性。

搭建了非接触式的三坐标测量系统以便精密测量三维型面.将激光位移传感器通过具有两个回转轴的回转体安装在测量机的Z轴上,从而可根据待测表面的形状来调整传感器的方位.为了使传感器在各个方位上实现测量功能,提出了基于球形目标的光束方向标定方法,并详细阐述了其数学原理.标定时,驱动测量机使传感器分别沿测量机的X,Y和Z轴做等间距步进,根据步长和激光束长度的变化建立方程组求解出激光束所在直线的单位方向向量.最后,多次测量尺寸参数已知的六面体标准块规,检验了该测量系统的重复性.结果显示,该系统的测量不确定度为0.048 mm;测量另一直径已知的被测球时,传感器在各个方位上的误差小于0.05 mm,表明所提出的标定方法使测量系统达到了逆向工程的使用要求.得到的数据表明,本文所提出的方法有较高的标定精度和较好的重复性,为实现三维型面的快速扫描测量奠定了基础.

传统的光学测量定中心法受限于光源、转台大小和装调误差传递性而不适用于大口径、多透镜光学系统的装调,为此本文提出了使用三坐标测量仪接触式测定透镜中心的精密机械测量法.介绍了使用三坐标测量仪测量大口径透镜中心偏的原理,即在测量透镜上表面与基准轴等距离各点坐标的基础上拟合得到透镜光轴与基准轴的夹角,从而解算出透镜的中心偏.通过大口径长焦距镜头的装调对该方法进行了检验.检验结果表明:该透镜的装调偏差为6.47″,重复性误差为(1.16×10-4)″.该方法将光学测量变为机械测量,利于装调,可在保证装调精度的同时简化装调难度,提升装调效率,满足大口径多透镜光学系统对高精度装调的要求.

提出了一种可以在现场对激光扫描测头进行光平面标定的方法。依据摄像机标定的模型, 建立了光平面的数学模型, 设计了用两条不平行的激光光条交替出现在标定棋盘上的方法, 用来获取更加精确的特征点。在摄像机视场范围内, 多次变换棋盘标靶位置, 得到更多的特征点。坐标变换后对这些特征点进行平面拟合, 得到激光平面在摄像机坐标系下的方程。试验结果表明: 光平面标定的平均误差为0.028 mm。在三坐标测量机上验证其测距精度, 结果表明激光扫描测头测距的最大误差为0.031 mm, 说明本文方法具有较高的标定精度, 且适合现场标定。