坐标测量是复杂面形轮廓测量常用的方式之一,三坐标测量机、Taylor Hobson PGI 1240等是最具代表性的测量设备。对于光学加工而言,由于加工精度较高,一般的三坐标测量精度在5～10μm之间,不能满足抛光前测量的需要。Taylor Hobson PGI 1240虽然是专门针对高精度光学加工开发的轮廓测量仪,但目前还只能扫描轮廓线,也不能满足光学加工测量的需要。本文针对实验室自主设计的共面导轨三维轮廓仪,分析其误差产生因素,通过优化传动系统设计,运动系统刚度调控和采样策略优化等工作,提高其测量精度,满足笛卡尔坐标扫描的亚微米系统误差测量要求。论文主要研究内容包括:分析了轮廓仪的结构组成与精度生成原理,提出双框架系统共面开式气浮导轨与钢丝绳传动是提高测量精度的关键。基于多体系统理论建立了共面导轨扫描式轮廓测量仪的几何误差模型,通过理论计算与实验分析,得到了轮廓仪的精度分配方案。分析了共面气浮导轨刚度对测量精度的影响规律,在理论计算的基础上,通过实验测量了单小孔止推轴承的静态刚度特性,根据实测刚度曲线,优化设计了轮廓仪的加载方案,确保系统工作在最佳刚度状态。设计井字结构的钢丝绳驱动方案,设计钢丝绳张紧装置调控预紧力,提高运动方向钢丝绳的传动刚度,最大限度降低垂直运动方向的钢丝绳刚度,以保证高的传动精度的同时降低扰动对测量精度的影响。解析开式共面导轨钢丝绳驱动状态的运动模型,优化测量过程的驱动和采样策略,提高运动的平稳性,实现气浮导轨平稳状态下的测量采样,有效提高了测量精度和系统稳定性。利用标准量具对测量系统误差进行了标定,将0.03μm平面度平晶作为标准平面,评定了经过优化后的轮廓仪在全行程内的误差,PV<0.4μm。测量了PV为0.7μm的具有回转对称面形的平面实验件,与干涉仪测量结果对比发现,面形残差达到了0.5μm,表明测量系统误差在0.5μm以内。