以球面、非球面为代表的高精度面形元件应用广泛,在国防和航空航天等领域都扮演着十分重要的角色,其测量方法多种多样,是当前研究的热点问题。本论文拟建立一套高精度的面形轮廓测量装置,采用点扫描的测量方式,具有通用性强、精度高、易于实现量值溯源等特点。该面形轮廓测量装置的结构主要由计量框架、结构框架、X轴和Z轴导轨、回转工作台及主轴系统、扫描测头等部分组成。其中,回转工作台的主轴回转精度是影响面形测量准确性的关键因素之一,为保证主轴的回转精度,需要对其测量方法进行深入研究。此外,单点扫描所获取的测量数据为散点数据,必须进行相应的数据优化、拟合等处理,最终才能实现完整的测量。基于以上,本文的主要研究内容包括:1.基于相关性分析原理,提出无角度位置信息的圆度测量信号周期计算方法,实现没有角度编码器或圆光栅等测量角度位置信息元器件情况下的圆度信号分析。2.设计圆度信号实时测量分析界面,实现测头采集的圆度信号通过串口传输至上位机的动态实时检测和分析计算,更加直观快速的得出被测圆度信号的图像和周期等信息。搭建由转台、电机、标准球和测头构成的实验系统,利用直径75 mm的标准球作为主轴回转信息的被测器件,调节转台的转速,用上述算法计算不同转速下的圆度信号周期值,周期计算误差优于0.26 s,且重复性较好。3.针对超二次型非球面方程,提出一种将分式项和高次项分开拟合的方法,有效的解决了超二次型方程参数多及拟合不准的问题。并在高次项中加入2项,使高次项更具线性,拟合精度更高,最后再消去2项。将已知设计参数的非球面元件用Taylor Hobson轮廓仪进行子午线方向上的测量,利用得到的原始数据进行上述方式的拟合,并与Taylor Hobson轮廓仪自带软件计算结果进行比对,其结果一致性较好。4.采用雷尼绍XM-60型多光束激光干涉仪对面形轮廓测量装置的X轴导轨和Z轴导轨进行性能测试。结果显示X轴与Z轴导轨轴向跳动误差分别小于5.30μm和3.10μm,径向跳动误差分别小于3.57μm和1.81μm,可见该导轨定位精度高,运动重复性好,且不受运动方向影响。