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數控機床激光測量系統的研究

一、成果概要
　  以激光干涉原理構成的激光測量系統，以其無可比擬的高精度，在數控機床領域發揮著巨大的作用，可以說沒有激光干涉測量儀器就沒有高精度的制造業。特別在高檔數控機床的開發中，高性能激光測量系統是必需的無可替代的測量控制儀器。目前，國內數控機床的生產迅猛發展，數控機床的用戶也迅速普及，本項目開發的產品能夠滿足生產企業和用戶控制質量的需求，同時填補國內空白替代進口。
　  2005年成都工具研究所有限公司開始本項目的預研并列為公司基金項目，2006和2007年分別列為“科技部科研院所資金項目”和“中國機械工業集團科技發展基金項目”，得到資金支持，2009年結題并推出MJS5E/MJS6A系列激光干涉儀新產品，2010年通過由四川省科技廳組織的專家鑒定，鑒定委員會認為“該項目總體技術達到國際先進水平”，并榮獲2010年度四川省科技進步一等獎。
　  項目攻克了大量關鍵技術；完成2次科技查新并申報國家發明專利6項。
　  本項目的創新成果為定型產品，主要包括：
　  （1）雙縱模穩頻激光干涉儀（MJS5/MJS6A）及通用測量附件
　  （2）2種激光干涉儀數控轉臺檢測附件 
　  （3）多種調試和量產所需的專用設備
　  二、前言和實施背景
　  項目實施單位成都工具研究所有限公司是原國家機械工業部的直屬研究所，是我國唯一的綜合性工具科研事業機構，1956年建所，1994年被認定為“高新技術企業”，1999年經國家經貿委批準進入中國機械工業集團公司，轉制為科技性企業，是“國家精密工具工程技術研究中心”和“精密工具生產力促進中心” 的依托單位。公司主要從事精密切削刀具、精密測量儀器和表面改性技術三大領域的共性基礎技術研究及高技術產品的開發和生產。經過多年的努力，已在刀具材料、精密成形復雜刀具與數控刀具設計加工技術、刀具表面強化改性技術與裝備、大型精密量儀設計制造、光電傳感與激光測量技術以及計算機應用軟件等專業技術領域內，形成了獨特的整體綜合成套技術優勢，在國內外同行業享有較高的知名度和行業地位。
　  激光測量技術是成都工具研究所有限公司在精密測量儀器專業方向的突出代表及重點發展方向，擁有多項專利技術和技術Kown How，曾承擔“科研院所創新基金”、“國家火炬計劃”、“國機集團科技創新基金”等多項激光測量領域的研究課題。2009-2010年作為項目負責單位完成了“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項中下屬課題“高性能激光干涉儀”的研究，在課題實施過程中，對原有激光干涉儀生產工段規模進行了擴充，增添和研制了21臺套生產測試所需的設備，充實了研發人員，公司迄今仍是國內唯一能夠批量提供激光干涉儀產品的企業。
　  機床是國家制造業發展的基礎，對推動國民經濟發展有具大的作用。我國在“十一五”規劃中制定了振興裝備制造業的目標，明確提出“要提高大型、精密、高速數控裝備的水平，以支持能源、運輸、原材料產業的發展需要”。為調整產業結構和促進行業技術進步，07年國家頒布了《數控機床產業發展專項規劃》，09年實施了《高檔數控機床與基礎制造技術》和《極大規模集成電路制造技術及成套工藝》重大專項，激光干涉儀均是基礎研究開發項目。
　  1971年美國HP公司推出了世界第一臺實用的激光干涉儀，到上世紀八十年代中期，國外有近十家公司相繼推出了干涉儀產品。從應用角度看，激光干涉儀可以分為激光傳感器和激光測量系統。前者主要應用于大規模集成電路制造和納米計量，屬于先進國家對我國禁運產品；后者也稱工業激光干涉儀，是高精密的，用途極廣的長度計量儀器，近年來約有4-5家國外公司產品進入我國，占據了國內大部分市場份額。
　  近十年來，為了滿足數控機床發展的需求，國外激光干涉儀產品在測量速度、分辨率等指標上有很大的改進，同時還推出了多種針對數控機床精度檢測的專用附件，有效地解決了數控機床檢測的一些難題，激光干涉儀已經從 “計量室中最精密的長度測量儀器”，發展成數控機床精度檢測的必需工具。隨著數控機床的普及，激光干涉儀產品出現了空前激烈的技術和市場競爭的局面。
　  直線坐標的位置精度,數控轉臺的位置精度和圓軌跡檢測是數控機床的三項特殊檢測項目。其中，直線坐標的位置精度是激光干涉儀的基本功能。在傳統的檢測方法中，數控轉臺的檢測采用“多面體＋自準直儀”，圓軌跡的檢測采用回轉的一維測頭或母圓盤與二維測頭,這些方法需要大量人工介入, 費時費力，效率極低。根據我們對數控機床生產廠的調查，檢測一個數控轉臺，通常兩個熟練工人需要2～4個小時，是數控機床檢測的一個瓶頸。
　  本項目是在上述背景下提出的。利用激光器多模的特點，開發基于雙縱模穩頻的單頻激光干涉儀，提高產品的測量速度和分辨率，滿足高速數控機床動態檢測要求；開發面向數控機床的檢測附件，包括數控轉臺檢測附件，圓軌跡檢測附件等，提高數控機床檢測的效率和精度。項目成果為商品化的雙縱模穩頻激光干涉儀及面向數控機床的激光干涉儀檢測附件。
　  三、成果內涵及實施措施
　  1.本項目主要研究內容和技術指標
　  本項目研制數控機床的激光測量系統，包括三項主要內容：①開發基于雙縱模穩頻的激光干涉儀；②開發數控轉臺檢測附件和基于激光差動干涉原理的圓軌跡測量附件；③研制上述產品生產所需的測試設備和儀器，主要任務指標如下： 
　  激光波長精度：±0.1ppm；
　  穩頻精度：±5×10-8；
　  測量速度1000mm/s；
　  激光干涉儀的測量不確定度：符合“JJG739－2005激光干涉儀檢定規程”規定；
　  儀器具備動態采集功能，能夠測量數控機床的動態誤差；
　  可測長度、角度、直線度、平面度、垂直度、平行度，并可按相關國家標準進行評定；
　  數控轉臺檢測附件可自動采集測量數據，并按GB/T17421.2-2000標準自動處理，測量綜合誤差：3″。
　  項目主要技術指標經中國測試技術研究院檢測達標。
　  2.本項目的成果
　  （1）基于雙縱模穩頻的激光干涉儀；
　  （2）激光干涉儀的通用附件，包括直線度附件、垂直度附件、平面度附件、角度附件、平行度附件等；
　  （3）面向數控機床的特殊附件，包括基于精密端齒分度臺的數控轉臺檢測附件、基于全圓誤差封閉原理的數控轉臺檢測附件、采用光楔為傳感元件直線度測量附件和基于差動干涉的數控機床圓軌跡測量附件；
　  （4）研制上述產品生產所需的測試設備和儀器,包括激光拍頻裝置、激光波前校正臺、激光器輸出增益曲線測量裝置和數控轉臺試驗臺。
　  3.項目組織與實施
　  成都工具研究所有限公司設有項目領導小組，由所長任組長，成員包括主管科研副所長、總師、財務部長及主要技術人員；制定了3個月定期和不定期的檢查制度，嚴格按照研究內容和時間進度進行考核，及時發現項目實施中的問題，統一組織協調；課題實行課題組長負責制，子項課題同樣實行子課題負責人負責制，各項任務均有專人負責；設立專人負責項目的財務管理，建立了單獨賬戶，做到專款專用。以上措施保證了本項目的順利進行。
　  項目成果的核心是集光、機、電、算一體化的高科技產品，實施期間突破的關鍵技術包括：
　  （1）激光器的光譜選擇
　  激光器的光譜選擇是雙縱模穩頻激光干涉儀的基礎，為了保證整機的穩定性和壽命，需要采用進口激光器，但是由于通用激光器腔內為Ne20和Ne22的混合氣體，使其輸出光譜產生二個相距890MHZ的突峰，在雙縱模穩頻中，這種具有雙峰值的譜線會導致穩頻頻率的多解性，在以等幅為條件的穩頻中，存在二個穩頻狀態。為此，在本項目中特殊設計了激光器，保證輸出頻譜的單峰狀態，避免了雙縱模穩頻的輸出多解性。
　  （2）雙縱模穩頻的輸出控制
　  穩頻器控制激光器輸出波長的精度，是激光干涉儀的基準。項目采用腔長150cm的自然偏振全內腔激光器，為保證輸出穩定，在雙縱模穩頻中，有效地解決三個難題：控制激光器輸出穩定偏振狀態，提高有效頻率的輸出功率和保證輸出波長的唯一性。
　  （3）矢量加法放大器的設計
　  激光干涉儀的測量長度可達數十米時，返回信號極其微弱，據我們試驗的結果，光電接收器接受到的激光測量信號強度僅10μw左右，此外為保證1000mm/s的測量速度和高倍細分，放大器的帶寬必需大于3Mhz，并且具有嚴格的正交相位。為解決上述問題，本項目設計了特色的矢量放大器。
　  （4）光回饋振蕩的消除
　  雙縱模穩頻激光干涉儀屬于單頻直流系統，當光學元件表明的微弱反射光回射到激光器的諧振腔，并且偏振方向和相位相同時，在腔內產生共激，即引起光回饋振蕩，使激光干涉系統不能工作，這是單頻系統的致命弱點。為防止光回饋，本項目采用1/2波片和1/4波片的組合部件，使返回光相位和偏振方向發生變化，有效破壞了回饋振蕩的條件，消除了光回饋振蕩。
　  （5）基于端齒盤的數控轉臺檢測附件
　  基于端齒盤的數控轉臺檢測附件采用精密端齒盤和激光干涉儀小角度測量附件結合的測量方法。在實際測量中，由于端齒盤上齒盤的升降運動，會造成光路遮擋而中斷測量，為解決這一問題，本項目中設計了臺面不升降的端齒盤結構，利用波片連接上齒盤和臺面，波片的彈性抵消上齒盤的升降運動，利用波片的圓周切向剛度大的特點，帶動臺面的旋轉。
　  （6）采用全圓誤差封閉原理的數控轉臺檢測附件
　  該附件是本項目提出的一個新的測量概念，全圓誤差封閉原理指在一個整圓中，所有分段角度誤差的總和為零。附件安裝于數控轉臺，并與其按規定間隔交替反向旋轉完成全圓測量，以360°為基準生成修正系數，補償測量值得到測量結果。由于全圓誤差封閉原理采用360°為基準，使附件制造簡單，精度高。
　  （7）采用雙光楔的直線度附件
　  國外典型直線度附件的結構光能損失75%，靈敏度降低7.5倍，為解決這一問題，本項目提出采用雙光楔的直線度附件，采用雙光楔的直線度附件的主要特點是測量光100%返回激光頭，不存在任何損耗，測量時光束在雙光楔往返8次，提高了測量靈敏度。
　  （8）采用差動干涉的圓軌跡檢測附件
　  附件利用激光干涉儀的動鏡和定鏡同步隨數控機床作圓運動，得到的差動干涉值與理論值比較，計算出圓軌跡誤差。
　  （9）激光波前校正方法
　  在激光干涉儀中參與干涉的兩個平面波重合是干涉的基本條件，但在實際裝調儀器時是很難做到的，這種誤差在角度測量中，表現為零點左右測量值不對稱，利用這一特點在本項目的實施中，研制了激光波前校正臺檢測波前的不平行誤差，通過調整擴束器與激光器的方位來校正波前矢量方向，保證測量精度。
　  四、社會、經濟效益
　  1.社會效益
　  (1) 打破國外產品在國內的壟斷局面
　  項目產品填補了國內空白，由于性價比高，在競爭中迫使國外產品在中國低價銷售，促進了產品的國內普及應用，對于提高整個機械行業的技術進步起到積極作用。
　  (2) 提升我國激光測量技術的整體水平
　  新產品的研發過程中，掌握了大量激光測量的基本技術，使我國激光測量技術整體提高。在本項目的基礎上，我公司通過競標得到了2項國家科技重大專項中有關激光測量的課題：
　  “高檔數控機床與基礎制造裝備”專項中的大范圍激光動態測量系統； 
　  “極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”專項中的激光定位系統，這種系統是發達國家對我國禁運的產品，通過項目的實施，將打破國外對我國的高技術封鎖。 
　  2.經濟效益
　  (1) 直接經濟效益
　  自2009年至2011年8月，項目新產品實現銷售收入1985萬元，利稅981萬元。
　  (2) 間接經濟效益
　  前已述，產品的推出打破了壟斷，迫使國外公司在中國低價銷售，據統計國外產品平均銷售價格比以前降低25％，從60萬元/套降低到45萬元/套，按進口1000臺計，為用戶節省1.5億元；
　  目前我所產品均價18萬/套，國外45萬/套；按銷售100套計，為用戶節省2700萬元。
　  本項目產品在國防軍工、航空航天等領域的應用以及對延長機床壽命的作用難以用價格來衡量。
　  3.應用領域
　  （1）數控機床的檢測是項目產品的主要用途 
　  數控機床生產廠的產品檢測和數控機床用戶的周期檢測是產品的主要用途。
　  （2）國防軍工、航空航天領域的應用： 
　  檢測近場雷達強度分布的激光多座標定位系統；
　  航天器的等離子真空推力器測量裝置；
　  飛行器光電探測器用激光反饋X-Y測試臺；
　  大規模集成電路光刻機。
　  這些裝置均用于軍工、航天等關系國家安全、標志國家發展水平的領域。
　  （3）長度計量基準：
　  500mm線紋尺檢測儀；
　  1000mm激光線紋尺檢查儀；
　  激光光柵檢查儀；
　  大地基尺檢測系統。
　  （4）由激光干涉儀為傳感器的測量儀器：
　  激光動態滾珠絲杠檢查儀；
　  激光直線導軌檢查儀；
　  激光光柵刻劃檢測機；
　  剪切機同步度檢測儀；
　  折彎機過沖量檢測儀器。
　  這些裝置解決了行業中的測量難題，填補國內空白。 
　  五、市場前景展望及改進措施
　  1.市場前景
　  數控機床的使用者是項目產品的主要用戶，2010年我國數控機床的擁有量已超過100萬臺，并且每年以10%以上的速度遞增，因此存在巨大的潛在市場。
　  隨著機床制造業的高速發展，數控機床的檢測要求在不斷提高，對測量儀器的需求也在不斷增加。本項目產品能夠對數控機床定位精度進行高效率的檢測，將明顯提高數控機床行業的制造水平；將檢測數據用于補償，可大幅度降低數控機床用戶的使用成本。
　  項目產品主要用戶為數控生產制造企業、數控機床使用企業、質量監督檢驗單位等。可以用于：
　  （1）數控機床的出廠精度檢定；
　  （2）數控機床生產和調試過程的監控；
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