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數(shù)控機床激光測量系統(tǒng)的研究

　一、成果概要
　  以激光干涉原理構(gòu)成的激光測量系統(tǒng)，以其無可比擬的高精度，在數(shù)控機床領(lǐng)域發(fā)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(yè)。特別在高檔數(shù)控機床的開發(fā)中，高性能激光測量系統(tǒng)是必需的無可替代的測量控制儀器。目前，國內(nèi)數(shù)控機床的生產(chǎn)迅猛發(fā)展，數(shù)控機床的用戶也迅速普及，本項目開發(fā)的產(chǎn)品能夠滿足生產(chǎn)企業(yè)和用戶控制質(zhì)量的需求，同時填補國內(nèi)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(yù)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(yè)集團科技發(fā)展基金項目”，得到資金支持，2009年結(jié)題并推出MJS5E/MJS6A系列激光干涉儀新產(chǎn)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(shù)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(guān)鍵技術(shù)；完成2次科技查新并申報國家發(fā)明專利6項。
　  本項目的創(chuàng)新成果為定型產(chǎn)品，主要包括：
　  （1）雙縱模穩(wěn)頻激光干涉儀（MJS5/MJS6A）及通用測量附件
　  （2）2種激光干涉儀數(shù)控轉(zhuǎn)臺檢測附件 
　  （3）多種調(diào)試和量產(chǎn)所需的專用設(shè)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(yè)部的直屬研究所，是我國唯一的綜合性工具科研事業(yè)機構(gòu)，1956年建所，1994年被認定為“高新技術(shù)企業(yè)”，1999年經(jīng)國家經(jīng)貿(mào)委批準進入中國機械工業(yè)集團公司，轉(zhuǎn)制為科技性企業(yè)，是“國家精密工具工程技術(shù)研究中心”和“精密工具生產(chǎn)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(shù)三大領(lǐng)域的共性基礎(chǔ)技術(shù)研究及高技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)。經(jīng)過多年的努力，已在刀具材料、精密成形復(fù)雜刀具與數(shù)控刀具設(shè)計加工技術(shù)、刀具表面強化改性技術(shù)與裝備、大型精密量儀設(shè)計制造、光電傳感與激光測量技術(shù)以及計算機應(yīng)用軟件等專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，形成了獨特的整體綜合成套技術(shù)優(yōu)勢，在國內(nèi)外同行業(yè)享有較高的知名度和行業(yè)地位。
　  激光測量技術(shù)是成都工具研究所有限公司在精密測量儀器專業(yè)方向的突出代表及重點發(fā)展方向，擁有多項專利技術(shù)和技術(shù)Kown How，曾承擔“科研院所創(chuàng)新基金”、“國家火炬計劃”、“國機集團科技創(chuàng)新基金”等多項激光測量領(lǐng)域的研究課題。2009-2010年作為項目負責單位完成了“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)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(chǎn)工段規(guī)模進行了擴充，增添和研制了21臺套生產(chǎn)測試所需的設(shè)備，充實了研發(fā)人員，公司迄今仍是國內(nèi)唯一能夠批量提供激光干涉儀產(chǎn)品的企業(yè)。
　  機床是國家制造業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，對推動國民經(jīng)濟發(fā)展有具大的作用。我國在“十一五”規(guī)劃中制定了振興裝備制造業(yè)的目標，明確提出“要提高大型、精密、高速數(shù)控裝備的水平，以支持能源、運輸、原材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要”。為調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和促進行業(yè)技術(shù)進步，07年國家頒布了《數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項規(guī)劃》，09年實施了《高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造技術(shù)》和《極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)及成套工藝》重大專項，激光干涉儀均是基礎(chǔ)研究開發(fā)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(chǎn)品。從應(yīng)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(tǒng)。前者主要應(yīng)用于大規(guī)模集成電路制造和納米計量，屬于先進國家對我國禁運產(chǎn)品；后者也稱工業(yè)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(chǎn)品進入我國，占據(jù)了國內(nèi)大部分市場份額。
　  近十年來，為了滿足數(shù)控機床發(fā)展的需求，國外激光干涉儀產(chǎn)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(shù)控機床精度檢測的專用附件，有效地解決了數(shù)控機床檢測的一些難題，激光干涉儀已經(jīng)從 “計量室中最精密的長度測量儀器”，發(fā)展成數(shù)控機床精度檢測的必需工具。隨著數(shù)控機床的普及，激光干涉儀產(chǎn)品出現(xiàn)了空前激烈的技術(shù)和市場競爭的局面。
　  直線坐標的位置精度,數(shù)控轉(zhuǎn)臺的位置精度和圓軌跡檢測是數(shù)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(tǒng)的檢測方法中，數(shù)控轉(zhuǎn)臺的檢測采用“多面體＋自準直儀”，圓軌跡的檢測采用回轉(zhuǎn)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(jù)我們對數(shù)控機床生產(chǎn)廠的調(diào)查，檢測一個數(shù)控轉(zhuǎn)臺，通常兩個熟練工人需要2～4個小時，是數(shù)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(fā)基于雙縱模穩(wěn)頻的單頻激光干涉儀，提高產(chǎn)品的測量速度和分辨率，滿足高速數(shù)控機床動態(tài)檢測要求；開發(fā)面向數(shù)控機床的檢測附件，包括數(shù)控轉(zhuǎn)臺檢測附件，圓軌跡檢測附件等，提高數(shù)控機床檢測的效率和精度。項目成果為商品化的雙縱模穩(wěn)頻激光干涉儀及面向數(shù)控機床的激光干涉儀檢測附件。
　  三、成果內(nèi)涵及實施措施
　  1.本項目主要研究內(nèi)容和技術(shù)指標
　  本項目研制數(shù)控機床的激光測量系統(tǒng)，包括三項主要內(nèi)容：①開發(fā)基于雙縱模穩(wěn)頻的激光干涉儀；②開發(fā)數(shù)控轉(zhuǎn)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(chǎn)品生產(chǎn)所需的測試設(shè)備和儀器，主要任務(wù)指標如下： 
　  激光波長精度：±0.1ppm；
　  穩(wěn)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(guī)程”規(guī)定；
　  儀器具備動態(tài)采集功能，能夠測量數(shù)控機床的動態(tài)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(guān)國家標準進行評定；
　  數(shù)控轉(zhuǎn)臺檢測附件可自動采集測量數(shù)據(jù)，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(shù)指標經(jīng)中國測試技術(shù)研究院檢測達標。
　  2.本項目的成果
　  （1）基于雙縱模穩(wěn)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(shù)控機床的特殊附件，包括基于精密端齒分度臺的數(shù)控轉(zhuǎn)臺檢測附件、基于全圓誤差封閉原理的數(shù)控轉(zhuǎn)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(shù)控機床圓軌跡測量附件；
　  （4）研制上述產(chǎn)品生產(chǎn)所需的測試設(shè)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(shù)控轉(zhuǎn)臺試驗臺。
　  3.項目組織與實施
　  成都工具研究所有限公司設(shè)有項目領(lǐng)導(dǎo)小組，由所長任組長，成員包括主管科研副所長、總師、財務(wù)部長及主要技術(shù)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(nèi)容和時間進度進行考核，及時發(fā)現(xiàn)項目實施中的問題，統(tǒng)一組織協(xié)調(diào)；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(wù)均有專人負責；設(shè)立專人負責項目的財務(wù)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(chǎn)品，實施期間突破的關(guān)鍵技術(shù)包括：
　  （1）激光器的光譜選擇
　  激光器的光譜選擇是雙縱模穩(wěn)頻激光干涉儀的基礎(chǔ)，為了保證整機的穩(wěn)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(nèi)為Ne20和Ne22的混合氣體，使其輸出光譜產(chǎn)生二個相距890MHZ的突峰，在雙縱模穩(wěn)頻中，這種具有雙峰值的譜線會導(dǎo)致穩(wěn)頻頻率的多解性，在以等幅為條件的穩(wěn)頻中，存在二個穩(wěn)頻狀態(tài)。為此，在本項目中特殊設(shè)計了激光器，保證輸出頻譜的單峰狀態(tài)，避免了雙縱模穩(wěn)頻的輸出多解性。
　  （2）雙縱模穩(wěn)頻的輸出控制
　  穩(wěn)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(nèi)腔激光器，為保證輸出穩(wěn)定，在雙縱模穩(wěn)頻中，有效地解決三個難題：控制激光器輸出穩(wěn)定偏振狀態(tài)，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(shè)計
　  激光干涉儀的測量長度可達數(shù)十米時，返回信號極其微弱，據(jù)我們試驗的結(jié)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(shè)計了特色的矢量放大器。
　  （4）光回饋振蕩的消除
　  雙縱模穩(wěn)頻激光干涉儀屬于單頻直流系統(tǒng)，當光學(xué)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(nèi)產(chǎn)生共激，即引起光回饋振蕩，使激光干涉系統(tǒng)不能工作，這是單頻系統(tǒng)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(fā)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(shù)控轉(zhuǎn)臺檢測附件
　  基于端齒盤的數(shù)控轉(zhuǎn)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(jié)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(shè)計了臺面不升降的端齒盤結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)。
　  （6）采用全圓誤差封閉原理的數(shù)控轉(zhuǎn)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(shù)控轉(zhuǎn)臺，并與其按規(guī)定間隔交替反向旋轉(zhuǎn)完成全圓測量，以360°為基準生成修正系數(shù)，補償測量值得到測量結(jié)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(jié)構(gòu)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(shù)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(diào)儀器時是很難做到的，這種誤差在角度測量中，表現(xiàn)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(diào)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(jīng)濟效益
　  1.社會效益
　  (1) 打破國外產(chǎn)品在國內(nèi)的壟斷局面
　  項目產(chǎn)品填補了國內(nèi)空白，由于性價比高，在競爭中迫使國外產(chǎn)品在中國低價銷售，促進了產(chǎn)品的國內(nèi)普及應(yīng)用，對于提高整個機械行業(yè)的技術(shù)進步起到積極作用。
　  (2) 提升我國激光測量技術(shù)的整體水平
　  新產(chǎn)品的研發(fā)過程中，掌握了大量激光測量的基本技術(shù)，使我國激光測量技術(shù)整體提高。在本項目的基礎(chǔ)上，我公司通過競標得到了2項國家科技重大專項中有關(guān)激光測量的課題：
　  “高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”專項中的大范圍激光動態(tài)測量系統(tǒng)； 
　  “極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”專項中的激光定位系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是發(fā)達國家對我國禁運的產(chǎn)品，通過項目的實施，將打破國外對我國的高技術(shù)封鎖。 
　  2.經(jīng)濟效益
　  (1) 直接經(jīng)濟效益
　  自2009年至2011年8月，項目新產(chǎn)品實現(xiàn)銷售收入1985萬元，利稅981萬元。
　  (2) 間接經(jīng)濟效益
　  前已述，產(chǎn)品的推出打破了壟斷，迫使國外公司在中國低價銷售，據(jù)統(tǒng)計國外產(chǎn)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(jié)省1.5億元；
　  目前我所產(chǎn)品均價18萬/套，國外45萬/套；按銷售100套計，為用戶節(jié)省2700萬元。
　  本項目產(chǎn)品在國防軍工、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用以及對延長機床壽命的作用難以用價格來衡量。
　  3.應(yīng)用領(lǐng)域
　  （1）數(shù)控機床的檢測是項目產(chǎn)品的主要用途 
　  數(shù)控機床生產(chǎn)廠的產(chǎn)品檢測和數(shù)控機床用戶的周期檢測是產(chǎn)品的主要用途。
　  （2）國防軍工、航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用： 
　  檢測近場雷達強度分布的激光多座標定位系統(tǒng)；
　  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(guī)模集成電路光刻機。
　  這些裝置均用于軍工、航天等關(guān)系國家安全、標志國家發(fā)展水平的領(lǐng)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(tǒng)。
　  （4）由激光干涉儀為傳感器的測量儀器：
　  激光動態(tài)滾珠絲杠檢查儀；
　  激光直線導(dǎo)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(yè)中的測量難題，填補國內(nèi)空白。 
　  五、市場前景展望及改進措施
　  1.市場前景
　  數(shù)控機床的使用者是項目產(chǎn)品的主要用戶，2010年我國數(shù)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(yè)的高速發(fā)展，數(shù)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(chǎn)品能夠?qū)?shù)控機床定位精度進行高效率的檢測，將明顯提高數(shù)控機床行業(yè)的制造水平；將檢測數(shù)據(jù)用于補償，可大幅度降低數(shù)控機床用戶的使用成本。
　  項目產(chǎn)品主要用戶為數(shù)控生產(chǎn)制造企業(yè)、數(shù)控機床使用企業(yè)、質(zhì)量監(jiān)督檢驗單位等。可以用于：
　  （1）數(shù)控機床的出廠精度檢定；
　  （2）數(shù)控機床生產(chǎn)和調(diào)試過程的監(jiān)控；
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