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數(shù)控機(jī)床激光測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，以其無可比擬的高精度，在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用，可以說沒有激光干涉測(cè)量儀器就沒有高精度的制造業(yè)。特別在高檔數(shù)控機(jī)床的開發(fā)中，高性能激光測(cè)量系統(tǒng)是必需的無可替代的測(cè)量控制儀器。目前，國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的用戶也迅速普及，本項(xiàng)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(shí)填補(bǔ)國內(nèi)空白替代進(jìn)口。
　  2005年成都工具研究所有限公司開始本項(xiàng)目的預(yù)研并列為公司基金項(xiàng)目，2006和2007年分別列為“科技部科研院所資金項(xiàng)目”和“中國機(jī)械工業(yè)集團(tuán)科技發(fā)展基金項(xiàng)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(huì)認(rèn)為“該項(xiàng)目總體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平”，并榮獲2010年度四川省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
　  項(xiàng)目攻克了大量關(guān)鍵技術(shù)；完成2次科技查新并申報(bào)國家發(fā)明專利6項(xiàng)。
　  本項(xiàng)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(cè)量附件
　  （2）2種激光干涉儀數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)檢測(cè)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(shí)施背景
　  項(xiàng)目實(shí)施單位成都工具研究所有限公司是原國家機(jī)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(jī)構(gòu)，1956年建所，1994年被認(rèn)定為“高新技術(shù)企業(yè)”，1999年經(jīng)國家經(jīng)貿(mào)委批準(zhǔn)進(jìn)入中國機(jī)械工業(yè)集團(tuán)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(jìn)中心” 的依托單位。公司主要從事精密切削刀具、精密測(cè)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(jì)加工技術(shù)、刀具表面強(qiáng)化改性技術(shù)與裝備、大型精密量儀設(shè)計(jì)制造、光電傳感與激光測(cè)量技術(shù)以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件等專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，形成了獨(dú)特的整體綜合成套技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(cè)量技術(shù)是成都工具研究所有限公司在精密測(cè)量儀器專業(yè)方向的突出代表及重點(diǎn)發(fā)展方向，擁有多項(xiàng)專利技術(shù)和技術(shù)Kown How，曾承擔(dān)“科研院所創(chuàng)新基金”、“國家火炬計(jì)劃”、“國機(jī)集團(tuán)科技創(chuàng)新基金”等多項(xiàng)激光測(cè)量領(lǐng)域的研究課題。2009-2010年作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)單位完成了“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項(xiàng)中下屬課題“高性能激光干涉儀”的研究，在課題實(shí)施過程中，對(duì)原有激光干涉儀生產(chǎn)工段規(guī)模進(jìn)行了擴(kuò)充，增添和研制了21臺(tái)套生產(chǎn)測(cè)試所需的設(shè)備，充實(shí)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(jī)床是國家制造業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)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(biāo)，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(yùn)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(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，07年國家頒布了《數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》，09年實(shí)施了《高檔數(shù)控機(jī)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(xiàng)，激光干涉儀均是基礎(chǔ)研究開發(fā)項(xiàng)目。
　  1971年美國HP公司推出了世界第一臺(tái)實(shí)用的激光干涉儀，到上世紀(jì)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(cè)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(jì)量，屬于先進(jìn)國家對(duì)我國禁運(yùn)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(jì)量儀器，近年來約有4-5家國外公司產(chǎn)品進(jìn)入我國，占據(jù)了國內(nèi)大部分市場(chǎng)份額。
　  近十年來，為了滿足數(shù)控機(jī)床發(fā)展的需求，國外激光干涉儀產(chǎn)品在測(cè)量速度、分辨率等指標(biāo)上有很大的改進(jìn)，同時(shí)還推出了多種針對(duì)數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)的專用附件，有效地解決了數(shù)控機(jī)床檢測(cè)的一些難題，激光干涉儀已經(jīng)從 “計(jì)量室中最精密的長度測(cè)量儀器”，發(fā)展成數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)的必需工具。隨著數(shù)控機(jī)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(chǎng)競爭的局面。
　  直線坐標(biāo)的位置精度,數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的位置精度和圓軌跡檢測(cè)是數(shù)控機(jī)床的三項(xiàng)特殊檢測(cè)項(xiàng)目。其中，直線坐標(biāo)的位置精度是激光干涉儀的基本功能。在傳統(tǒng)的檢測(cè)方法中，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的檢測(cè)采用“多面體＋自準(zhǔn)直儀”，圓軌跡的檢測(cè)采用回轉(zhuǎn)的一維測(cè)頭或母圓盤與二維測(cè)頭,這些方法需要大量人工介入, 費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率極低。根據(jù)我們對(duì)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠的調(diào)查，檢測(cè)一個(gè)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，通常兩個(gè)熟練工人需要2～4個(gè)小時(shí)，是數(shù)控機(jī)床檢測(cè)的一個(gè)瓶頸。
　  本項(xiàng)目是在上述背景下提出的。利用激光器多模的特點(diǎn)，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(cè)量速度和分辨率，滿足高速數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)檢測(cè)要求；開發(fā)面向數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)附件，包括數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)檢測(cè)附件，圓軌跡檢測(cè)附件等，提高數(shù)控機(jī)床檢測(cè)的效率和精度。項(xiàng)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(jī)床的激光干涉儀檢測(cè)附件。
　  三、成果內(nèi)涵及實(shí)施措施
　  1.本項(xiàng)目主要研究內(nèi)容和技術(shù)指標(biāo)
　  本項(xiàng)目研制數(shù)控機(jī)床的激光測(cè)量系統(tǒng)，包括三項(xiàng)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(tái)檢測(cè)附件和基于激光差動(dòng)干涉原理的圓軌跡測(cè)量附件；③研制上述產(chǎn)品生產(chǎn)所需的測(cè)試設(shè)備和儀器，主要任務(wù)指標(biāo)如下： 
　  激光波長精度：±0.1ppm；
　  穩(wěn)頻精度：±5×10-8；
　  測(cè)量速度1000mm/s；
　  激光干涉儀的測(cè)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(dòng)態(tài)采集功能，能夠測(cè)量數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)誤差；
　  可測(cè)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定；
　  數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)檢測(cè)附件可自動(dòng)采集測(cè)量數(shù)據(jù)，并按GB/T17421.2-2000標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)處理，測(cè)量綜合誤差：3″。
　  項(xiàng)目主要技術(shù)指標(biāo)經(jīng)中國測(cè)試技術(shù)研究院檢測(cè)達(dá)標(biāo)。
　  2.本項(xiàng)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(jī)床的特殊附件，包括基于精密端齒分度臺(tái)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)檢測(cè)附件、基于全圓誤差封閉原理的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)檢測(cè)附件、采用光楔為傳感元件直線度測(cè)量附件和基于差動(dòng)干涉的數(shù)控機(jī)床圓軌跡測(cè)量附件；
　  （4）研制上述產(chǎn)品生產(chǎn)所需的測(cè)試設(shè)備和儀器,包括激光拍頻裝置、激光波前校正臺(tái)、激光器輸出增益曲線測(cè)量裝置和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)。
　  3.項(xiàng)目組織與實(shí)施
　  成都工具研究所有限公司設(shè)有項(xiàng)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(cái)務(wù)部長及主要技術(shù)人員；制定了3個(gè)月定期和不定期的檢查制度，嚴(yán)格按照研究內(nèi)容和時(shí)間進(jìn)度進(jìn)行考核，及時(shí)發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目實(shí)施中的問題，統(tǒng)一組織協(xié)調(diào)；課題實(shí)行課題組長負(fù)責(zé)制，子項(xiàng)課題同樣實(shí)行子課題負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)制，各項(xiàng)任務(wù)均有專人負(fù)責(zé)；設(shè)立專人負(fù)責(zé)項(xiàng)目的財(cái)務(wù)管理，建立了單獨(dú)賬戶，做到專款專用。以上措施保證了本項(xiàng)目的順利進(jìn)行。
　  項(xiàng)目成果的核心是集光、機(jī)、電、算一體化的高科技產(chǎn)品，實(shí)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(jī)的穩(wěn)定性和壽命，需要采用進(jìn)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(gè)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(huì)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(gè)穩(wěn)頻狀態(tài)。為此，在本項(xiàng)目中特殊設(shè)計(jì)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(zhǔn)。項(xiàng)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(gè)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(jì)
　  激光干涉儀的測(cè)量長度可達(dá)數(shù)十米時(shí)，返回信號(hào)極其微弱，據(jù)我們?cè)囼?yàn)的結(jié)果，光電接收器接受到的激光測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度僅10μw左右，此外為保證1000mm/s的測(cè)量速度和高倍細(xì)分，放大器的帶寬必需大于3Mhz，并且具有嚴(yán)格的正交相位。為解決上述問題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(dāng)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(shí)，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(diǎn)。為防止光回饋，本項(xiàng)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(tái)檢測(cè)附件
　  基于端齒盤的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)檢測(cè)附件采用精密端齒盤和激光干涉儀小角度測(cè)量附件結(jié)合的測(cè)量方法。在實(shí)際測(cè)量中，由于端齒盤上齒盤的升降運(yùn)動(dòng)，會(huì)造成光路遮擋而中斷測(cè)量，為解決這一問題，本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)了臺(tái)面不升降的端齒盤結(jié)構(gòu)，利用波片連接上齒盤和臺(tái)面，波片的彈性抵消上齒盤的升降運(yùn)動(dòng)，利用波片的圓周切向剛度大的特點(diǎn)，帶動(dòng)臺(tái)面的旋轉(zhuǎn)。
　  （6）采用全圓誤差封閉原理的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)檢測(cè)附件
　  該附件是本項(xiàng)目提出的一個(gè)新的測(cè)量概念，全圓誤差封閉原理指在一個(gè)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(tái)，并與其按規(guī)定間隔交替反向旋轉(zhuǎn)完成全圓測(cè)量，以360°為基準(zhǔn)生成修正系數(shù)，補(bǔ)償測(cè)量值得到測(cè)量結(jié)果。由于全圓誤差封閉原理采用360°為基準(zhǔn)，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(xiàng)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(diǎn)是測(cè)量光100%返回激光頭，不存在任何損耗，測(cè)量時(shí)光束在雙光楔往返8次，提高了測(cè)量靈敏度。
　  （8）采用差動(dòng)干涉的圓軌跡檢測(cè)附件
　  附件利用激光干涉儀的動(dòng)鏡和定鏡同步隨數(shù)控機(jī)床作圓運(yùn)動(dòng)，得到的差動(dòng)干涉值與理論值比較，計(jì)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(gè)平面波重合是干涉的基本條件，但在實(shí)際裝調(diào)儀器時(shí)是很難做到的，這種誤差在角度測(cè)量中，表現(xiàn)為零點(diǎn)左右測(cè)量值不對(duì)稱，利用這一特點(diǎn)在本項(xiàng)目的實(shí)施中，研制了激光波前校正臺(tái)檢測(cè)波前的不平行誤差，通過調(diào)整擴(kuò)束器與激光器的方位來校正波前矢量方向，保證測(cè)量精度。
　  四、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益
　  1.社會(huì)效益
　  (1) 打破國外產(chǎn)品在國內(nèi)的壟斷局面
　  項(xiàng)目產(chǎn)品填補(bǔ)了國內(nèi)空白，由于性價(jià)比高，在競爭中迫使國外產(chǎn)品在中國低價(jià)銷售，促進(jìn)了產(chǎn)品的國內(nèi)普及應(yīng)用，對(duì)于提高整個(gè)機(jī)械行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步起到積極作用。
　  (2) 提升我國激光測(cè)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(cè)量的基本技術(shù)，使我國激光測(cè)量技術(shù)整體提高。在本項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，我公司通過競標(biāo)得到了2項(xiàng)國家科技重大專項(xiàng)中有關(guān)激光測(cè)量的課題：
　  “高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”專項(xiàng)中的大范圍激光動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)； 
　  “極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”專項(xiàng)中的激光定位系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是發(fā)達(dá)國家對(duì)我國禁運(yùn)的產(chǎn)品，通過項(xiàng)目的實(shí)施，將打破國外對(duì)我國的高技術(shù)封鎖。 
　  2.經(jīng)濟(jì)效益
　  (1) 直接經(jīng)濟(jì)效益
　  自2009年至2011年8月，項(xiàng)目新產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)銷售收入1985萬元，利稅981萬元。
　  (2) 間接經(jīng)濟(jì)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(jià)銷售，據(jù)統(tǒng)計(jì)國外產(chǎn)品平均銷售價(jià)格比以前降低25％，從60萬元/套降低到45萬元/套，按進(jìn)口1000臺(tái)計(jì)，為用戶節(jié)省1.5億元；
　  目前我所產(chǎn)品均價(jià)18萬/套，國外45萬/套；按銷售100套計(jì)，為用戶節(jié)省2700萬元。
　  本項(xiàng)目產(chǎn)品在國防軍工、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用以及對(duì)延長機(jī)床壽命的作用難以用價(jià)格來衡量。
　  3.應(yīng)用領(lǐng)域
　  （1）數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)是項(xiàng)目產(chǎn)品的主要用途 
　  數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠的產(chǎn)品檢測(cè)和數(shù)控機(jī)床用戶的周期檢測(cè)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(cè)近場(chǎng)雷達(dá)強(qiáng)度分布的激光多座標(biāo)定位系統(tǒng)；
　  航天器的等離子真空推力器測(cè)量裝置；
　  飛行器光電探測(cè)器用激光反饋X-Y測(cè)試臺(tái)；
　  大規(guī)模集成電路光刻機(jī)。
　  這些裝置均用于軍工、航天等關(guān)系國家安全、標(biāo)志國家發(fā)展水平的領(lǐng)域。
　  （3）長度計(jì)量基準(zhǔn)：
　  500mm線紋尺檢測(cè)儀；
　  1000mm激光線紋尺檢查儀；
　  激光光柵檢查儀；
　  大地基尺檢測(cè)系統(tǒng)。
　  （4）由激光干涉儀為傳感器的測(cè)量儀器：
　  激光動(dòng)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(cè)機(jī)；
　  剪切機(jī)同步度檢測(cè)儀；
　  折彎機(jī)過沖量檢測(cè)儀器。
　  這些裝置解決了行業(yè)中的測(cè)量難題，填補(bǔ)國內(nèi)空白。 
　  五、市場(chǎng)前景展望及改進(jìn)措施
　  1.市場(chǎng)前景
　  數(shù)控機(jī)床的使用者是項(xiàng)目產(chǎn)品的主要用戶，2010年我國數(shù)控機(jī)床的擁有量已超過100萬臺(tái)，并且每年以10%以上的速度遞增，因此存在巨大的潛在市場(chǎng)。
　  隨著機(jī)床制造業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)要求在不斷提高，對(duì)測(cè)量儀器的需求也在不斷增加。本項(xiàng)目產(chǎn)品能夠?qū)?shù)控機(jī)床定位精度進(jìn)行高效率的檢測(cè)，將明顯提高數(shù)控機(jī)床行業(yè)的制造水平；將檢測(cè)數(shù)據(jù)用于補(bǔ)償，可大幅度降低數(shù)控機(jī)床用戶的使用成本。
　  項(xiàng)目產(chǎn)品主要用戶為數(shù)控生產(chǎn)制造企業(yè)、數(shù)控機(jī)床使用企業(yè)、質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)單位等。可以用于：
　  （1）數(shù)控機(jī)床的出廠精度檢定；
　  （2）數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)和調(diào)試過程的監(jiān)控；
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