数控机床激光测量系统的研究

一、成果概要
　  以激光干涉原理构成的激光测量系统，以其无可比拟的高精度，在数控机床领域发挥着巨大的作用，可以说没有激光干涉测量仪器就没有高精度的制造业。特别在高档数控机床的开发中，高性能激光测量系统是必需的无可替代的测量控制仪器。目前，国内数控机床的生产迅猛发展，数控机床的用户也迅速普及，本项目开发的产品能够满足生产企业和用户控制质量的需求，同时填补国内空白替代进口。
　  2005年成都工具研究所有限公司开始本项目的预研并列为公司基金项目，2006和2007年分别列为“科技部科研院所资金项目”和“中国机械工业集团科技发展基金项目”，得到资金支持，2009年结题并推出MJS5E/MJS6A系列激光干涉仪新产品，2010年通过由四川省科技厅组织的专家鉴定，鉴定委员会认为“该项目总体技术达到国际先进水平”，并荣获2010年度四川省科技进步一等奖。
　  项目攻克了大量关键技术；完成2次科技查新并申报国家发明专利6项。
　  本项目的创新成果为定型产品，主要包括：
　  （1）双纵模稳频激光干涉仪（MJS5/MJS6A）及通用测量附件
　  （2）2种激光干涉仪数控转台检测附件 
　  （3）多种调试和量产所需的专用设备
　  二、前言和实施背景
　  项目实施单位成都工具研究所有限公司是原国家机械工业部的直属研究所，是我国唯一的综合性工具科研事业机构，1956年建所，1994年被认定为“高新技术企业”，1999年经国家经贸委批准进入中国机械工业集团公司，转制为科技性企业，是“国家精密工具工程技术研究中心”和“精密工具生产力促进中心” 的依托单位。公司主要从事精密切削刀具、精密测量仪器和表面改性技术三大领域的共性基础技术研究及高技术产品的开发和生产。经过多年的努力，已在刀具材料、精密成形复杂刀具与数控刀具设计加工技术、刀具表面强化改性技术与装备、大型精密量仪设计制造、光电传感与激光测量技术以及计算机应用软件等专业技术领域内，形成了独特的整体综合成套技术优势，在国内外同行业享有较高的知名度和行业地位。
　  激光测量技术是成都工具研究所有限公司在精密测量仪器专业方向的突出代表及重点发展方向，拥有多项专利技术和技术Kown How，曾承担“科研院所创新基金”、“国家火炬计划”、“国机集团科技创新基金”等多项激光测量领域的研究课题。2009-2010年作为项目负责单位完成了“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项中下属课题“高性能激光干涉仪”的研究，在课题实施过程中，对原有激光干涉仪生产工段规模进行了扩充，增添和研制了21台套生产测试所需的设备，充实了研发人员，公司迄今仍是国内唯一能够批量提供激光干涉仪产品的企业。
　  机床是国家制造业发展的基础，对推动国民经济发展有具大的作用。我国在“十一五”规划中制定了振兴装备制造业的目标，明确提出“要提高大型、精密、高速数控装备的水平，以支持能源、运输、原材料产业的发展需要”。为调整产业结构和促进行业技术进步，07年国家颁布了《数控机床产业发展专项规划》，09年实施了《高档数控机床与基础制造技术》和《极大规模集成电路制造技术及成套工艺》重大专项，激光干涉仪均是基础研究开发项目。
　  1971年美国HP公司推出了世界第一台实用的激光干涉仪，到上世纪八十年代中期，国外有近十家公司相继推出了干涉仪产品。从应用角度看，激光干涉仪可以分为激光传感器和激光测量系统。前者主要应用于大规模集成电路制造和纳米计量，属于先进国家对我国禁运产品；后者也称工业激光干涉仪，是高精密的，用途极广的长度计量仪器，近年来约有4-5家国外公司产品进入我国，占据了国内大部分市场份额。
　  近十年来，为了满足数控机床发展的需求，国外激光干涉仪产品在测量速度、分辨率等指标上有很大的改进，同时还推出了多种针对数控机床精度检测的专用附件，有效地解决了数控机床检测的一些难题，激光干涉仪已经从 “计量室中最精密的长度测量仪器”，发展成数控机床精度检测的必需工具。随着数控机床的普及，激光干涉仪产品出现了空前激烈的技术和市场竞争的局面。
　  直线坐标的位置精度,数控转台的位置精度和圆轨迹检测是数控机床的三项特殊检测项目。其中，直线坐标的位置精度是激光干涉仪的基本功能。在传统的检测方法中，数控转台的检测采用“多面体＋自准直仪”，圆轨迹的检测采用回转的一维测头或母圆盘与二维测头,这些方法需要大量人工介入, 费时费力，效率极低。根据我们对数控机床生产厂的调查，检测一个数控转台，通常两个熟练工人需要2～4个小时，是数控机床检测的一个瓶颈。
　  本项目是在上述背景下提出的。利用激光器多模的特点，开发基于双纵模稳频的单频激光干涉仪，提高产品的测量速度和分辨率，满足高速数控机床动态检测要求；开发面向数控机床的检测附件，包括数控转台检测附件，圆轨迹检测附件等，提高数控机床检测的效率和精度。项目成果为商品化的双纵模稳频激光干涉仪及面向数控机床的激光干涉仪检测附件。
　  三、成果内涵及实施措施
　  1.本项目主要研究内容和技术指标
　  本项目研制数控机床的激光测量系统，包括三项主要内容：①开发基于双纵模稳频的激光干涉仪；②开发数控转台检测附件和基于激光差动干涉原理的圆轨迹测量附件；③研制上述产品生产所需的测试设备和仪器，主要任务指标如下： 
　  激光波长精度：±0.1ppm；
　  稳频精度：±5×10-8；
　  测量速度1000mm/s；
　  激光干涉仪的测量不确定度：符合“JJG739－2005激光干涉仪检定规程”规定；
　  仪器具备动态采集功能，能够测量数控机床的动态误差；
　  可测长度、角度、直线度、平面度、垂直度、平行度，并可按相关国家标准进行评定；
　  数控转台检测附件可自动采集测量数据，并按GB/T17421.2-2000标准自动处理，测量综合误差：3″。
　  项目主要技术指标经中国测试技术研究院检测达标。
　  2.本项目的成果
　  （1）基于双纵模稳频的激光干涉仪；
　  （2）激光干涉仪的通用附件，包括直线度附件、垂直度附件、平面度附件、角度附件、平行度附件等；
　  （3）面向数控机床的特殊附件，包括基于精密端齿分度台的数控转台检测附件、基于全圆误差封闭原理的数控转台检测附件、采用光楔为传感元件直线度测量附件和基于差动干涉的数控机床圆轨迹测量附件；
　  （4）研制上述产品生产所需的测试设备和仪器,包括激光拍频装置、激光波前校正台、激光器输出增益曲线测量装置和数控转台试验台。
　  3.项目组织与实施
　  成都工具研究所有限公司设有项目领导小组，由所长任组长，成员包括主管科研副所长、总师、财务部长及主要技术人员；制定了3个月定期和不定期的检查制度，严格按照研究内容和时间进度进行考核，及时发现项目实施中的问题，统一组织协调；课题实行课题组长负责制，子项课题同样实行子课题负责人负责制，各项任务均有专人负责；设立专人负责项目的财务管理，建立了单独账户，做到专款专用。以上措施保证了本项目的顺利进行。
　  项目成果的核心是集光、机、电、算一体化的高科技产品，实施期间突破的关键技术包括：
　  （1）激光器的光谱选择
　  激光器的光谱选择是双纵模稳频激光干涉仪的基础，为了保证整机的稳定性和寿命，需要采用进口激光器，但是由于通用激光器腔内为Ne20和Ne22的混合气体，使其输出光谱产生二个相距890MHZ的突峰，在双纵模稳频中，这种具有双峰值的谱线会导致稳频频率的多解性，在以等幅为条件的稳频中，存在二个稳频状态。为此，在本项目中特殊设计了激光器，保证输出频谱的单峰状态，避免了双纵模稳频的输出多解性。
　  （2）双纵模稳频的输出控制
　  稳频器控制激光器输出波长的精度，是激光干涉仪的基准。项目采用腔长150cm的自然偏振全内腔激光器，为保证输出稳定，在双纵模稳频中，有效地解决三个难题：控制激光器输出稳定偏振状态，提高有效频率的输出功率和保证输出波长的唯一性。
　  （3）矢量加法放大器的设计
　  激光干涉仪的测量长度可达数十米时，返回信号极其微弱，据我们试验的结果，光电接收器接受到的激光测量信号强度仅10μw左右，此外为保证1000mm/s的测量速度和高倍细分，放大器的带宽必需大于3Mhz，并且具有严格的正交相位。为解决上述问题，本项目设计了特色的矢量放大器。
　  （4）光回馈振荡的消除
　  双纵模稳频激光干涉仪属于单频直流系统，当光学元件表明的微弱反射光回射到激光器的谐振腔，并且偏振方向和相位相同时，在腔内产生共激，即引起光回馈振荡，使激光干涉系统不能工作，这是单频系统的致命弱点。为防止光回馈，本项目采用1/2波片和1/4波片的组合部件，使返回光相位和偏振方向发生变化，有效破坏了回馈振荡的条件，消除了光回馈振荡。
　  （5）基于端齿盘的数控转台检测附件
　  基于端齿盘的数控转台检测附件采用精密端齿盘和激光干涉仪小角度测量附件结合的测量方法。在实际测量中，由于端齿盘上齿盘的升降运动，会造成光路遮挡而中断测量，为解决这一问题，本项目中设计了台面不升降的端齿盘结构，利用波片连接上齿盘和台面，波片的弹性抵消上齿盘的升降运动，利用波片的圆周切向刚度大的特点，带动台面的旋转。
　  （6）采用全圆误差封闭原理的数控转台检测附件
　  该附件是本项目提出的一个新的测量概念，全圆误差封闭原理指在一个整圆中，所有分段角度误差的总和为零。附件安装于数控转台，并与其按规定间隔交替反向旋转完成全圆测量，以360°为基准生成修正系数，补偿测量值得到测量结果。由于全圆误差封闭原理采用360°为基准，使附件制造简单，精度高。
　  （7）采用双光楔的直线度附件
　  国外典型直线度附件的结构光能损失75%，灵敏度降低7.5倍，为解决这一问题，本项目提出采用双光楔的直线度附件，采用双光楔的直线度附件的主要特点是测量光100%返回激光头，不存在任何损耗，测量时光束在双光楔往返8次，提高了测量灵敏度。
　  （8）采用差动干涉的圆轨迹检测附件
　  附件利用激光干涉仪的动镜和定镜同步随数控机床作圆运动，得到的差动干涉值与理论值比较，计算出圆轨迹误差。
　  （9）激光波前校正方法
　  在激光干涉仪中参与干涉的两个平面波重合是干涉的基本条件，但在实际装调仪器时是很难做到的，这种误差在角度测量中，表现为零点左右测量值不对称，利用这一特点在本项目的实施中，研制了激光波前校正台检测波前的不平行误差，通过调整扩束器与激光器的方位来校正波前矢量方向，保证测量精度。
　  四、社会、经济效益
　  1.社会效益
　  (1) 打破国外产品在国内的垄断局面
　  项目产品填补了国内空白，由于性价比高，在竞争中迫使国外产品在中国低价销售，促进了产品的国内普及应用，对于提高整个机械行业的技术进步起到积极作用。
　  (2) 提升我国激光测量技术的整体水平
　  新产品的研发过程中，掌握了大量激光测量的基本技术，使我国激光测量技术整体提高。在本项目的基础上，我公司通过竞标得到了2项国家科技重大专项中有关激光测量的课题：
　  “高档数控机床与基础制造装备”专项中的大范围激光动态测量系统； 
　  “极大规模集成电路制造装备及成套工艺”专项中的激光定位系统，这种系统是发达国家对我国禁运的产品，通过项目的实施，将打破国外对我国的高技术封锁。 
　  2.经济效益
　  (1) 直接经济效益
　  自2009年至2011年8月，项目新产品实现销售收入1985万元，利税981万元。
　  (2) 间接经济效益
　  前已述，产品的推出打破了垄断，迫使国外公司在中国低价销售，据统计国外产品平均销售价格比以前降低25％，从60万元/套降低到45万元/套，按进口1000台计，为用户节省1.5亿元；
　  目前我所产品均价18万/套，国外45万/套；按销售100套计，为用户节省2700万元。
　  本项目产品在国防军工、航空航天等领域的应用以及对延长机床寿命的作用难以用价格来衡量。
　  3.应用领域
　  （1）数控机床的检测是项目产品的主要用途 
　  数控机床生产厂的产品检测和数控机床用户的周期检测是产品的主要用途。
　  （2）国防军工、航空航天领域的应用： 
　  检测近场雷达强度分布的激光多座标定位系统；
　  航天器的等离子真空推力器测量装置；
　  飞行器光电探测器用激光反馈X-Y测试台；
　  大规模集成电路光刻机。
　  这些装置均用于军工、航天等关系国家安全、标志国家发展水平的领域。
　  （3）长度计量基准：
　  500mm线纹尺检测仪；
　  1000mm激光线纹尺检查仪；
　  激光光栅检查仪；
　  大地基尺检测系统。
　  （4）由激光干涉仪为传感器的测量仪器：
　  激光动态滚珠丝杠检查仪；
　  激光直线导轨检查仪；
　  激光光栅刻划检测机；
　  剪切机同步度检测仪；
　  折弯机过冲量检测仪器。
　  这些装置解决了行业中的测量难题，填补国内空白。 
　  五、市场前景展望及改进措施
　  1.市场前景
　  数控机床的使用者是项目产品的主要用户，2010年我国数控机床的拥有量已超过100万台，并且每年以10%以上的速度递增，因此存在巨大的潜在市场。
　  随着机床制造业的高速发展，数控机床的检测要求在不断提高，对测量仪器的需求也在不断增加。本项目产品能够对数控机床定位精度进行高效率的检测，将明显提高数控机床行业的制造水平；将检测数据用于补偿，可大幅度降低数控机床用户的使用成本。
　  项目产品主要用户为数控生产制造企业、数控机床使用企业、质量监督检验单位等。可以用于：
　  （1）数控机床的出厂精度检定；
　  （2）数控机床生产和调试过程的监控；
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