超精密机床开放式测量系统的研究哈尔滨工业大学房丰洲，袁哲俊，吕晓明，张飞虎，李华摘要作为 重点技术攻关项目，超精密机床的研制关键在于在线检测系统能否准确地定位测量。本文研究了精 密定位测量系统，采用开放式体系结构，因而使系统具有通用性好、适应性强、采集速度快、结构 紧凑的特点，为实现超精密加工奠定了基础。关键词测量系统，棱镜，折射率，波长Ｒｅｓｅａｒ ｃｈｏｎＯｐｅｎＴｙｐｅＭｅａｓｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＵｌｔｒａ－Ｐｒｅｃｉｓｉ ｏｎＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌｓ￥ＦａｎｇＦｅｎｇｚｈｏｕ，ｅｔａｌＡｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃ ｃｕｒａｔｅｌｙｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｉｎｇｏｆｏｎｌｉｎｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｓ ｙｓｔｅｍｉｓｔｈｅｋｅｙｉｎｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｏｆｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍ ａｃｈｉｎｅｔｏｏｌ．Ｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ，ａｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｐｒｅｃｉｓｉ ｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｍａｄｅ．Ａｎｏｐｅｎｔｙｐｅｓ ｙｓｔｅｍ，ｆｅａｔｕｒｉｎｇｗｉｄｅａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ，ｈｉｇｈａｄａｐｔａ ｂｉｌｉｔｙ，ｈｉｇｈｓａｍｐｌｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄｃｏｍｐａｃｔｉｎｃｏｎｓｔｒｕ ｃｔｕｒｅ，ｉｓａｂａｓｅｆｏｒｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｋｅ ｙｗｏｒｄｓ：ＭｅａｓｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ；Ｐｒｉｓｍ；ＩｎｄｅｘｏｆＲｅｆｒａｃｔ ｉｏｎ；ＷａｖｅＬｅｎｇｔｈ１．引言超精密加工是当代机械制造最重要的发展方向之一，是现 代航空、航天、微电子等尖端技术发展的基础。精密和超精密加工已经成为在国际竞争中取得成功 的关键技术，所以现代机械工业致力于提高加工精度，其主要目的在于：提高产品的性能和质量， 提高其稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零件的互换性；提高装配生产率、并促进自动化 装配。超精密机床是实现超精密加工的首要条件，对于这样高精度的机床，只有采用在线测控才能 满足设计的要求，因而定位测量系统成为研制超精密机床的关键。２．开放式体系结构本系统采用 了国际标准ＩＥＥＥ９６１的模块式开放体系，使主ＣＰＵ系统、数据采集及双路显示分别在不同 的功能模板实现。与主控机采用ＧＰ—ＩＢ总线实现并行通信，使其检测系统的接口实现标准化。 所谓开放式体系就是指系统向未来的ＶＬＳＩ（超大规模集成电路）开放，在技术上兼顾今天和明 天，既从当前实际可能出发，又留下容纳未来新技术的余地，使软、硬件都遵循公认的国际标准， 只需要作很少量的重新设计和调整，新一代ＶＬＳＩ就可以被现有系统所采纳、吸收、兼容；向系 统的不同配套档次开放，兼顾设计周期和产品成本，以尽可能完整的形式（插箱级）或尽可能采用 半成品（级板）来开放其设计；向用户不断的特殊要求开放，兼顾通用的基本设计和用户的专用要 求，有较强的更新、扩充能力。３．在线测量系统的工作原理激光的出现，使超精密在线检测成为 可能。由于它的光束发散角小、能量集中，因而它产生的干涉条纹可用光电接收器接收。变为电信 号，并由计数器一个不漏地记录下来，从而提高了测量精度。但这种常规的激光干涉议并非完美， 它的一个根本弱点是受环境影响严重、测试环境恶劣时，这一缺点十分突出。其原因在于它是一种 直流测量系统，必然具有直流光平和电平零漂的弊端。此外，由于空气湍流、机床的油雾、切屑对 光束的干扰导致光束发生偏移或波面扭曲，这种无规律的变化较难枉过触发电平的自动调整来补偿 ，因而限制了这种干涉仪的使用范围。只有设法用交流测量系统代替直流测量系统，才能从根本上 克服这种干涉仪的弱点。因而在超精密机床上采用了双路双频激光干涉测量系统，如图１。双频激 光干涉仪除具有干涉仪图１双路双额激光测量系统的优点外，还具有抗干扰能力强的特点，即使在 信号衰减９０％的情况下，仍能满意地工作。双频激光于涉仪的原理如图２所示，从双频Ｈｅ—Ｎ ｅ激光器输出的频率为人的左旋圆圈２双频激光定位测量原理图、偏振光及频率为人的右旋圆偏振 光，经Ａ／４波片变成两束振动方向垂直的线偏振光，用分光镜取出一小部分，经检偏器后形成人 和人的拍频信号，由接收器接收作为参考信号Ｃ。Ｓ［２。（人一人）ｔ］，其余大部分经扩束器 准直扩束后进入干涉系统。偏振分光镜把频率为人的线偏振光全部反射到可动棱镜上，而让频率为 人的线偏振光全部透过，进入固定棱镜。这两束光反射回来，在偏振分光镜分光面会合。当可动棱 镜移动时，ｆｉ变为ｄ；全面人它经Ａ／４波片重新变为左、右旋的圆偏振光，一部分透过分光镜 ，从反射镜反射后，经检偏器形成测量信号Ｃ。Ｓ［２。（人一人干乙ｆ）ｔ」，从分光镜反射的 一部分光束，经检偏器形成另一路测量信号ｓｉｎ［２；ｒ（人一人干什）ｔ」。这两路信号送入 减法器，同参考信号Ｃ。Ｓ［２。（人一人）ｔ］进行频率相减，得到多普勒频差西人然后由计数 器计数并乘以波长便得到移动距离。由此可见，和单频激光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种 以波长作为标准进行位移测量的精密仪器，所不同的是，前者是可动棱镜移动时，干涉信号介于明 、暗相间的某个直流信号，而后者则是频率为西／的交流信号。４．数据采集的实时补偿由双频激 光的多普勒效应获得的交流信号转换成ＴＴＬ电平后，通过７４Ｆ１９３组成的并行同步集成电路 ，将其数据采集并处理后，实现电视的闭环控制（图３）。因为双频激光测量是以图３闭环调控系 统格目光波长为基准进行测量，所以对波长的稳定性要求很高。环境空气的波动，气压、温度、湿 度的变化均影响空气折射率，即影响光波长的稳定性，其规律符合如图４所示的高斯分布。折射率 ｆ（Ａ）的变化量与气压Ｐ、温度ｔ、湿度ｄ的关系如下：图４波长的变化规律据此，我们设计了 一套波长补偿系统，实现自动补偿，以保证检测系统的分辨率为０．０１Ｐｍｏ５．小结在线测量 系统的研制，是超精密机床能否正常使用的关键。本文在大量分析和设计的基础上提出了新的开放 式体系结构。该系统具有如下特点：（ｌ）将双路双频激光系统用于超精密机床的定位测量，实现 了超精密加工的在线测控；（２）该系统具有良好的扩展功能、广泛的通用性和容纳ＶＬＳＩ技术 飞速发展的能力；（３）该系统采用标准总线结构和Ｆ系列器件，数据处理快，结构紧凑；（４） 为保证光波长的稳定性，研制了光波长自动补偿系统。本文承蒙董申教授帮助，谨表谢意。（编辑 刘淑兰）超精密机床开放式测量系统的研究@房丰洲，袁哲俊，吕晓明，张飞虎，李华$哈尔滨工 业大学测量系统，棱镜，折射率，波长作为重点技术攻关项目，超精密机床的研制关键在于在线检 测系统能否准确地定位测量。本文研究了精密定位测量系统，采用开放式体系结构，因而使系统具 有通用性好、适应性强、采集速度快、结构紧凑的特点，为实现超精密加工奠定了基础。和单频激 光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准进行位移测量的精密仪器，所不同的是， 前者是可动棱镜移动时，干涉信号介于明、暗相间的某个直流信号，而后者则是频率为西／的交流 信号。４．数据采集的实时补偿由双频激光的多普勒效应获得的交流信号转换成ＴＴＬ电平后，通 过７４Ｆ１９３组成的并行同步集成电路，将其数据采集并处理后，实现电视的闭环控制（图３） 。因为双频激光测量是以图３闭环调控系统格目光波长为基准进行测量，所以对波长的稳定性要求 很高。环境空气的波动，气压、温度、湿度的变化均影响空气折射率，即影响光波长的稳定性，其 规律符合如图４所示的高斯分布。折射率ｆ（Ａ）的变化量与气压Ｐ、温度ｔ、湿度ｄ的关系如下 ：图４波长的变化规律据此，我们设计了一套波长补偿系统，实现自动补偿，以保证检测系统的分 辨率为０．０１Ｐｍｏ５．小结在线测量系统的研制，是超精密机床能否正常使用的关键。本文在 大量分析和设计的基础上提出了新的开放式体系结构。该系统具有如下特点：（ｌ）将双路双频激 光系统用于超精密机床的定位测量，实现了超精密加工的在线测控；（２）该系统具有良好的扩展 功能、广泛的通用性和容纳ＶＬＳＩ技术飞速发展的能力；（３）该系统采用标准总线结构和Ｆ系 列器件，数据处理快，结构紧凑；（４）为保证光波长的稳定性，研制了光波长自动补偿系统。本 文承蒙董申教授帮助，谨表谢意。（编辑刘淑兰）超精密机床开放式测量系统的研究@房丰洲，袁 哲俊，吕晓明，张飞虎，李华$哈尔滨工业大学测量系统，棱镜，折射率，波长作为重点技术攻关项目，超精密机床的研制关键在于在线检测系统能否准确地定位测量。本文研究了精密定位测量系统，采用开放式体系结构，因而使系统具有通用性好、适应性强、采集速度快、结构紧凑的特点，为实现超精密加工奠定了基础。
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