超精密加工是機械製造發展的主要方向之一。超精密加工（gōng）在（zài）元器件製造中是關鍵性技（jì）術。在20 世紀60 年代, 通過使用（yòng）當時（shí）適用（yòng）的精密機床,開始開（kāi）發用於生產高質量的專用機（jī）械或光學元件的技術。整個（gè）70 年代, 該技術用於生產具有高精度、多功能及較低的製造成本的光學元件。到了80 年代, 該技術就更加廣泛地用於（yú）工業（yè）生產, 如製造鋁製掃描鏡和計算機存儲盤的鋁製基片等。超（chāo）精密加工最近的應用是生產光學元（yuán）件, 這種元件具有複雜的形狀, 極高的幾何（hé）精度及表麵質（zhì）量。用鋁基襯片磨光（guāng）X 射線望遠鏡中的鏡麵是對非傳統鏡片坐（zuò）標精度(0. 2 拌m ) 的特殊需求: 直徑在1. s m 以下（xià）時, 圓度要求2 拌m ; 粗糙（cāo）度要求5 n m 。另一個例子是對用於同步加速器軌道發射(S O R )的橢圓（yuán）形鏡麵進行快速切削, 結果是在長度為幾十至上百毫米的高導無氧銅(O F H C co pPe r )上的加工精度為0. 13 拜m 、粗糙度為0. 0 43 拌（bàn）m 。在易碎材料的鏡麵修整方麵, 超精密加工也得到（dào）了極為廣泛的應用。

      超精（jīng）密加工的發展依賴於超精密機床, 因而超精密機床的關鍵部分—精密定位測量係統始終為研（yán）究人員所重視。

1 激光測量係統及其發展

      研製超精密機床, 需要有高精度的測量係統做保證, 特別是（shì）工作台的精密位移（yí）監測對機床加工精度有很大的（de）影響。對於要求微量進給分（fèn）辨率為0. 01 拌m 的刀架溜板來說, 其位移測量（liàng）精度也要達到相應的數量級（jí）, 否（fǒu）則刀（dāo）架溜板的（de）進給量無法觀察、控製, 其進（jìn）給的高分辨率（lǜ）也（yě）就失去了意義。要完（wán）成高精度工作台位移測量, 需要解決（jué）測量原理和測量方法問題。

      作為現代高（gāo）精度位移測量技術, 雙頻激光幹涉儀可以達到納米級的測量分辨（biàn）率, 是理想的（de）高精（jīng）度位移測量係統。

      從（cóng）1 9 60 年激光器出現以來（lái）, 由於它的（de）單色性好, 空間相幹性好, 方向性好和光強大等特點, 很快就成了精密測長的理想光（guāng）源。1 9 6 2 年美（měi）國國家標準局開始利用H e 一N e 激光器作光源進行（háng）測長（zhǎng）試驗。1 9 6 5 年年底至1 9 6 6 年初, 美國國家標準局正式使用激光（guāng）幹涉（shè）儀作為（wéi）l m 刻尺的日常鑒定工具。1 9 6 5 年英國（guó）國家物理實驗室製成1 台H e -N e 激光幹涉儀, 頻率穩定性達到2 又10 一“ , 測（cè）量（liàng）精度（dù）為0. 25 拜m , 在15 m in 內就能自動檢完毫米間隔的標準米尺。1 9 6 5 年8 月, 美國T o ling a ndPr od uc ti on 雜誌報道激光幹涉儀（yí）開始投入現場,量程（chéng）達s m , 精度為0. 5 產m 。

       1 9 6 5 年, 繼Z e e m a n 雙頻激光問世之後, Pol an yi 等人首（shǒu）先（xiān）提出了雙頻激光（guāng）幹涉儀— 交流幹涉儀。 由於（yú）雙頻激光幹涉（shè）儀是采用外差幹涉測量原理, 把（bǎ）被測的位移信息加在一（yī）個交（jiāo）流載波上, 因此光（guāng）電接收（shōu）器接收到的是一個交（jiāo）流載波信號（hào）, 信噪比高。而接收的信號由單（dān）頻激光（guāng）器調幅信（xìn）號變成了（le）調頻信號, 故可實現高分辨率測量。

      隨著激光測長技術的不（bú）斷發展（zhǎn）, 1 9 6 9 年《菲利浦技術期刊》上最早介（jiè）紹了雙頻激（jī）光幹涉儀, 到1 9 7 0 年H ew le tt 一P a e k a r d 公司相繼生產了雙頻的5 5 0 0 A型和5 5 2 5 A 型激光幹涉儀, 投入市（shì）場。該產品采用外差法和（hé）多普勒效應計算條紋, 是（shì）一（yī）般的單頻（pín）幹涉儀的進一步發展。20 多年來各國都在研製開發雙（shuāng）頻激（jī）光幹涉測量係統, 美、英、日等國都有了（le）自己的產品。

       產水平和技術指（zhǐ）標還有待進一（yī）步提高（gāo）。

2 單頻和雙頻激光測量係統（tǒng）性（xìng）能的比較

      雙（shuāng）頻（pín）激光測量與單頻激光測量的不同處在（zài）於（yú）, 雙頻激光測量是交流係統而不是直流係統, 因而（ér）可以從根本上解決影響（xiǎng）測量係統可靠性的直流漂移問題。雙頻（pín）測量係統抗振性強, 不需要預熱時間, 不怕空氣湍流的幹擾, 而空（kōng）氣湍流幹擾正是造成（chéng）激光幹涉儀不良性能（néng）的最普遍的（de）原因。

     圖ia 表示當可動反光鏡移動時, 單頻直流測量係統光電接收器的輸（shū）出。這時光強（qiáng）環繞著計數器的觸發電平起伏變（biàn）化。如果光束強度的變化（huà）不（bú）正常或電源強度發生（shēng）變化, 光電（diàn）接收器的輸出就有可能（néng）超（chāo）越不過觸發電平, 如圖lb 所示。因此, 強度的變化可以使計數器的工作停止, 直到觸發電平調整以（yǐ）後, 計數器才能恢複工作。上述強度變化的原因, 一是激光器的衰老, 但更為常見的原因是空氣湍流的幹擾, 使光束偏移或使其波麵扭曲。對於時限較長的（de）強度變化, 可以用調整觸發電平的辦法去克（kè）服（fú）, 但在現場（chǎng）使用的不利大（dà）氣條件下, 光束強度的迅速變化, 任何觸發電平調整的自動化都解決不了問（wèn）題。

      雙頻係統的優越性在於其距離信號（hào）是（shì）由（yóu）交（jiāo）流載波傳遞而不是由直流波型傳遞的。交流放大器不同於（yú）直流（liú）放（fàng）大器, 它不（bú）受輸入直流電平變化的影響。雙頻激光測量無須進行周期性（xìng）的電平調整,不存在調整光強和觸發閩的問題。

      另外, 單頻激光測量隻（zhī）允許50 % 的信號（hào）損失, 雙頻激光測量則可允許信號損失達95 %。

3 超精密（mì）機床激（jī）光測量係統

      高精度的激光幹涉測量係統（tǒng）是精（jīng）密（mì）位移測量的決定因素。為（wéi）了滿足超精密機床定位測量精（jīng）度（dù）的要求, 各國都在研究激光幹涉測量係統（tǒng）的精度影響（xiǎng）因素, 以及如（rú）何（hé）保證激光幹涉（shè）測量係統在超精密機床的位移監測中達到固有的精度指標。目前, 在超精密機床研製方麵水平最高的是美國, 美國L L N L 國家實（shí）驗室、M or e 、V ni on C ar-bid e 、Pn e u m o Pr e e ision 等公司（sī）均在超精密機床研製與開發方麵做出了卓有成效的工作。美國國防部高等研（yán）究計劃（huá）局（jú）(D A R PA )投（tóu）資1 30 0 萬美元由（yóu）L L N L 實驗（yàn）室於1 9 8 3 年7 月研製成功的L O D T M 大型（xíng）超精密機床, 其激光（guāng）幹涉測（cè）量係統見圖2 [ , 〕, 可加（jiā）工小i 6 2 5 m m 義s o o m m 、重1 36 o k g 的工件。該機（jī）床采用高壓液體靜壓主軸, 剛度大, 動態性能好。為實現超精密位（wèi）置的（de）確定,采用了精（jīng）密數字伺服方式, 控製部分為內（nèi）裝式C N C 裝置和幹涉測量係統, 以保證隨機（jī）測量定（dìng）位。為了實現刀具的微量進給, 在IX 二伺服機構內裝有壓（yā）電式（shì）微位移機構, 可實現（xiàn）納米級微（wēi）位移（yí）。該機床采用恒溫油淋浴係統（tǒng）, 油溫控製在20 士（shì）S X l o 一喀℃ , 消除了加工（gōng）的熱變形。還采用（yòng）了壓電晶體誤差補償技術, 使加工精度達到0. 0 25拜m。該機床可（kě）用於加工激光核聚變工程的零件、紅（hóng）外（wài）線裝（zhuāng）置用零件以及（jí）大型天體望遠鏡（jìng）零件, 可加工平麵、球麵及非球麵, 是世界公認的當今最高水平的超精密車床。

      英國G IT 技術學院所屬的CU P E 精密工程研（yán）究所以其紮實的基（jī）礎技術（shù）研究、卓越的研究成果（guǒ）和超群（qún）的開發能力（lì）而享有較（jiào）高的（de）聲譽, 它是當今世界上精密工（gōng）程的研究中心之一。

      C U P E 成（chéng）立於1 9 68 年, 在成立初期到70 年代末期, 該所主要從事精密加工機床、精密（mì）測量儀器（qì）及相關基（jī）礎技、術的研究、設計和發（fā）展。進（jìn）入80 年代後, 該所以其在70 年代積累起（qǐ）來的基礎研究成（chéng）果和設備, 對超精密加（jiā）工、超精密測量技術進行了大量（liàng）研究和開發。今天（tiān）C U PE 主要從事納米技術、超精密計量技（jì）術（shù）及相關的機器子係統的（de）基（jī）礎研究（jiū）。為了將（jiāng）C U PE 的研究（jiū）成果迅速轉化成（chéng）商品, 滿足世界各地用（yòng）戶對（duì）C U PE 產品日益增長的需求, 1 9 8 7 年在（zài）CU PE 的基礎上成立了C PE 精密工程有限公司,它擁有一個當今世界上最現代化的安裝與測試實驗室。除擁有各種先（xiān）進設備外, 該實驗室為恒溫控製, 且為全封閉式, 7 天內（nèi）室溫變化可控（kòng）製在（zài）1 ℃內。另外, C P E 還有一個超精密加工實驗室, 為超淨室, 其室溫被控製在士0. 1 ℃ 內。這個實驗室裝備（bèi）有多台超精密金剛石車（chē）床, 其中（zhōng）一台用於（yú）加工大型非常（cháng）規光學零件的車床是世界上3 台精度最高的超精密機床之一。

      日本近年來花費大量人力物（wù）力, 開發、研究並生產超精密機床。日本光學、豐田工機、東芝機械、日立精工等公司在中（zhōng）小（xiǎo）型超精（jīng）密機床方（fāng）麵已達（dá）到很高水平。但在大型超精密機床方麵落後（hòu）於歐美,有關方麵正疾（jí）呼以期趕超歐美（měi）。圖3 為日本光學公司的L of so r 一G T M 型機床測量係（xì）統示意圖。

      上述超精密機床中最重要的問題（tí）是超精密位置的確（què）定技術。實現精密定位測量任務的測量方法首推（tuī）雙頻激光測量係統。為了實現機床縱（zòng）向和橫向進（jìn）給的（de）同時監測, 在我們新研製的超精密機床上采用了雙路雙頻激光測量係統, 如圖4 所

示（shì）[’]。這一方案（àn）的提出, 在我國尚屬首次。該係統的測控（kòng）結構如圖5 所示。由（yóu）雙頻激光的多普勒效應獲得的交流（liú）信號轉換成脈衝後, 通過74 F 1 93集成電路轉換成並行量, 經數據（jù）處理（lǐ）後, 實現電機的閉環控製。

      因（yīn）為雙頻激光測量是以光波長為基準進行的, 所以對波長的穩定性要求很高。環境（jìng）空氣的波動, 氣壓、溫度、濕度的變（biàn）化均影（yǐng）響空氣（qì）折射率, 即影響光的波長穩定性。折射率的變化量（liàng）

      據此, 我們設計了一套波長（zhǎng）補償係統（tǒng）, 實現自動（dòng）補償（cháng）, 以保證檢測係統的分辨率為0. 01 拜m。為使係統（tǒng）硬件擴充（chōng）和更換方便, 采用了模塊式結構,級板聯接（jiē）為S T D 標準總線。同時（shí）采用多層（céng）布線以使機械結構緊湊, 布局合理。數據（jù）采集係統采用通用G P 一IB 總線與主（zhǔ）機通（tōng）訊, 使檢測係統的（de）接口實現標準化。