雷尼紹工業(yè)測(cè)頭助力空間研究

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1、雷尼紹工業(yè)測(cè)頭助力空間研究隨著人類對(duì)地球上最小粒子的理論認(rèn)知有了新的發(fā)展，一些物理學(xué)家現(xiàn)在開(kāi)始對(duì)慣性和引力質(zhì)量的等效原理提出質(zhì)疑。為了驗(yàn)證這些新的猜想是否正確，位于不倫瑞克的德國(guó)國(guó)家計(jì)量研究院(PTB)的生產(chǎn)專家們開(kāi)發(fā)出了圓柱形檢測(cè)質(zhì)量塊，這些質(zhì)量塊的所有幾何特征的加工精度均達(dá)到了2μm至3μm。這一工程成就的實(shí)現(xiàn)，則要?dú)w功于來(lái)自Benzinger的高精度車床與來(lái)自雷尼紹的OMP400測(cè)頭的有機(jī)結(jié)合。背景對(duì)工程師來(lái)說(shuō)，如今生產(chǎn)精度達(dá)到2μm至3μm的零件已經(jīng)不是什么難事了。但是，作為PTB表面計(jì)量工作組的項(xiàng)目主管兼經(jīng)理，DanielHagedorn博士發(fā)現(xiàn)目前的加工技術(shù)仍存在一些局限性：“我們

2、現(xiàn)有的機(jī)器能夠在一或兩個(gè)方向上毫無(wú)困難地實(shí)現(xiàn)2μm至3μm的定位精度，但對(duì)于我們的檢測(cè)質(zhì)量塊，我們需要在整個(gè)三維空間達(dá)到這一高精度—不僅是在每個(gè)具體位置，還包括各個(gè)平面、圓柱表面和角度”。PTB受委托為法國(guó)國(guó)家空間研究中心(CNES)生產(chǎn)十個(gè)圓柱形檢測(cè)質(zhì)量塊，這些質(zhì)量塊將用在CNES發(fā)射的一顆名為MICROSCOPE(Micro-Satelliteàtra?néeCompenséepourl'ObservationduPrinciped'Equivalence)的300kg重的小衛(wèi)星上。CNES將與包括歐洲航天局在內(nèi)的其他合作伙伴一起，利用MICROSCOPE衛(wèi)星檢驗(yàn)等效原理的普適性。這些質(zhì)量

3、塊每個(gè)大約長(zhǎng)80mm；較大圓柱的外徑為70mm，而較小圓柱的外徑只有35mm。這些圓柱采用鉑銠合金(PtRh10)和鈦鋁釩合金(TiAl4V6)制成，以同心方式放入差分加速度計(jì)內(nèi)用于檢測(cè)。這種配置可確保兩個(gè)圓柱的慣性矩位于同一軸上。PtRh10圓柱作為參照，然后對(duì)由不同材料制成的其他圓柱進(jìn)行加速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證在測(cè)量精度達(dá)10-15μm時(shí)慣性和引力質(zhì)量的等效原理是否依然成立。在單一、不間斷制程中完成從坯件到成品的全過(guò)程制造按照要求的精度水平制造檢測(cè)質(zhì)量塊是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在生產(chǎn)開(kāi)始之前，工程師們首先需要對(duì)執(zhí)行該任務(wù)的刀具進(jìn)行優(yōu)化。如果采用傳統(tǒng)刀具，在對(duì)鉑銠合金工件進(jìn)行表面加工時(shí)，特別容易出現(xiàn)

4、磨粒磨損現(xiàn)象，這將導(dǎo)致零件的表面光滑度無(wú)法達(dá)到預(yù)期要求。為此，工程師們選擇了經(jīng)特殊耐蝕處理的金剛石刀具；試制結(jié)果證明，這類刀具能夠可靠地加工出高光滑度的零件表面，其精度優(yōu)于0.2μm。然而，PTB的科學(xué)儀器設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的成員Heinz-PeterHeyne和StephanMetschke很快又意識(shí)到，只有不間斷地一次性完成整個(gè)制造過(guò)程（不能中途取下和重新固定工件），精度水平才能達(dá)到最初的設(shè)計(jì)要求。因此，他們選擇在Benzinger的高精度TNIPreciline車床上加工這些空心圓柱。在每個(gè)質(zhì)量塊加工完成后，他們又在將其從車床上取下之前測(cè)量了各個(gè)關(guān)鍵位置的尺寸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管采用了高精度夾具裝置且

5、團(tuán)隊(duì)的操作非常謹(jǐn)慎，但是在重復(fù)加工的過(guò)程中仍出現(xiàn)了最高達(dá)0.01mm的明顯偏差。為了使整個(gè)制程的精度達(dá)到所要求的水平，PTB的專家們需要將高精度測(cè)量功能直接集成到加工過(guò)程中，這樣做的主要目的，則是消除當(dāng)分別確定加工過(guò)程和測(cè)量過(guò)程的起始位置時(shí)，相互之間可能會(huì)產(chǎn)生的不確定性和不準(zhǔn)確性。為此，Hagedorn博士測(cè)試了來(lái)自不同供應(yīng)商的多套工業(yè)測(cè)量解決方案。他重點(diǎn)比較和評(píng)估了測(cè)量結(jié)果的精度和重復(fù)性?！拔覀兊慕Y(jié)論是，唯一能夠滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的解決方案是像雷尼紹OMP400這樣的高精度測(cè)頭，”他總結(jié)道。OMP400測(cè)頭經(jīng)驗(yàn)證可實(shí)現(xiàn)1μm的精度OMP400測(cè)頭采用基于應(yīng)變片技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)頭能夠?qū)ψ钶p微的觸

6、發(fā)力作出反應(yīng)，其測(cè)量精度不受測(cè)針復(fù)位力的影響；同時(shí)它最大限度地消除了測(cè)量時(shí)常見(jiàn)的滯后現(xiàn)象—能夠輕松實(shí)現(xiàn)小于5μm的精度。特殊的測(cè)量程序可防止由于測(cè)頭過(guò)快地接觸表面而產(chǎn)生不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。如果軟件檢測(cè)到因測(cè)頭振動(dòng)所引起的干擾，它將命令測(cè)頭停止接觸工件或不會(huì)記錄測(cè)量值。正如Heinz-PeterHeyne所了解的那樣，只有在以適當(dāng)?shù)乃俣冉咏鼫y(cè)量位置時(shí)，測(cè)頭才能獲得可靠的測(cè)量結(jié)果。通過(guò)將這項(xiàng)技術(shù)與其他幾種測(cè)量方法相結(jié)合，他能夠可靠地將測(cè)頭的測(cè)量重復(fù)精度保持在1μm的范圍內(nèi)。測(cè)頭將記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)以光學(xué)方式（即無(wú)需電纜）傳輸至車床工作區(qū)域內(nèi)的接收器。車床數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)接口接收該信息，將其用于控制和調(diào)整正在進(jìn)行

7、的測(cè)量過(guò)程。此外，PTB團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一套特殊軟件，能夠讓他們將測(cè)量結(jié)果同時(shí)傳輸?shù)揭慌_(tái)服務(wù)器中，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估和存檔。PTB的專家們使用了一系列復(fù)雜的驗(yàn)證過(guò)程來(lái)檢驗(yàn)OMP400測(cè)頭和高精度車床組合的最終加工效果。在加工了多個(gè)輪廓后，他們?cè)跈C(jī)床和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上分別測(cè)量了結(jié)果。同時(shí)，他們還使用測(cè)頭在加工機(jī)床上測(cè)量了經(jīng)過(guò)標(biāo)定的參考工件，并在外部坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上也測(cè)量了該工件。團(tuán)隊(duì)將所有的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較以獲