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1、雷尼紹工業(yè)測頭助力空間研究隨著人類對地球上最小粒子的理論認知有了新的發(fā)展，一些物理學家現(xiàn)在開始對慣性和引力質量的等效原理提出質疑。為了驗證這些新的猜想是否正確，位于不倫瑞克的德國國家計量研究院(PTB)的生產專家們開發(fā)出了圓柱形檢測質量塊，這些質量塊的所有幾何特征的加工精度均達到了2μm至3μm。這一工程成就的實現(xiàn)，則要歸功于來自Benzinger的高精度車床與來自雷尼紹的OMP400測頭的有機結合。背景對工程師來說，如今生產精度達到2μm至3μm的零件已經不是什么難事了。但是，作為PTB表面計量工作組的項目主管兼經理，DanielHagedorn博士發(fā)現(xiàn)目前的加工技術仍存在一些局限性：“我們
2、現(xiàn)有的機器能夠在一或兩個方向上毫無困難地實現(xiàn)2μm至3μm的定位精度，但對于我們的檢測質量塊，我們需要在整個三維空間達到這一高精度—不僅是在每個具體位置，還包括各個平面、圓柱表面和角度”。PTB受委托為法國國家空間研究中心(CNES)生產十個圓柱形檢測質量塊，這些質量塊將用在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的其他合作伙伴一起，利用MICROSCOPE衛(wèi)星檢驗等效原理的普適性。這些質量
3、塊每個大約長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內用于檢測。這種配置可確保兩個圓柱的慣性矩位于同一軸上。PtRh10圓柱作為參照，然后對由不同材料制成的其他圓柱進行加速度測量實驗，以驗證在測量精度達10-15μm時慣性和引力質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程制造按照要求的精度水平制造檢測質量塊是一個巨大的挑戰(zhàn)。在生產開始之前，工程師們首先需要對執(zhí)行該任務的刀具進行優(yōu)化。如果采用傳統(tǒng)刀具，在對鉑銠合金工件進行表面加工時，特別容易出現(xiàn)
4、磨粒磨損現(xiàn)象，這將導致零件的表面光滑度無法達到預期要求。為此，工程師們選擇了經特殊耐蝕處理的金剛石刀具；試制結果證明，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的科學儀器設計團隊的成員Heinz-PeterHeyne和StephanMetschke很快又意識到，只有不間斷地一次性完成整個制造過程（不能中途取下和重新固定工件），精度水平才能達到最初的設計要求。因此，他們選擇在Benzinger的高精度TNIPreciline車床上加工這些空心圓柱。在每個質量塊加工完成后，他們又在將其從車床上取下之前測量了各個關鍵位置的尺寸，結果發(fā)現(xiàn)，盡管采用了高精度夾具裝置且
5、團隊的操作非常謹慎，但是在重復加工的過程中仍出現(xiàn)了最高達0.01mm的明顯偏差。為了使整個制程的精度達到所要求的水平，PTB的專家們需要將高精度測量功能直接集成到加工過程中，這樣做的主要目的，則是消除當分別確定加工過程和測量過程的起始位置時，相互之間可能會產生的不確定性和不準確性。為此，Hagedorn博士測試了來自不同供應商的多套工業(yè)測量解決方案。他重點比較和評估了測量結果的精度和重復性?！拔覀兊慕Y論是，唯一能夠滿足這些標準的解決方案是像雷尼紹OMP400這樣的高精度測頭，”他總結道。OMP400測頭經驗證可實現(xiàn)1μm的精度OMP400測頭采用基于應變片技術的測量系統(tǒng)。該測頭能夠對最輕微的觸
6、發(fā)力作出反應，其測量精度不受測針復位力的影響；同時它最大限度地消除了測量時常見的滯后現(xiàn)象—能夠輕松實現(xiàn)小于5μm的精度。特殊的測量程序可防止由于測頭過快地接觸表面而產生不準確的數據。如果軟件檢測到因測頭振動所引起的干擾，它將命令測頭停止接觸工件或不會記錄測量值。正如Heinz-PeterHeyne所了解的那樣，只有在以適當的速度接近測量位置時，測頭才能獲得可靠的測量結果。通過將這項技術與其他幾種測量方法相結合，他能夠可靠地將測頭的測量重復精度保持在1μm的范圍內。測頭將記錄的測量數據以光學方式（即無需電纜）傳輸至車床工作區(qū)域內的接收器。車床數控系統(tǒng)通過接口接收該信息，將其用于控制和調整正在進行
7、的測量過程。此外，PTB團隊還開發(fā)了一套特殊軟件，能夠讓他們將測量結果同時傳輸到一臺服務器中，以便對數據進行評估和存檔。PTB的專家們使用了一系列復雜的驗證過程來檢驗OMP400測頭和高精度車床組合的最終加工效果。在加工了多個輪廓后，他們在機床和坐標測量機上分別測量了結果。同時，他們還使用測頭在加工機床上測量了經過標定的參考工件，并在外部坐標測量機上也測量了該工件。團隊將所有的測量結果進行比較以獲
