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《雷尼紹工業(yè)測頭助力空間研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
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(rèn)知有了新的發(fā)展，一些物理學(xué)家現(xiàn)在開始對慣性和引力質(zhì)量的等效原理提出質(zhì)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(chǎn)專家們開發(fā)出了圓柱形檢測質(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(jié)合。背景對工程師來說，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表面計量工作組的項目主管兼經(jīng)理，DanielHagedorn博士發(fā)現(xiàn)目前的加工技術(shù)仍存在一些局限
2、性：“我們現(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(zhì)量塊，我們需要在整個三維空間達(dá)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(chǎn)十個圓柱形檢測質(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)星檢驗等效原
3、理的普適性。這些質(zhì)量塊每個大約長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(nèi)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(jìn)行加速度測量實驗，以驗證在測量精度達(dá)10-15μm時慣性和引力質(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程制造按照要求的精度水平制造檢測質(zhì)量塊是一個巨大的挑戰(zhàn)。在生產(chǎn)開始之前，工程師們首先需要對執(zhí)行該任務(wù)的刀具進(jìn)行優(yōu)化。如果采用傳統(tǒng)刀具，在對鉑銠合金工
4、件進(jìn)行表面加工時，特別容易出現(xiàn)磨粒磨損現(xiàn)象，這將導(dǎo)致零件的表面光滑度無法達(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(dá)到最初的設(shè)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(zhì)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(guān)鍵位置的尺
5、寸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管采用了高精度夾具裝置且團隊的操作非常謹(jǐn)慎，但是在重復(fù)加工的過程中仍出現(xiàn)了最高達(dá)0.01mm的明顯偏差。為了使整個制程的精度達(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(dāng)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(chǎn)生的不確定性和不準(zhǔn)確性。為此，Hagedorn博士測試了來自不同供應(yīng)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(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這樣的高精度測頭，”他總結(jié)道。OMP400測頭經(jīng)驗證可實現(xiàn)1μm的精度OMP400測頭采
6、用基于應(yīng)變片技術(shù)的測量系統(tǒng)。該測頭能夠?qū)ψ钶p微的觸發(fā)力作出反應(yīng)，其測量精度不受測針復(fù)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(chǎn)生不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。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(dāng)?shù)乃俣冉咏鼫y量位置時，測頭才能獲得可靠的測量結(jié)果。通過將這項技術(shù)與其他幾種測量方法相結(jié)合，他能夠可靠地將測頭的測量重復(fù)精度保持在1μm的范圍內(nèi)。測頭將記錄的測量數(shù)據(jù)以光學(xué)方式（即無需電纜）傳輸至車床工作區(qū)域內(nèi)的接收器
7、。車床數(shù)控系統(tǒng)通過接口接收該信息，將其用于控制和調(diào)整正在進(jìn)行的測量過程。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(jié)果同時傳輸?shù)揭慌_服務(wù)器中，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行評估和存檔。PTB的專家們使用了一系列復(fù)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(biāo)測量機上分別測量了結(jié)果。同時，他們還使用測頭在加工機床上測量了經(jīng)過標(biāo)定的參考工件，并在外部坐標(biāo)測量機上也測量了該工件。團隊將所有的測量結(jié)果進(jìn)行比較以獲
