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）在元（yuán）器件製造中是關鍵性（xìng）技術。在20 世紀60 年代, 通過使用當時（shí）適用（yòng）的精密機床,開始開發用於生產高質量的專用機械或光學元件的技術。整個70 年代, 該（gāi）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工業生產, 如製造鋁製掃描鏡和計算機存儲盤的鋁（lǚ）製（zhì）基片等（děng）。超精密加工最近的應用是生（shēng）產光學元件, 這種元件具有複雜（zá）的形狀, 極高的幾何精度及表麵質量。用鋁基襯片磨光X 射線望遠鏡中的鏡麵是對非傳統鏡片坐標（biāo）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 ; 粗糙度要求5 n m 。另一個例子是對用於同步（bù）加速器軌道發射(S O R )的橢圓形鏡麵進行快速（sù）切削, 結果是在長度為幾十至上百毫米的（de）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m 。在易碎材料的鏡麵修（xiū）整方麵, 超精密加工也得到了極為廣泛的應用。

      超精密加（jiā）工的發展依賴（lài）於超精密機床, 因而超精密機（jī）床的關鍵部分—精密定位（wèi）測量（liàng）係統始終（zhōng）為研究人員所重視。

1 激光測量係統及其發展（zhǎn）

      研（yán）製超精密機床, 需要有高精（jīng）度的（de）測量係統做保證, 特別是工（gōng）作台的精密位移監測對機床加工（gōng）精度有很大的影響（xiǎng）。對於要求微量進給分辨率為0. 01 拌（bàn）m 的刀架溜板來說, 其（qí）位移測量精度也要達到相應的數量級, 否則刀架溜板的進給量無法（fǎ）觀察、控製, 其進給（gěi）的高分辨率也就失去了意義。要完成高精度工作台位（wèi）移測（cè）量, 需要（yào）解決測量原理和（hé）測（cè）量方法問題。

      作為現代（dài）高精度位移測量技術, 雙頻激光幹涉儀可（kě）以（yǐ）達到納米級的測量分辨率, 是理想的高（gāo）精度位移測量係統。

      從1 9 60 年激光（guāng）器出現以來, 由於它的單色性好, 空間相幹性好, 方向性好和光強大等特點, 很快就成了精密（mì）測（cè）長的理想（xiǎng）光（guāng）源（yuán）。1 9 6 2 年美（měi）國國家標準局開始（shǐ）利用H e 一N e 激光器作光源（yuán）進行測長試驗。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幹涉儀作為（wéi）l m 刻尺（chǐ）的（de）日（rì）常鑒定工具。1 9 6 5 年（nián）英國國家物理實驗室製成1 台H e -N e 激光幹涉（shè）儀, 頻率穩定性達到2 又10 一“ , 測量精度為0. 25 拜m , 在15 m in 內（nèi）就能（néng）自（zì）動檢完毫米間隔的標準米尺。1 9 6 5 年（nián）8 月, 美國（guó）T o ling a ndPr od uc ti on 雜誌（zhì）報道激（jī）光幹涉儀開始投（tóu）入現場,量程達s m , 精度為0. 5 產（chǎn）m 。

       1 9 6 5 年, 繼Z e e m a n 雙頻激光問世之後（hòu）, Pol an yi 等人首先提出了雙頻激光（guāng）幹涉儀— 交（jiāo）流幹涉儀。 由於雙頻激光幹（gàn）涉（shè）儀是采用（yòng）外差幹（gàn）涉測量原理, 把被測（cè）的位移信息加在一（yī）個交流載波上, 因此光電接收器（qì）接收到的是一個交流載波信號, 信（xìn）噪比高。而接收的信號由單頻激光器調幅信號變成了（le）調頻信號, 故可實現高（gāo）分辨率（lǜ）測（cè）量。

      隨著激光測（cè）長（zhǎng）技術的不斷發展（zhǎn）, 1 9 6 9 年《菲利浦技術期刊》上最早介紹了雙頻激光幹涉儀, 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（le）雙頻的5 5 0 0 A型和5 5 2 5 A 型激光幹涉儀, 投入市場。該產品采用外差法和多普勒效應計算條（tiáo）紋, 是一（yī）般的單頻幹涉儀的進一步發展。20 多年來各國都在（zài）研製（zhì）開發雙頻激光幹涉測量係統, 美、英、日等國都有（yǒu）了自己的產品。

       產水平和技術指標還有待進一步提高。

2 單頻和雙頻激光測（cè）量係統性能的比較

      雙（shuāng）頻激光測量與單頻激（jī）光測量的（de）不同（tóng）處在於, 雙頻激光測量（liàng）是交流係統而不是直流係統, 因而可以從根本上（shàng）解決（jué）影響測（cè）量係統可靠性的直流漂移問題。雙頻測量係統抗振性（xìng）強, 不需要預熱時間（jiān）, 不（bú）怕空氣湍流的幹擾, 而空氣湍流幹擾正是造成激光幹涉儀（yí）不良性能的最普遍的原因。

     圖ia 表示當（dāng）可動反光鏡移動時, 單頻直流測量係統光電接收器的輸出。這時光強環繞著計數器的觸發電（diàn）平起伏變化。如果光束強度（dù）的變化（huà）不正常或電源強度發生變化, 光電接收器的輸出就有可能超越（yuè）不過觸發電平, 如圖lb 所示。因此（cǐ）, 強度的變化可以使計數器的工（gōng）作停止, 直到觸發電平（píng）調整以後, 計數器才能恢複工作（zuò）。上（shàng）述強度變化的原因, 一是激（jī）光器的衰老, 但更為（wéi）常見的原因是空氣湍流的幹擾, 使光束偏移（yí）或（huò）使其波麵扭曲。對於時限較長的強度變化, 可以用調整觸發電平的辦法（fǎ）去（qù）克服, 但（dàn）在現場使用的不利（lì）大氣條件下, 光束強度的迅速變（biàn）化, 任何觸（chù）發電平調（diào）整（zhěng）的自動化都解決不（bú）了問題。

      雙頻係統的優越（yuè）性在於其距離信號是由（yóu）交流載波傳遞而不是由直流波型傳遞（dì）的。交流放大器不同於直流放大器（qì）, 它不受（shòu）輸入直流電平變化的影響。雙頻激光測量無須進行周期性的電平調整,不存在調整光（guāng）強和觸發（fā）閩的問題。

      另外, 單（dān）頻激光（guāng）測量隻允許50 % 的信號損失, 雙頻激光測量則可允（yǔn）許信號損失達95 %。

3 超精密機床激光測量係統

      高精（jīng）度（dù）的激光幹涉測量係統是精密位移測量的決（jué）定因（yīn）素。為（wéi）了滿足超精密機床定（dìng）位測量精度的要求, 各國都在研究激光幹（gàn）涉測量係統的精度影響因素, 以及如何保證激（jī）光幹涉測量係統在超精密機（jī）床的位移監測（cè）中（zhōng）達到固有的精度（dù）指標。目前, 在超精密機（jī）床研製方麵水平最高的是美國, 美國L L N L 國家實驗室、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（zhì）與開發方麵做出了卓有成效的（de）工作。美國國防部高等（děng）研究計劃局(D A R PA )投資1 30 0 萬（wàn）美元（yuán）由L L N L 實驗室於（yú）1 9 8 3 年7 月研製成功的L O D T M 大型超精密機床（chuáng）, 其激光幹涉測量係（xì）統見圖2 [ , 〕, 可加（jiā）工（gōng）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（gāng）度大, 動態性能好。為實現超精密位置的確定,采（cǎi）用了精密數字伺服方式, 控（kòng）製部分為內裝（zhuāng）式C N C 裝置（zhì）和幹涉測量係統, 以保證（zhèng）隨機測量定位。為了實現刀具的微量進給, 在IX 二伺服機構（gòu）內裝有壓電式微位移機構, 可實現納米級微位移。該機床采用恒溫（wēn）油淋浴係統, 油溫控製（zhì）在20 士（shì）S X l o 一喀（kā）℃ , 消除了加工的熱（rè）變形。還采用了壓電晶體誤差補償技術, 使加工精（jīng）度達到0. 0 25拜m。該機床可用於加工激（jī）光（guāng）核（hé）聚變工程的零件、紅外線裝置用零件以及大型天體望遠鏡零件, 可加工平麵、球麵及非球麵, 是世界（jiè）公認的當今最高水平的超精（jīng）密車床。

      英國G IT 技術學院所屬的CU P E 精密工程研究所以其紮實的基礎技術研究、卓越的研（yán）究成果和超群的開發能力（lì）而享有較高的聲譽, 它是當（dāng）今世（shì）界上精密工程的研（yán）究中心之一。

      C U P E 成立於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、精密測量儀器及相關基礎技、術的研究、設計和發展（zhǎn）。進入80 年代後, 該所以其（qí）在70 年代積累起來的基礎研究成果和設備, 對超精密加工、超精密測量技術進行了大量研究和開發。今天（tiān）C U PE 主要從事納米（mǐ）技術、超精密計量技術及相關的機器子係統的基礎研（yán）究。為了將C U PE 的研究成果迅速轉化成商品（pǐn）, 滿足（zú）世界各地用戶對C U PE 產品（pǐn）日益增（zēng）長的需求, 1 9 8 7 年在CU PE 的基礎上（shàng）成立了C PE 精密工程有限公司,它擁有一個當今世（shì）界上最現（xiàn）代化的安裝與測試實驗室。除擁（yōng）有各種先（xiān）進設備外, 該實驗室為恒溫控（kòng）製, 且為全封閉式, 7 天內室溫變化可控製在1 ℃內。另（lìng）外, C P E 還有一個（gè）超精密（mì）加工實驗室, 為超淨室, 其室溫被控（kòng）製在士0. 1 ℃ 內。這個實驗室裝備有多台超精密（mì）金剛石車床, 其中一（yī）台用（yòng）於加工大型非常規光（guāng）學零（líng）件的車床是世界上3 台精度（dù）最高的超精密機床之一。

      日（rì）本近年來花費（fèi）大量人力物力（lì）, 開發、研究並生產超精密機床。日本光學、豐田工（gōng）機（jī）、東芝機械（xiè）、日（rì）立精工等公司在中小型超（chāo）精密機床方麵已（yǐ）達到很高水平。但在大型（xíng）超精密機床方麵落（luò）後於歐美,有關方麵正（zhèng）疾呼以期趕超歐美。圖（tú）3 為日本光學公（gōng）司的L of so r 一G T M 型機床測量係統示意圖。

      上述超精密機床中最重要的問題是超精密位置的確定技術。實現精密定位測量任務的測量方法首推雙頻激光（guāng）測量係統。為了實現機床縱向和橫向（xiàng）進給的同時監測, 在我們新研製的超（chāo）精密機床（chuáng）上采用了雙路雙頻激光測量係統, 如圖4 所

示[’]。這一方案的提出, 在我國尚屬首次（cì）。該係統的測控結構如圖5 所示。由雙頻激光（guāng）的多普勒效（xiào）應獲得的交流信號轉換成脈衝後, 通過74 F 1 93集成電路轉換成並行量, 經數（shù）據處理後（hòu）, 實現電機的閉環控製。

      因為雙頻激光測量（liàng）是以光波長為基準進行的, 所以對波（bō）長的穩定性要求很高。環境空氣（qì）的波（bō）動, 氣壓、溫（wēn）度、濕度的（de）變化均影響空氣折（shé）射率, 即影響光的（de）波長（zhǎng）穩定性。折射率（lǜ）的變化量（liàng）

      據此, 我（wǒ）們設計了一套波長補償係統, 實現自動補償, 以保證檢測（cè）係統的分辨率為0. 01 拜m。為使係（xì）統硬件擴充和更換方便, 采用了模塊式（shì）結構（gòu）,級板聯接為S T D 標準總線。同時（shí）采用（yòng）多層（céng）布線以使機械結構（gòu）緊湊, 布局合理。數據采集係統采用通用G P 一（yī）IB 總線（xiàn）與主機通訊, 使檢測係統的接口實現標準化。