超精密加工是機械製造發展的主要方向之（zhī）一。超精（jīng）密加工在元器件製（zhì）造中是關鍵性技術。在20 世紀60 年代, 通過使用當時適用的精密機床（chuáng）,開始開（kāi）發用（yòng）於生產高質量的專用機械或光學元件的技術。整個70 年代, 該技（jì）術用於生產具有高（gāo）精（jīng）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（zào）鋁製掃描鏡和計算機存儲盤的鋁製基片等。超精密加工最近（jìn）的應用是生產光學元件, 這種元件具有複（fù）雜的（de）形狀, 極高的幾何精度及表（biǎo）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精度(0. 2 拌m ) 的特殊需求: 直徑在1. s m 以（yǐ）下時, 圓度要求2 拌m ; 粗糙度要求5 n m 。另一個例子是對用（yòng）於同步（bù）加速（sù）器軌道發（fā）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（shàng）百毫米的（de）高導無（wú）氧銅(O F H C co pPe r )上的加工精度為0. 13 拜（bài）m 、粗糙度為0. 0 43 拌m 。在易碎材料的鏡麵修整方（fāng）麵（miàn）, 超精密加工也得到（dào）了（le）極（jí）為廣泛的應用。

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

1 激光測（cè）量（liàng）係統及其發展

      研製超精密機（jī）床, 需要（yào）有高精度（dù）的測量係統做保證, 特別是工作台的精（jīng）密位移監測對機床加工精度有很大的影響。對於要求微量進給分辨率為0. 01 拌m 的刀架溜板來說, 其位移測量精度也要達到相應的數（shù）量（liàng）級, 否則刀架溜板（bǎn）的進給量無法觀察、控製, 其進給的高分辨率也就（jiù）失（shī）去了意義。要完成高精度工作台位移測量, 需要解決測量原（yuán）理和測量方法問題。

      作為現代高精度（dù）位移（yí）測量技術, 雙頻激光幹涉儀可以達到納米級的測量分（fèn）辨率, 是理想的高精度位移測量係統。

      從1 9 60 年激光器出現以來, 由於它的單色（sè）性好, 空（kōng）間相（xiàng）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源。1 9 6 2 年美國國家標準局（jú）開始利用H e 一（yī）N e 激光器作光源進行測長（zhǎng）試驗。1 9 6 5 年年底至1 9 6 6 年（nián）初, 美國國家標準局正式使用激光幹涉儀作為l m 刻尺（chǐ）的日常鑒定工具。1 9 6 5 年英國國家物理實驗室製成1 台H e -N e 激光幹（gàn）涉儀, 頻率穩定性達到2 又10 一“ , 測量（liàng）精度為0. 25 拜m , 在15 m in 內就能自動（dòng）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開始投入現場,量程達s m , 精（jīng）度為（wéi）0. 5 產m 。

       1 9 6 5 年（nián）, 繼Z e e m a n 雙頻激光問世之後, Pol an yi 等人首先提出了雙頻激光（guāng）幹涉儀— 交流（liú）幹涉儀。 由於雙頻激光幹涉（shè）儀是采用外差幹涉（shè）測量原理, 把被測的位移信息加在一（yī）個交流（liú）載波上, 因此光電接收器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（guāng）器調幅信號變（biàn）成了調頻信號, 故可實（shí）現（xiàn）高分辨率測量。

      隨著激光測長技（jì）術的不斷發展, 1 9 6 9 年《菲利浦技術期刊》上最早介紹了雙（shuāng）頻激（jī）光幹涉儀, 到（dào）1 9 7 0 年H ew le tt 一（yī）P a e k a r d 公司相繼生產了雙（shuāng）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（duō）普勒效應計算條紋, 是一般的單頻幹涉儀的進一步發展。20 多年來各國都在研製開發雙頻激光（guāng）幹涉測量係統, 美、英、日等國都（dōu）有了自己的產品。

       產水平和技術（shù）指標還有待進一步提（tí）高。

2 單（dān）頻和雙頻激光測量係統性能的比（bǐ）較

      雙頻激光測量與單頻激光測量的不同處在於, 雙頻激光測量是交流係統而不是直流係統, 因而可以從根（gēn）本上解決（jué）影響測量係統可靠性的直流漂移問題。雙頻測量係統抗振性強, 不需要預熱（rè）時間, 不怕空氣湍流的幹擾, 而空氣湍流幹擾正是造成激光（guāng）幹涉儀不良（liáng）性能的最普遍的原因。

     圖ia 表示當可動反光鏡移動時（shí）, 單頻直（zhí）流測量（liàng）係統光電接收器的輸出。這時光強環繞（rào）著計數器的觸發電平起伏（fú）變（biàn）化。如果光束強度的變化不正常或電源強度發生變化, 光電接收（shōu）器的輸出就（jiù）有可能超越不過觸發電平, 如（rú）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後, 計數器才能（néng）恢（huī）複工作。上述強度變化的原（yuán）因, 一是激光器的衰老, 但更為常（cháng）見的原因是空氣湍流的幹擾, 使光束偏移或使（shǐ）其波麵扭（niǔ）曲。對於時限（xiàn）較長的強度變化, 可以用調整觸發電平的辦法去克（kè）服, 但在現場使（shǐ）用的不利大氣條件下, 光束強度的迅速變化, 任何（hé）觸發電平調整的自（zì）動化都（dōu）解決不了問（wèn）題（tí）。

      雙頻係統的優越（yuè）性在（zài）於其距離信號是由交流載波傳遞而不是由直流波型傳遞的。交流放（fàng）大器不同於直流（liú）放大（dà）器, 它不受輸入直流（liú）電平變化的影響。雙頻激光測量（liàng）無須進行周期性的電平（píng）調（diào）整,不存在調整光強和（hé）觸發（fā）閩的問題。

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

3 超精密機床激光測量係統

      高精度的激光幹涉測（cè）量（liàng）係統是精密位移測量的決定因素。為了滿足超精密機床定（dìng）位（wèi）測量精度的要（yào）求, 各國都在研究激光幹涉測量（liàng）係統的精度影（yǐng）響因素, 以及如何保證激光幹（gàn）涉測量係統在超精密機床的位移監測中達到固有的精度指（zhǐ）標。目前, 在超精密機床研（yán）製方麵水平（píng）最高的是（shì）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 等公司均在超（chāo）精密機床研製與開發方麵做出了卓（zhuó）有成效（xiào）的工作（zuò）。美國國防部高等研（yán）究計劃局(D A R PA )投資1 30 0 萬美元由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 大型超精（jīng）密機（jī）床, 其（qí）激光（guāng）幹涉測量係統（tǒng）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。該機床采用高壓液體靜壓主軸, 剛度大, 動態性能好。為實現（xiàn）超精密位置的確定（dìng）,采用了精密數（shù）字（zì）伺服（fú）方式, 控製部分為內裝式C N C 裝置和（hé）幹涉測量係統（tǒng）, 以（yǐ）保證隨機測量定位。為了實現刀具的微（wēi）量進給, 在IX 二（èr）伺服機構內（nèi）裝有壓電式微（wēi）位移（yí）機構（gòu）, 可實現納米級微位移。該機床采用恒溫油淋浴係統, 油溫控製（zhì）在20 士S X l o 一喀（kā）℃ , 消除了加工的（de）熱變形。還（hái）采用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（jī）床可用（yòng）於加工激光核聚變工程的零件、紅外線裝置用（yòng）零（líng）件以（yǐ）及大型天體望遠鏡零件, 可加工（gōng）平麵、球麵及非球（qiú）麵, 是世（shì）界公認的（de）當今最高水平的超精密車（chē）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（chǔ）技術研究、卓越的研究成（chéng）果和超群的開發能力而享有較高的聲譽, 它是當今世界上精密工程的研究中心之（zhī）一。

      C U P E 成立於（yú）1 9 68 年, 在成立初期（qī）到70 年代末期（qī）, 該所（suǒ）主要從事精密加工機（jī）床、精（jīng）密測（cè）量（liàng）儀器及相關基礎技、術的研究、設計和發展。進入80 年代後, 該所以其在（zài）70 年代積累起來的基礎研（yán）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（jiū）和開發。今天C U PE 主要從事納米（mǐ）技術、超精（jīng）密計量技術及相（xiàng）關的機器子係統的基礎研究。為了將C U PE 的研究成果迅速轉化成商（shāng）品, 滿足世界各地用戶對C U PE 產品日益（yì）增長的（de）需求, 1 9 8 7 年在CU PE 的基礎上成立了C PE 精密工程有限公司,它擁有（yǒu）一個當（dāng）今世界上最現（xiàn）代化的安裝與測試實驗室。除擁有各種先進設備（bèi）外, 該實驗（yàn）室為恒溫控製, 且為全封閉式, 7 天內室溫變化可控製在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（shì）0. 1 ℃ 內。這個實驗室裝備有多台超精密金剛石車（chē）床, 其中一台用於加工大型非常規光學零件（jiàn）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（lì）物力, 開（kāi）發、研究並生產（chǎn）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小（xiǎo）型超精密機床方麵已達到很高水平。但在大型超精密機（jī）床方麵落（luò）後於歐美,有關方麵正疾呼以期趕超歐美。圖3 為日本光學公司的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（zuì）重要（yào）的問題是超精密位置的確定技術。實現精（jīng）密定位測量任務的測（cè）量方法首（shǒu）推雙頻激光測量係統。為了實現機床縱向和橫向進（jìn）給的同時監測, 在我們新研製的超精密機床上采用了雙路雙頻激光測量（liàng）係統, 如圖4 所

示[’]。這一方案的提出（chū）, 在我國（guó）尚屬首（shǒu）次（cì）。該係（xì）統的測控結構（gòu）如圖5 所示。由雙頻激光的多普勒效應獲得的交流信號轉換成脈衝後, 通（tōng）過74 F 1 93集成電路轉換成並行量（liàng）, 經數據處理後, 實現電機的閉環控製。

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

      據（jù）此（cǐ）, 我（wǒ）們設計了一套波長補償係統, 實現自動補償, 以保證檢測係統的分辨率為0. 01 拜m。為使係統硬件擴充和更換（huàn）方便, 采用了模塊式結構,級板（bǎn）聯接為S T D 標準總線。同（tóng）時采用多層布線以使機械結構緊湊, 布局合理。數據采（cǎi）集係統采用（yòng）通用G P 一IB 總線與主（zhǔ）機（jī）通（tōng）訊, 使檢測係統的接口實現標準化。