双坐标激光位置测量系统的研制

    超精密加工技术是当代机械制造最重要的发展方向之一,是现代航空、航天、微电子等高新技术发展的基础.超精密加工已成为国际竞争中取得成功的关键技术之一^[1].超精密机床是实现超精密加工的主要设备,而高精度的在线测量系统是研制超精密机床的技术关键.作为现代高精度位移测量技术,双频激光干涉仪可以达到纳米级分辨率,是理想的高精度测量系统,是现代超精密超精密加工技术是当代机械制造最重要的发展方向之一,是现代航空、航天、微电子等高新技术发展的基础.超精密加工已成为国际竞争中取得成功的关键技术之一[1].超精密机床是实现超精密加工的主要设备,而高精度的在线测量系统是研制超精密机床的技术关键.作为现代高精度位移测量技术,双频激光干涉仪可以达到纳米级分辨率,是理想的高精度测量系统,是现代超精密机床普遍应用的精密位置测量方式.

    本文介绍了应用于哈尔滨工业大学研制的超精密机床的双坐标激光位置测量系统.

    1　机床要求及激光器技术指标

    哈尔滨工业大学研制的HCM-1型超精密车床主要用来加工有色金属和非金属,可以加工外圆、平面、圆锥、圆弧曲面等.与位置测量有关的主要性能指标如下:

    (1)加工精度

    加工零件圆度　0.05~0.02

    直线运动精度　0.2~0.1μm/100 mm

    表面粗糙度　Ra0.02~0.01μm

    (2)数控系统

    分辨率　0.01μm

    重复定位精度　≤0.1μm

    为了保证进给系统的高精度,实现亚微米级的加工精度,测量系统必须达到相应的精度.本测量系统的性能指标如下:

    输出功率　0.001 W

    测量范围　0~10 m

    测量精度　±0.1μm

    响应速度　630 mm/s

     本测量系统能同时测量X和Z双向运动,是双坐标测量系统,完全能满足机床性能的要求.其在机床中的布局如图1所示.

    2　双频双坐标激光测量系统的组成

    由于超精密机床要求的激光测量系统为双坐标测量系统,而国内尚无双坐标激光测量系统产品,故决定自行研制此测量系统.

    本文研制的双频双坐标激光测量系统由四大模块组成,如图2所示.

    (1)双频激光器、光学元件、光电接收器和信号放大器、稳频电箱组成的一次信号处理系统,该前置处理电路部分采用国内成熟技术,由北京科学仪器厂购买;(2)数据采集及处理的专用微机系统;(3)用于修正波长变化的空气参数补偿系统;(4)GPIB数据通讯设备.为了实现进给系统的闭环控制,必须研究数据传输快、性能稳定的通讯接口.GPIB是一种功能强、数据传输快的标准并行接口.在本系统中,GPIB数据通讯对象设备为工控机;它既作为三线挂钩中的控制者发送控制命令,又作为听者读取数据.专用微机在三线挂钩中被定义为讲者,负责发送数据.两者通过24针电缆线相连,实现了进给系统的闭环控制.