超（chāo）精密加工是機械製（zhì）造發展的主要方向之一。超精密加工在元器件製造中是（shì）關鍵性技術。在20 世紀60 年代, 通（tōng）過（guò）使用當時適用的精密機床,開始開發用於（yú）生產（chǎn）高質量的專用機械或光學元件（jiàn）的技術。整個70 年代, 該（gāi）技術用於（yú）生（shēng）產具有高精度、多功能及（jí）較低的製造（zào）成本的光學元件。到了（le）80 年代, 該技術就更加廣泛地用於工業生（shēng）產, 如製造鋁（lǚ）製掃描鏡和（hé）計算機存（cún）儲盤（pán）的鋁製基片等。超精密加工最近（jìn）的應用是（shì）生產光學元件, 這種元（yuán）件具（jù）有複雜的形（xíng）狀（zhuàng）, 極高的幾何（hé）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（piàn）坐標（biāo）精度(0. 2 拌m ) 的特殊需求（qiú）: 直徑在1. s m 以下（xià）時（shí）, 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（de）橢圓形鏡麵進行快速切削, 結（jié）果（guǒ）是在長度為幾十至上百毫米的高（gāo）導（dǎo）無氧銅(O F H C co pPe r )上的加工精度為0. 13 拜m 、粗（cū）糙度為（wéi）0. 0 43 拌m 。在易碎材料（liào）的（de）鏡麵（miàn）修整方麵, 超精密加工也（yě）得到了極為廣泛的應用。

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

1 激光測量係統及其發展

      研製超精密機床, 需要有（yǒu）高精度的測量（liàng）係統做保證, 特別是工作台的（de）精密位移監測（cè）對機床加工精度有很大的影響（xiǎng）。對於要求微量進給（gěi）分辨率為0. 01 拌m 的刀架溜板來（lái）說, 其位移測量精度（dù）也（yě）要達到相應的數量級, 否（fǒu）則刀架（jià）溜板的進給量無法觀察、控製, 其進給（gěi）的高分辨率也（yě）就失（shī）去了意義。要完成高精度工（gōng）作（zuò）台位移測量, 需要（yào）解決測（cè）量原理和測量方法問題。

      作（zuò）為現代高精度位移測量技術, 雙頻（pín）激光幹涉儀可以達到納（nà）米級的測量分辨率, 是理想的高精度位移測量係統。

      從（cóng）1 9 60 年激光器出現以來, 由於它的單色性好, 空間相幹性好, 方向（xiàng）性（xìng）好和光強大等特點（diǎn）, 很快就成了精（jīng）密（mì）測長的理想光源。1 9 6 2 年美國國家標準局開始利用H e 一N e 激光器作光（guāng）源進行測長試驗。1 9 6 5 年年底至1 9 6 6 年初（chū）, 美國國家標準局（jú）正式使用（yòng）激光幹涉儀作為l m 刻（kè）尺的日常鑒定工具。1 9 6 5 年英國國家物理實驗室製成（chéng）1 台H e -N e 激光幹涉儀, 頻率穩定性達到2 又10 一（yī）“ , 測（cè）量精度（dù）為0. 25 拜m , 在15 m in 內就能自動檢完毫米（mǐ）間隔的標準米尺。1 9 6 5 年8 月, 美國（guó）T o ling a ndPr od uc ti on 雜誌報（bào）道激光幹涉儀開始投入（rù）現場,量（liàng）程達s m , 精度為0. 5 產m 。

       1 9 6 5 年, 繼Z e e m a n 雙頻激（jī）光問世之後, Pol an yi 等人首先提出（chū）了雙頻激光幹涉儀— 交流（liú）幹涉儀。 由於雙頻激光幹涉儀是采用外差幹涉（shè）測量原理, 把被測的位移信息加在一個交流載波上, 因此光電接收器接收到的是一個交流載波信號, 信噪比高。而接收（shōu）的（de）信號由單頻激光器調幅信號變成了調頻信號, 故可實現高分辨率（lǜ）測量。

      隨著激光測（cè）長技術的不斷發展, 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紋, 是一般的單頻幹涉儀的進一（yī）步發展。20 多年來各國都在研製開發雙頻激光幹涉測量係統, 美、英、日等國都有了自己的產品。

       產水平（píng）和技術指標還有待進一步（bù）提高。

2 單頻和雙頻激光測量係統性能的比較

      雙頻激光測量與單頻激光（guāng）測量的不同處在於, 雙（shuāng）頻激光測量是交流係統而不是直流（liú）係統, 因而可以（yǐ）從根本上解決影響測量（liàng）係統可靠性的直流漂移問題。雙頻測（cè）量係統抗振性強, 不需要預熱時間, 不怕空氣湍流的幹擾, 而空氣湍流幹擾正是造（zào）成激光幹涉儀不良性（xìng）能（néng）的最普遍的原因。

     圖ia 表示當可動反光鏡移動時, 單頻直（zhí）流測量係統（tǒng）光電接收器的輸出。這時光強環繞（rào）著計數器的（de）觸發電平起伏變化。如果光束強度的變化不正常或電源（yuán）強度發生變化, 光電接收器的輸出就有可能超越不過觸發電平, 如圖lb 所示。因此, 強度的變化可以（yǐ）使計數器的工作停止, 直到（dào）觸發電平調整以後, 計數器才（cái）能恢複工作。上述強度變化（huà）的原因, 一是激（jī）光器的（de）衰老, 但更為常見的原因（yīn）是空氣湍流的幹擾, 使光束偏移或使其波麵扭曲。對於時（shí）限較長的強度變化, 可以用調整（zhěng）觸發電平的辦法去克服, 但在（zài）現場使用的不利大氣條件下, 光束強度的迅速變化, 任何觸發電平調整的自（zì）動化都解決不了問題。

      雙頻係統（tǒng）的優越性在於其距離信（xìn）號（hào）是由交流載波傳遞（dì）而不是由直流波型傳遞的。交流放大器不同於（yú）直流放大器, 它不受輸入直流電平變化的（de）影（yǐng）響。雙頻激光測量無須進行周期性的電（diàn）平調整,不存在調整光強和觸發閩的問題。

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

3 超精密機床激光測量係（xì）統

      高精度的（de）激光幹涉測量係統是精密位移測量的決（jué）定因素。為了滿足超精密機床定位測量精度的要求, 各國都在研究激光幹涉（shè）測量係統的精度影響因素, 以及如何保證激光幹（gàn）涉測量係（xì）統在超精密機床的位移監測（cè）中達到固有的精度指標。目前, 在超精密機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 等公司均在超精密機（jī）床研製與開發方麵（miàn）做出了卓有成效的工作。美國國防（fáng）部高等研究計劃局（jú）(D A R PA )投資（zī）1 30 0 萬美元由L L N L 實驗室於1 9 8 3 年（nián）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（shè）測量係（xì）統見圖2 [ , 〕, 可加工小i 6 2 5 m m 義s o o m m 、重1 36 o k g 的工件。該機（jī）床采用高壓液體靜壓（yā）主軸, 剛度大, 動態性（xìng）能好。為實現超精密（mì）位置的確定,采用了精密（mì）數字伺（sì）服方（fāng）式, 控製部分（fèn）為內（nèi）裝式C N C 裝置和幹涉測量係統, 以（yǐ）保證隨機測量定位。為了實（shí）現刀具（jù）的微（wēi）量進給, 在IX 二伺服機構內裝有壓電式微（wēi）位移機構, 可（kě）實現納（nà）米級微位（wèi）移。該機床采用恒溫油淋浴係統, 油溫控製在20 士S X l o 一喀℃ , 消除了加工（gōng）的（de）熱變形。還（hái）采用了（le）壓電晶體誤差補償技術, 使加工精度達到0. 0 25拜m。該（gāi）機床可用於（yú）加工激光核聚變工（gōng）程的零件（jiàn）、紅外線裝置用（yòng）零（líng）件以及大（dà）型天體（tǐ）望遠鏡零（líng）件, 可加工平麵、球麵及非球麵, 是世界公（gōng）認的當今最高水（shuǐ）平（píng）的超精密車（chē）床。

      英國G IT 技（jì）術學院所屬的CU P E 精密工程研究所以（yǐ）其紮實的基礎技術研究、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（dāng）今（jīn）世界上精密工程的研究中（zhōng）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（cè）量儀器（qì）及相關基礎技、術的研究、設計和發展。進入80 年代後, 該所（suǒ）以其在70 年代積累起來的基礎研究（jiū）成果（guǒ）和設備, 對超精密加工、超精密（mì）測量技術（shù）進（jìn）行了大（dà）量研究和開發。今（jīn）天C U PE 主要從事納米技術（shù）、超精密計量技術及相關的機器子（zǐ）係統（tǒng）的基礎研究。為了將C U PE 的研究成果迅速轉化成商品, 滿足世界各地用戶對C U PE 產品日益增長的需求, 1 9 8 7 年在CU PE 的基礎上成立了C PE 精密（mì）工（gōng）程有限公司,它擁有一個當今世界（jiè）上最現代化的安裝與測試實驗室。除擁有各種先進設備外, 該實（shí）驗室為恒溫控製, 且為全封閉式, 7 天內室溫變化（huà）可控製在1 ℃內。另外, C P E 還有一個超精密（mì）加工實驗室, 為超（chāo）淨（jìng）室, 其室溫被控製在士0. 1 ℃ 內。這個實驗室裝備有多台超（chāo）精（jīng）密金剛石車床, 其中一台用於加工大型非常規光學零件的車床是世界上3 台（tái）精度最高的超精密機床之一。

      日本近年（nián）來花費大量人力物（wù）力, 開發、研究並生產超精密機（jī）床。日本光（guāng）學、豐田工（gōng）機（jī）、東芝機械、日立精工等公司在中小型超精密機床（chuáng）方麵已達到很高水平。但在（zài）大型超精密機床（chuáng）方麵落後於歐（ōu）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（xíng）機床測量係統示意圖。

      上述超精密機床中（zhōng）最重要的問題是（shì）超精密位置的確定技術。實現（xiàn）精密（mì）定位（wèi）測量任務的測量方法首推雙（shuāng）頻激光測量係（xì）統。為了實現機床縱向和橫向進給的同（tóng）時監測, 在我們新研製的超精密機床上采（cǎi）用了雙路雙頻激光測量係統, 如圖4 所

示[’]。這一方案（àn）的提出, 在我國尚屬首（shǒu）次。該（gāi）係統的測控結構如圖5 所示。由雙頻激光（guāng）的多普勒效應獲得的交流信（xìn）號轉換（huàn）成脈衝後, 通（tōng）過74 F 1 93集成電路轉換成並行量, 經數據處理後, 實現電機的閉環控製。

      因為雙頻激光測量是以光波長為基（jī）準進行的, 所以對（duì）波長的（de）穩定性要求很高。環境空氣的波動, 氣壓、溫度、濕度的（de）變化均影響空氣折射率, 即影響光的波長穩定性。折射率的變化量

      據（jù）此, 我們設計了一套（tào）波長補償係統, 實現自動補償, 以保證檢測係（xì）統的分辨（biàn）率為0. 01 拜m。為使係統硬件擴充和更換方便（biàn）, 采用（yòng）了模塊式結構（gòu）,級板聯接為S T D 標準總線。同時采用多層（céng）布線以使機械結構緊湊, 布局合理。數據采集係統（tǒng）采用通用G P 一IB 總線與主機通訊, 使檢（jiǎn）測係（xì）統的接口實現標準化。