| 田长信 |
2005-07-29 15:01 |
用于加工过程监测与误差补偿的几种新型干涉仪
现代加工和测量设备的坐标系统有两大类：直角坐标系和并联机构。为实现精确定位需要控制的21项几何误差和相应数目的热误差。测量参数类型可分为：长度、俯仰角、偏摆角、滚转角、直线度/同轴度、垂制度。为了测量并联机构的空间位姿需要多站跟踪干涉仪。为了达到纳米精度和小的非线性需要特殊的纳米干涉仪。小型非接触测头更是目前超精密加工和测量关注的焦点。 前述参数中，长度、俯仰角、偏摆角在一般情况下是成熟技术，但是因为现代加工设备已经达到1m/s的速度，现有的双频干涉仪不能满足要求（现有单频商用干涉仪虽然可以达到1m/s,但不能多路测量，也不符合要求）。所以测长还是需要继续研究。本科研组曾经研制成功纵向塞曼“远程直线度同轴度干涉仪”并于1998年获得北京市科技进步2等奖，为克服热影响，机体加长约100mm，希望改进。垂直度可以由直线度和空心五角棱镜一起解决。所以研究内容确定为七种新型干涉仪：高速测长干涉仪、滚转角干涉仪、横向塞曼直线度/同轴度干涉仪、纳米干涉仪、633纳米可调谐半导体激光绝对测长干涉仪、无泄漏单光束干涉仪（用来构成多站跟踪干涉仪）、方便调整的可装入加工中心的三轴干涉仪。针对不同应用目标，本成果研究成功5MHz双反射膜双频稳频激光器和300KHz横向塞曼稳频激光器和633可调谐外腔半导体激光器。以适应七种干涉仪的需要。 本成果体现了从基础研究到应用研究的连续性。 塞曼激光器的最高频差为3MHz左右，为了得到5MHz频差必须另寻出路。偏振双反射膜腔镜是使应变转移到腔镜膜层上，使反射光相位变化不同，从而产生频率分裂，频差和应变成比例。如果膜层不合适就需要加较大应力，通过实验研究和理论计算，本组发现在相位色散突变位置可以得到合适的解答。除此而外，激光窗片封接过程的应力也会形成双反射作用。最后还有一个条件：应变方向和磁场方向接近平行才能出现双频。这也证明了这是不同于塞曼型的全新的激光器。 用双频激光测量滚转角，通常认为精度不可能提高，本组发现当双频分量稍有椭圆化会产生很大的非线性，它又在数百角秒的范围是接近线性的，我们以半波片为传感元件、直角棱镜作反射器，使灵敏度在非线性增强的基础上又增加4倍。样机上实现的倍增系数为110倍。达到实用水平。 横向塞曼激光器因频差小（300KHz左右）曾经被遗忘，可是有些应用不需要高频差。而他直接输出线偏振光、特性曲线适于频率锁定的优点是吸引人的，在误差补偿中要测量几十个参数需要几台激光器，当然允许使用不同种类的光源。在不需要高测速的情况下，频差小反而减轻数据处理电路负担，有利于降低成本。纳米测量和同轴度需要更高的稳频精度，为此研究了使用单片机实现的预测建模方法，即从预热过程模间隔时间的逐渐加长自动拟合出热平衡曲线、确定加热电压的变化。横向塞曼直线度同轴度干涉仪就是因为激光器的特点，稳定性更高，体积也减小了。 纳米测量的非线性是指在半波长移动范围分度的均匀一致性。本组不但进行理论分析而且进行了严格的实验验证，为此设计了差动纳米干涉仪和计量院的FP干涉仪进行了比对，证明了理论推导的正确性，证明双频信号的可见度和非线性误差成比例，给出仪器调整的判据。 为了克服热漂移又研究了达曼光栅纳米干涉仪。光栅干涉仪已经出现多年，为了达到纳米分辨率无一例外地采用1000线对的光栅。计量用光栅做到这样细的线条价格十分可观，实际上无法推广应用。本组提出用横向塞曼激光器作光源，用光学8倍频光路，其要点是：正负一级衍射光合成、光栅像成在光栅上、用两次通过1/4波片使一路光的偏振面转过90度。最后再比相测量。用50－100线对的光栅就可得到亚纳米分辨率（0.3-0.6nm)。 633nm可调谐半导体激光在国际上刚刚出现，价格2万多美元。我们利用国产元件毛片（30个芯片在一个基片上），经过增透、切片、封装，配以腔镜并增加腔内可旋转平行玻璃板实现调谐，研制成功。以此作光源实现一种差动式无导轨测量干涉仪。这种方法可以实现非接触光学测头。 为了测量空间坐标多站跟踪干涉仪是一个很好的方法。但是通常需要3－4台激光头和干涉仪。作一个实验需要20几万美元的设备。再加上国际上出现折射率为2的材料制成的猫眼，我们国家研制有困难，似乎很难介入该领域。我们研制成功无泄漏单光束干涉仪，在光电探测器前不用普通检偏器，改用偏振分光棱镜，透过光给光电探测器，反射光给跟踪探测器，全部光能都被利用。因而一个激光头就可以带动3－4个干涉仪。使成本降低一半。我们用光学玻璃设计了超半球猫眼，性能优于n=2猫眼。（现在研制n=2猫眼的日本人也承认不好了，因为材料不均匀、能量损失大）我们用一个激光头带3个干涉仪测量了数控加工中心的主轴热误差，因为我们的系统采样速度高且同步采集，无需猫眼和主轴完全同心，成功测出主轴热漂移，工厂由此发现了主轴冷却系统的问题，进行改进。 装在设备中的三轴干涉仪本是成熟技术。仪器研制过程中发现反射镜位置偏差导致偏振面偏转。调整反射镜的机构不好设计，因为容易调节和稳定性往往有矛盾。我们在多次反射以后的光束中增加1/2波片，把偏振面转到正确位置，方便调整、状态稳定。
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