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用于太空探测的高精密测量技术
作者:卡尔• 蔡司
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当欧洲航天局(ESA)在筹备进行需要多年宇宙旅行的太空探测器时,最首要的任务就是:达到精度的极致。LT Ultra(一家高光学精密金属制造商)采用卡尔• 蔡司的测量技术来保证如此高的精度要求。

作为欧洲首个水星计划,探测器将在历时6 年的旅程中, 轨道运行预计一年甚至两年,经历的温度范围从零下40 到零上300 摄氏度,该计划当然不会像是在公园里散步那样惬意。因此, 针对2014 年所有预计运行到达离太阳最近的行星的部件都必须满足特殊的高要求。其中包括测高仪,伯尔尼大学的空间研究人员已经在测高仪的电路板上放置了探头。它将以小于一米的精度计算行星的整体表面数据。

测高仪由三个主要部分组成:向行星发射短脉冲的激光仪、捕获从表面和反射板反射的激光束的望远镜、四个精心加工的铝制零件。这些反射板反射强烈的太阳光和以一定的角度入射的杂散光,保护激光仪和望远镜不受损伤或损坏。由位于德国Herdwangen-Schonach 的LT ULTRA 技术有限公司生产的七个组件将其配置到每一个反射板上。因而它们的制造必须满足很高的要求,生产和质量检验需要自始至终保证严格控制。

测量技术需同步配置

拥有70 名员工的LT Ultra 精密技术有限公司,是高性能金属光学、超精密设备、空气轴承组件和激光束引导组件的制造商。公司成立于1995 年,其产品常用于机场的行李扫描仪,也用于日内瓦欧洲粒子物理研究所所需要的新型粒子加速器的制造。

LT Ultra 专业从事超精密设备的制造:机床精度小于1 微米。然而,他们认为只有准确的加工是远远不够的:“如果没有相应的测量设备,要达到今天的高精度要求完全不可能,”LT Ultra 总裁Richard Wideman 先生解释说,“我们的生产装备正变得越来越精密。测量技术也必须保持同步配置。”正是这个原因,公司从卡尔• 蔡司购买了PRISMO ultra 测量机。过去, LT Ultra 对许多精度要求特别高的测量主要依赖于外部服务供应商提供的设备。由于常常无法按要求完成各种任务,因此大大放慢了工作进度,致使许多项目无法按时进行。对该公司来说, 要接受欧洲核子研究委员会或欧洲航空局的订单,PRISMO ultra 测量机是非常必要的。

推动测量技术达到极限

“该测量机对我们来说是一个重要的技术里程碑,”Wideman 总结说。卡尔• 蔡司专为该公司配置的PRISMO ultra 已经在此期间投入运行。该标准型号的桥式测量机已经达到0.6 微米的精度。对大多数产品来说,这种高水平的精确度通常已经足够, 但并不表示可以满足所有需求。例如:用于水星计划的厚度仅为几十分之一毫米反射板上的零件,要求精度小于250 纳米, 达到这样的要求一切工作才能正常进行。这对测量技术来说可不是一件轻松的事情。

卡尔• 蔡司广泛地与应用技术、电子技术和软件开发的专家一起工作,成功地解决了这些挑战。PRISMO ultra 的每个组件都经过手选,并经过了精心的装配,每一个细节都考虑得仔细周全,从而使得PRISMO ultra 能够完全满足这些高精度要求。

然而,反射板对测量技术提出了额外的要求:铝部件的光学面是极为敏感的,容易被接触式传感器划伤。通常可以通过使用光学扫描和非接触式传感器克服这种困难。然而,具体零件复杂的几何形状和不同的表面结构,与高精度要求结合在一起,使光学测量技术的使用成为泡影。接触式测量成为了不二的选择。

卡尔• 蔡司的专家们对接触式传感器的控制器参数进行了大量优化,并专门针对这项特殊工作修改了软件设置。因此,测针只是非常轻微地接触工件,完全能确保不损坏敏感的工件表面。

成功的重要条件

只要按下按钮,PRISMO 测量机就开始扫描整个工件。对于反射板组件,PRISMO 对大约300 个内部和外部测量点的形状和位置的标称尺寸进行测量比较。每一部件都像一个扁平的、有光泽的无底锅,但并不是特别薄,它只是一个双曲椭圆形。

在测量之前,铝件需要在超精密车床上进行约几个小时的多道工序加工。在这些加工工序之间,铝件还需要被冷却到零下40 摄氏度,然后再加热到零上80 摄氏度以消除张力。最后, 在电镀槽内进行电化学处理使工件具有光泽的外观。可以说在所有的过程中若没有可靠的质量检验,每一个步骤都将毫无价值。如果LT Ultra 不曾在新型测量机上进行投资,有谁知道LT Ultra 的产品能去水星旅行。Wideman 对一件事是肯定的:“质量检验是我们的命脉。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (6/4/2014)
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