高精密量仪

成果名称 高精密半导体激光系统的研制 单位名称 北京大学 联系人 马靖 联系邮箱 mj@labpku.com 成果成熟度 &radic 研发阶段 □原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产 成果简介： 在新一代高精度卫星全球定位系统中，星载原子钟、新一代原子干涉仪、新一代重力测量仪等精密测量设备都迫切需要频率稳定度高、对参考谱线具有自动识别功能的高精密外腔半导体激光器。此外，发展具有我国自主知识产权的高精密半导体激光技术，使我国摆脱此类高端激光依赖进口的被动局面，将为我国新一代的高精度卫星全球定位系统、环境检测技术和生物检测技术等高新技术的发展打下坚实的基础。 北京大学信息科学与技术学院陈徐宗教授申请的&ldquo 高精密半导体激光系统的研制&rdquo 项目，以研制具有国际先进水平的高精度可调谐半导体激光器和高精度倍频激光器为目标，瞄准该课题中的关键技术，着力解决高精度可调谐外腔半导体激光器的光栅反馈的稳定性、宽连续可调谐范围、中心波长范围等核心问题。 2009年，该项目获得了北京大学&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金资助。在基金的资助下，通过关键器件的购置和实验材料的加工，课题组开展了一系列富有成效的工作，包括：外腔半导体激光头的研制、精密电源与高精密频率控制器的研制、精密光谱监测系统的研制、激光倍频光学系统的研制、倍频腔稳频电路的设计和精密控温器的研制等，实现了激光自动锁频、连续稳频、迁谱线智能识别等创新功能。在未来的工作中，课题组将进一步提升该系统的稳定性和可靠性，优化相关工艺设计，推动高精密半导体激光技术的发展与产业化。 应用前景： 在新一代高精度卫星全球定位系统中，星载原子钟、新一代原子干涉仪、新一代重力测量仪等精密测量设备都迫切需要频率稳定度高、对参考谱线具有自动识别功能的高精密外腔半导体激光器。

近期，中国科学院沈阳自动化研究所智能检测与装备研究室IDE团队在国家重点研发计划项目的支持下，经过艰苦攻关，创新性提出了高负载大可变量程的大型圆柱度测量新方法，并依此方法研发了大型圆柱度测量仪。　　圆柱度是精密回转类零件重要的精度指标之一。目前，圆柱度测量仪大多通过接触式传感器获取被测目标信息，采用精密转台回转的方式实现测量，如英国Talyrond公司研制的最大测量直径达1.6米的1600型圆柱度测量仪。接触式传感器的可形变量极小，在圆柱度测前定心调整过程中，大偏心距累积的运动定位误差极易超出传感器的极限行程而造成传感器损坏。受被测对象的尺寸、重量及高精密转台的制造技术等因素的影响，过大的载荷将严重影响精密轴系的回转精度，所产生的随机误差难以通过算法有效补偿，无法满足大型工件的高精度测量需求。对于直径超过2米的大型轴承套圈，由于零件尺寸巨大、圆柱度测量精度要求高以及测量环境的局限性，现有的接触式传感器与转台回转的测量方式难以满足其测量要求。因此，亟需研究针对大型回转类零件圆柱度的现场快速精密测量方法及相应的评定技术。　　沈阳自动化所智能检测与装备研究室IDE团队提出的高负载大可变量程的大型圆柱度测量新方法采用具有精密、隔震等特性的气浮驱动技术，配合精密耦件，通过测前快速自适应偏置调整技术实现工件测前自动定心，采用精密测头回转的方式快速获取有效测量信息。在测量原理方面，提出了更完善的圆柱度测量模型及误差分离算法，测前定心与实际测量采用分立的运动控制系统，既解决了大型工件的载荷问题，又能够通过模型参数拟合的方式实现偏心、测量线偏置、被测圆柱轴倾斜等误差的精准分离；测量系统采用对称式双测头测量方案，综合了非接触式位移传感器安全、柔性的特点与接触式位移传感器精密、可靠的特性。本方法的提出突破了传统测量方法在大型圆柱度测量过程中的局限性，实现了大型回转类零件圆柱度测前自适应偏置调整和现场快速精密测量。大型零件圆柱度测量仪样机　　目前，该研发团队已完成大型圆柱度测量仪原理样机的研发工作，并在《光学精密工程》《中国激光》等高质量期刊发表相关论文2篇，申请发明专利4项。经过国家权威计量专家及天津计量院的检定，大型圆柱度测量仪样机的回转精度为42.6nm，Z向导轨精度139nm/100mm，最大测量直径为2500mm，且其测量范围可根据使用需求进一步拓展。这意味着该原理样机的核心技术指标已达到国内领先、国际先进水平。本项目的实施将进一步夯实我国大型轴承及以大型轴承为核心基础部件的高端装备的制造技术基础，填补直径大于2米的大型轴承圆柱度测量仪的国内空白，掌握大型圆柱度测量仪的核心技术，提高轴承及相关行业的自主创新能力，为我国高铁、风电和高档数控机床等高端装备制造业的进一步发展提供保障能力，对我国从制造大国迈向制造强国，具有重要的现实意义和巨大的社会经济效益。

导语： 制造业是国家生命的命脉，精密制造是未来制造业发展的一种趋势。2018年，全球精密机加工市场规模达到2160亿美元，同比增长1.9%。精密制造业覆盖航空、医疗、汽车、消费电子、通信等各个领域。现阶段，中国精密制造业总体呈现区域发展不均衡、企业规模较小、实力较弱、产值增长较快等特点，且难以协调厂商需求的批量生产、成本可控与客户需求的产品质量稳定性、一致性之间的矛盾。高精密3D打印作为先进制造业的重要组成部分，解决了传统加工工艺过程复杂、成本高、难度大的痛点，成为现代精密制造业不可缺少的“产业新力量”精密制造业现状：需求大，难度高，投入大 精密制造业主要包括精密和超精密加工技术、制造自动化两大领域，前者追求加工上的精度和表面质量极限，后者包括了产品设计、制造和管理的自动化，两者是密切合作、相辅相成的关系，皆具有全局的、决定性的作用，是先进制造技术的支柱。精密和超精密机加工行业一直是劳动密集、资金密集和技术密集型行业，行业门槛较高，企业需达到一定规模才能产生利润。自动化精密模具包括结构工艺复杂的成型模具和高精度成型模具。结构工艺复杂的模具是在较小的模具体积上需要做出很多功能的实现；高精度模具主要是指成型的产品尺寸变化微小，一致性非常高，模具往往体积不大，但造价高昂。 根据罗兰贝格数据统计，2011-2018年，全球精密机加工市场规模复合年增长率为0.2%；到2018年，全球精密机加工市场规模达到2160亿美元，同比增长1.9%。其中，全球精密机加工外包市场规模达1480亿美元，占全球总规模的69%。资料来源：罗兰贝格 前瞻产业研究院整理 精密制造业提供的是制造业的关键零部件，是制造业的最顶端，利润最丰厚的核心部分。从规模上来看，精密制造业可以覆盖整个制造业的大约三分之一。精密制造主要用于生产复杂的零件及制成品的完整组建，具体领域包括航空、医疗、汽车、消费电子、通信等等。得益于这些下游领域的需求支撑，全球精密制造业市场保持稳定。 精密制造业技术永恒的主题就是高效率与高精度。目前，中国的制造业与世界制造业强国相比仍有较大差距，其中最突出的表现之一是精密零部件的加工能力滞后，主要因其在质量、一致性、耐用性等方面的要求非常高。虽然中国精密零部件加工厂商数量众多，但技术水平和加工能力参差不齐。即使部分的国内配套加工厂商通过购进先进的生产设备等方式可以达到精密零部件的加工质量要求，但却常常难以在批量生产、成本可控的条件下保持产品质量的稳定性和一致性。摩方批量打印齿轮 一般来说，高质量精密零部件加工制造不仅需要先进的生产设备等硬件配备，更需要根据部件的产品特点和客户需求，设计和实施科学合理的生产工艺，平衡加工质量、产品交期和成本控制等多个相互影响的制约因素，同时，还要实现设备、工具和人员等生产资源的优化组合。总体而言，这是一个需要多项投入、多方考量、环环把控的行业。 那么，面对精密制造业市场的巨大刚性需求，以及国家振兴精密制造业的发展趋势，是否可以实现既满足较高的精密产品质量与技术需求、又能实现可控的时间和成本投入？高精密3D打印——现代精密制造的“产业新力量” 在传统加工工艺无法满足高质量精密零部件快速交付需求的现状下，市场需求将目光逐步引导至近些年高速发展的增材制造工艺。增材制造是先进制造业的重要组成部分，随着全球范围内新一轮科技与产业革命的蓬勃兴起，世界各国纷纷将其作为未来产业发展的新增长点。中国《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，《中国制造2025》等均把增材制造列入重点领域。 增材制造又称3D打印技术，它完全解决了传统加工工艺过程复杂、成本高、难度大等痛点，能够准确、快速、灵活设计各种复杂结构。而高精密3D打印更是成为现代精密制造业不可缺少的“产业新力量”，虽目前仍处于发展早期，但其突破复杂三维微纳结构器件的精密快速成型与直接生产制造，在微小精密部件的开发与小批量阶段，以“成型效率高、加工成本低”的突出优势受到高质量精密零部件加工市场的倍加青睐，而这种高效率的“时间差”带来的收益已经成为一些公司的利润来源。 目前在全球范围内，PμSL面投影立体光刻技术(Projection Micro Stereolithography) 是已经成熟商业化的能够实现高精密 3D 打印的的微纳光固化3D打印技术之一。PμSL在实验室阶段可实现几百纳米精度，已经商业化的产品可达几微米的打印精度，多见于深圳摩方科技的nanoArch系列微纳3D打印设备——全球首款商业化的 PμSL面投影微立体光刻技术微尺度3D打印设备产品，涵盖多款型号机型，可以提供2μm超高精度3D打印系统。PμSL 加工速度快、打印幅面大、加工成本低以及宽松的环境要求等特点，使其在工业应用领域已实现了内窥镜、导流钉、连接器、封装测试材料等部件的批量加工和应用，为国内外多个大型公司提供高精密加工方案。 在此列举2个高精密3D打印应用较为广泛的案例：连接器与内窥镜。连接器尺寸5.65mm*2mm*2.8mm，最小pin间距0.14mm，最小壁厚0.1mm；内窥镜端部座中的圆管壁厚为70μm，管径1mm，高度4mm。精度要求皆为±10-25μm。CNC和开模注塑很难加工这种逼近极限的结构，深圳摩方公司可以在约1-2小时内就加工出来，最快一天内交付。同时，也极大的降低了制造成本。深圳摩方——助力振兴中国精密制造业 振兴精密制造业是中国经济跨越发展的重要一环。着眼未来，借助高精密3D打印设备和技术来提升零部件制造的精度，将成为精密零部件制造的一大趋势。 从工业市场出发，效率和成本是决定盈利与否的关键因素。深圳摩方的高精密3D打印设备与技术，在缩短制造周期、降低制造成本、提升产品性能等方面，很好的契合了精密制造业创新发展的技术精度需求与市场盈利需求。中国精密制造实现振兴将如虎添翼，未来可期。