复杂曲面

中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心在超精密光学大口径复杂曲面的偏折测量中取得新进展。研究首次提出了波前编码偏折测量技术，显著提升测量景深，消除偏折测量中位置-角度不确定问题，实现无需精确对焦条件的高精度面形测量。该研究成果大大提高了偏折测量技术的灵活性和精度，拓展了偏折测量技术在大口径元件测量时远距离测量的能力，为未来智能光学制造的发展打下基础。相关成果发表于Optics Letters。　　大口径复杂曲面光学元件广泛用于天文望远镜、X射线科学装置和高能激光系统等领域，具有改善像质、提高光学性能和扩大视场等优点，是精密光学的前沿热门研究方向。偏折术测量具有的精度高、动态测量范围大和抗干扰能力强等优点，很有潜力实现复杂光学表面高精度测量。由于测量景深限制而无法同时对屏幕和被测表面聚焦，难以同时高精度地探测表面位置（依赖于表面探测单元的尺寸）和法向量（依赖于入射光线角度测量精度），所以存在着位置-角度不确定的问题。这类元件口径大和面形复杂的特点要求测量光路过长而加剧了偏折术的位置-角度不确定问题，严重影响面形测量精度和测量系统的灵活性和稳定性。图1 测量系统对比。(a - b) 传统偏折术及屏幕处的模糊核，（c - d）波前编码偏折术及系统响应。　　针对该问题，本文提出一种波前编码偏折测量技术，通过优化三次相位板来调控系统波前，在拓展景深内呈现一致性响应，并利用自适应模糊核估计和反卷积算法进行精确波前解码，实现无需精确对焦条件的高精度偏折测量。相比传统偏折术，所提波前编码偏折术测量景深显著提升，能够对屏幕和被测表面同时在焦测量，如图1所示。本研究选择使用三次相位板来调制波前相位，在拓展景深内产生具有高度一致性的PSF。图2说明了传统偏折术在被测表面和屏幕处的PSF差异较大以及所提波前编码偏折术在被测表面和屏幕处的PSF基本一致。本研究通过光学调控和自适应解码算法结合的方式，显著提升测量景深范围（拓展几十倍），解决位置-角度不确定的问题。这对大口径复杂表面远距离测量起到重要作用，能极大地放宽对焦要求，大大提高单目偏折测量的能力和适用范围。图2 PSF对比。(a - b) 传统偏折术中屏幕和被测表面处的PSF，（c - d）波前编码偏折术中屏幕和被测表面处的PSF。图3 测量结果　　相关工作得到了中科院青年创新促进会、国家高层次青年人才项目、上海市扬帆计划、中国科学院国际合作项目等项目的支持。

近日，中国科学院沈阳自动化研究所在复杂曲面机器人自动化磨抛加工领域取得新进展，提出了一种基于六点定位原理的叶片坐标系自动标定方法，实现了航空发动机叶片磨抛加工过程中动态工件坐标系的自动标定。该研究成果于近期在线发表在计算机/制造领域期刊Robotics and Computer-Integrated Manufacturing。 基于六点定位原理的航空发动机叶片坐标系自动标定方法 　　作为航空装备的核心，航空发动机是一种结构高度复杂且精密的动力机械，被称为“现代工业皇冠上的璀璨明珠”。叶片是航空发动机中最为关键的零部件，其结构复杂，工况恶劣，对加工工艺的要求较高。目前航空叶片的磨抛主要形式是人工磨抛加工和专用磨床磨抛加工。随着工业机器人技术的不断发展，机器人自动化磨抛叶片类复杂曲面已经是一种必然趋势。然而，机器人系统中零件动态坐标系的自动化定位技术尚不成熟，实现航空发动机叶片的高自动化、高精度的磨抛加工具有很高的技术难度。 　　沈阳自动化所工艺装备与智能机器人研究室基于六点限位原理提出了航空发动机叶片的顺序标定策略，完成了机器人系统中动态坐标系的精准自动标定。结合建立的复杂曲面机器人自动化磨抛系统，研究团队开展了航空叶片的磨抛加工实验。实验结果表明，提出的标定策略可以实现较高精度的机器人系统动态坐标系的自动化标定，将标定精度由传统的人工精度0.2mm提高到了0.05mm，大大提高整体系统的稳定性。 　　该研究成果得到了国家自然科学基金的支持，并成功应用到了其他复杂曲面的自动化磨抛设备系统中。

近年来，我国高端制造业蓬勃发展，对高精度测量设备的需求持续攀升，极大地推动了以三坐标测量机为代表的精密测量仪器市场的迅猛增长。众多国内外知名品牌竞相涌入这一赛道，同时，也催生了一批崭露头角的国产新兴力量。在国产替代需求日益增长的趋势下，中国三坐标测量机企业迎来了前所未有的发展机遇。为深入了解中国三坐标测量机产业的发展态势，仪器信息网成立25周年之际，特别策划了“万里行”系列走访活动。该活动深入中国三坐标测量机代表性企业，与行业专家共同开展实地走访，探寻产业发展的最新进展和亮点，为发展新阶段赋能。走访第4站，由上海大学李明教授，仪器信息网产业研究部主任武自伟、营销服务中心经理韩永风、测量仪器编辑牛亚伟等组成的走访项目组走进江苏集萃华科智能装备科技有限公司（以下简称“集萃华科”），测量装备事业部总经理张旭、市场部经理戴丽丽热情接待了走访一行人员。——企业发展进展江苏集萃华科智能装备科技有限公司（以下简称“集萃华科”）由江苏省产业技术研究院、华中科技大学无锡研究院共同孵化成立，2017年启动运营，专注于“加工-测量”一体化技术、产品和解决方案，服务以航空航天、智能制造装备为代表的高端装备制造领域。同时，公司还肩负着运营国家数字化设计与制造创新中心江苏中心、江苏省数字化设计与制造创新中心、江苏省产业技术研究院数字制造装备与技术研究所的重任。秉承“攻克皇冠技术，服务高端制造”的崇高使命，集萃华科在测量装备领域迈出了坚实的步伐。张旭详细讲述了集萃华科测量装备的产业化历程，其三坐标测量机项目起源于华中科技大学无锡研究院机器视觉检测与自动化中心。在与航空发动机主机厂的合作中，团队敏锐洞察到诸多检测设备市场被进口品牌垄断，随即内部立项，决心打造国产叶片测量机。项目初期，团队优先开发了叶片测量软件，为后续工作奠定了坚实基础；随着项目的稳步推进，中期阶段成功获得国家项目资助，为技术研发注入了强劲动力。通过不懈努力，集萃华科的三坐标测量机在压气机叶片测量领域实现了与国际顶尖品牌的比肩，并顺利转入产业化阶段，率先在航空航天领域实现了国产自主三坐标测量机的可替代。在长期被国外测量装备占据的半导体测量领域，集萃华科也实现了装备替代。面对无锡中电科58所新研芯片对光学测量的迫切需求，公司紧跟技术前沿，迅速响应，依据市场主流原理研发出样机。经过客户长达一年的严格测试与验证，该设备成功通过考验，成功交付。此后，集萃华科的半导体测量装备逐渐在国内半导体头部企业获得良好应用。参观展厅及实验室——产品技术与布局目前，集萃华科测量装备事业部的核心产品包括PowerBlade三坐标测量机、Zeus半导体晶圆测量仪、IC三维光学形貌测量仪。集萃华科三坐标测量机采用气浮台架设计，搭配自主研发并拥有自主知识产权的“准正”控制器、“DAYUMETRIC”测量软件和MWU系列测头，涵盖REMA系列、AGILE系列桥式三坐标测量机，以及CAMEL系列车间型三坐标测量机。张旭向走访组介绍了集萃华科的三坐标测量机的技术亮点与市场定位。PowerBlade三坐标测量机专为“两机”复杂曲面测量而生，自2016年起，集萃华科便投身于比传统触发式测头更为复杂的扫描测头研发。该扫描测头还具备自定心功能，专为高精尖应用量身打造。此外，依托华中数控在运动控制领域的深厚积累，集萃华科成功打造出具备四轴联动卓越性能的控制器，并规划在未来融入更多光学测量功能，旨在为用户带来前所未有的测量设备兼容性与灵活性，轻松应对各种复杂的测量场景，无论是搭配光学测头还是扫描测头。在软件方面，集萃华科同样表现出色。其自研的DAYUMETRIC测量软件，获得了德国PTB最高精度等级的认证。同时，其叶片叶盘检测方案和软件严格遵循中航工业标准HB5647、中国商发企业标准GBS027，形位公差GT&T检测方案和软件则符合ISO标准，确保了测量结果的通用性和可靠性。集萃华科先后攻克了三坐标控制器、测量软件和扫描测头的技术难题。2023年，Power Blade （叶片叶盘）测量机通过江苏省首台（套）重大装备认定，标志着公司在高端测量装备领域的又一里程碑。展望未来，张旭透露，集萃华科正积极寻求进入商发使用清单，旨在与国际一流品牌同台竞技，展现中国智造的实力与风采。面对激烈的市场竞争，测量装备事业部经过深入的市场调研与分析，及时调整了其战略布局。一方面，在航空航天领域，集萃华科将继续深耕细作，以REMA系列高精度测量机为核心，提供全方位的整体解决方案；另一方面，针对内卷的中小型企业云集的民用市场，公司将转型为部件供应商，提供包括测头测座、控制软件等在内的专业套件，以提升品牌的市场认知度与渗透力。——国产三坐标测量机发展观点张旭认为国产三坐标测量机产业正呈现积极态势。随着更多企业的积极参与与投入，技术进步的步伐将加快。他形象地将这场激烈的市场竞争比作“三国枭雄”的争霸战，唯有那些历经挑战、奋力拼搏的企业才能脱颖而出，成为国产自主品牌的精英与标杆。展望未来三至五年，张旭坚信，那些经受住市场严格考验的国产三坐标测量机企业，将成为该领域的重要支柱，引领行业发展。合影留念