隨著人類對地球上最小粒子的理論認(rèn)知有了新的發(fā)展，一些物理學(xué)家現(xiàn)在開始對慣性和引力質(zhì)量的等效原理提出質(zhì)疑。

　　為了驗(yàn)證這些新的猜想是否正確，位于不倫瑞克的德國國家計(jì)量研究院 (PTB) 的生產(chǎn)專家們開發(fā)出了圓柱形檢測質(zhì)量塊，這些質(zhì)量塊的所有幾何特征的加工精度均達(dá)到了2 μm至3 μm。

　　這一工程成就的實(shí)現(xiàn)，則要?dú)w功于來自Benzinger的高精度車床與來自雷尼紹的OMP400測頭的有機(jī)結(jié)合。

　　背景

　　對工程師來說，如今生產(chǎn)精度達(dá)到2 μm至3 μm的零件已經(jīng)不是什么難事了。但是，作為PTB表面計(jì)量工作組的項(xiàng)目主管兼經(jīng)理，Daniel Hagedorn博士發(fā)現(xiàn)目前的加工技術(shù)仍存在一些局限性：“我們現(xiàn)有的機(jī)器能夠在一或兩個(gè)方向上毫無困難地實(shí)現(xiàn)2 μm至3 μm的定位精度，但對于我們的檢測質(zhì)量塊，我們需要在整個(gè)三維空間達(dá)到這一高精度 — 不僅是在每個(gè)具體位置，還包括各個(gè)平面、圓柱表面和角度”。

　　PTB受委托為法國國家空間研究中心 (CNES) 生產(chǎn)十個(gè)圓柱形檢測質(zhì)量塊，這些質(zhì)量塊將用在CNES發(fā)射的一顆名為MICROSCOPE (Micro-Satellite à tra?née Compensée pour l'Observation du Principe d'Equivalence) 的300 kg重的小衛(wèi)星上。CNES將與包括歐洲航天局在內(nèi)的其他合作伙伴一起，利用MICROSCOPE衛(wèi)星檢驗(yàn)等效原理的普適性。

　　這些質(zhì)量塊每個(gè)大約長80 mm;較大圓柱的外徑為70 mm，而較小圓柱的外徑只有35 mm。

　　這些圓柱采用鉑銠合金 (PtRh10) 和鈦鋁釩合金 (TiAl4V6) 制成，以同心方式放入差分加速度計(jì)內(nèi)用于檢測。

　　這種配置可確保兩個(gè)圓柱的慣性矩位于同一軸上。PtRh10圓柱作為參照，然后對由不同材料制成的其他圓柱進(jìn)行加速度測量實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證在測量精度達(dá)10-15 μm時(shí)慣性和引力質(zhì)量的等效原理是否依然成立。

　　“正如我們所計(jì)劃的那樣，我們能夠?qū)λ袔缀翁卣鲗?shí)現(xiàn)±1 μm的加工精度。這種高精度加工產(chǎn)生的結(jié)果，可能會對科學(xué)家們是否需要重新思考公認(rèn)的物理學(xué)定律帶來重大影響。雷尼紹OMP400測頭的精度與可靠性是我們成功的一個(gè)關(guān)鍵因素?！薄聡鴩矣?jì)量研究院(德國)

　　在單一、不間斷制程中完成從坯件到成品的全過程制造

　　按照要求的精度水平制造檢測質(zhì)量塊是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在生產(chǎn)開始之前，工程師們首先需要對執(zhí)行該任務(wù)的刀具進(jìn)行優(yōu)化。如果采用傳統(tǒng)刀具，在對鉑銠合金工件進(jìn)行表面加工時(shí)，特別容易出現(xiàn)磨粒磨損現(xiàn)象，這將導(dǎo)致零件的表面光滑度無法達(dá)到預(yù)期要求。為此，工程師們選擇了經(jīng)特殊耐蝕處理的金剛石刀具;試制結(jié)果證明，這類刀具能夠可靠地加工出高光滑度的零件表面，其精度優(yōu)于0.2 μm。

　　然而，PTB的科學(xué)儀器設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的成員Heinz-Peter Heyne和Stephan Metschke很快又意識到，只有不間斷地一次性完成整個(gè)制造過程(不能中途取下和重新固定工件)，精度水平才能達(dá)到最初的設(shè)計(jì)要求。因此，他們選擇在Benzinger的高精度TNI Preciline車床上加工這些空心圓柱。在每個(gè)質(zhì)量塊加工完成后，他們又在將其從車床上取下之前測量了各個(gè)關(guān)鍵位置的尺寸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管采用了高精度夾具裝置且團(tuán)隊(duì)的操作非常謹(jǐn)慎，但是在重復(fù)加工的過程中仍出現(xiàn)了最高達(dá)0.01 mm的明顯偏差。

　　為了使整個(gè)制程的精度達(dá)到所要求的水平，PTB的專家們需要將高精度測量功能直接集成到加工過程中，這樣做的主要目的，則是消除當(dāng)分別確定加工過程和測量過程的起始位置時(shí)，相互之間可能會產(chǎn)生的不確定性和不準(zhǔn)確性。

　　為此，Hagedorn博士測試了來自不同供應(yīng)商的多套工業(yè)測量解決方案。

　　他重點(diǎn)比較和評估了測量結(jié)果的精度和重復(fù)性?！拔覀兊慕Y(jié)論是，唯一能夠滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的解決方案是像雷尼紹OMP400這樣的高精度測頭，”他總結(jié)道。

　　OMP400測頭經(jīng)驗(yàn)證可實(shí)現(xiàn)1 μm的精度

　　OMP400測頭采用基于應(yīng)變片技術(shù)的測量系統(tǒng)。該測頭能夠?qū)ψ钶p微的觸發(fā)力作出反應(yīng)，其測量精度不受測針復(fù)位力的影響;同時(shí)它最大限度地消除了測量時(shí)常見的滯后現(xiàn)象 — 能夠輕松實(shí)現(xiàn)小于5 μm的精度。特殊的測量程序可防止由于測頭過快地接觸表面而產(chǎn)生不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。如果軟件檢測到因測頭振動(dòng)所引起的干擾，它將命令測頭停止接觸工件或不會記錄測量值。正如Heinz-Peter Heyne所了解的那樣，只有在以適當(dāng)?shù)乃俣冉咏鼫y量位置時(shí)，測頭才能獲得可靠的測量結(jié)果。通過將這項(xiàng)技術(shù)與其他幾種測量方法相結(jié)合，他能夠可靠地將測頭的測量重復(fù)精度保持在1 μm的范圍內(nèi)。

　　測頭將記錄的測量數(shù)據(jù)以光學(xué)方式(即無需電纜)傳輸至車床工作區(qū)域內(nèi)的接收器。車床數(shù)控系統(tǒng)通過接口接收該信息，將其用于控制和調(diào)整正在進(jìn)行的測量過程。此外，PTB團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一套特殊軟件，能夠讓他們將測量結(jié)果同時(shí)傳輸?shù)揭慌_服務(wù)器中，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行評估和存檔。

　　PTB的專家們使用了一系列復(fù)雜的驗(yàn)證過程來檢驗(yàn)OMP400測頭和高精度車床組合的最終加工效果。在加工了多個(gè)輪廓后，他們在機(jī)床和坐標(biāo)測量機(jī)上分別測量了結(jié)果。

　　同時(shí)，他們還使用測頭在加工機(jī)床上測量了經(jīng)過標(biāo)定的參考工件，并在外部坐標(biāo)測量機(jī)上也測量了該工件。

　　團(tuán)隊(duì)將所有的測量結(jié)果進(jìn)行比較以獲取補(bǔ)償數(shù)據(jù)，當(dāng)車床加工輪廓時(shí)，以及在工作區(qū)域內(nèi)使用OMP400執(zhí)行測量時(shí)，這些數(shù)據(jù)可用于更新該高精度車床的數(shù)控系統(tǒng)。

　　通過將多個(gè)工件的機(jī)內(nèi)測量結(jié)果與來自坐標(biāo)測量機(jī)的測量結(jié)果進(jìn)行比較可以證明，如果按照此種方式對測頭進(jìn)行標(biāo)定，并將補(bǔ)償數(shù)據(jù)應(yīng)用到車床加工順序中的測量過程中(原位、序中測量)，則可實(shí)現(xiàn)1 μm以內(nèi)的測量精度。

　　為了測量圓度和直徑，對于每個(gè)質(zhì)量塊，測頭記錄了超過三十個(gè)圓周測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

　　對于圓柱度，也按照類似模式進(jìn)行測量，即在整個(gè)圓柱長度上取五組圓周測量結(jié)果。而測量圓柱正面的六個(gè)球狀壓痕則最具挑戰(zhàn)性，在將圓柱放入差分加速度計(jì)中時(shí)，這些壓痕可用作支承點(diǎn)。壓痕的最大直徑僅為1.2 mm，為此Heinz-Peter Heyne專門使用了一款測球直徑僅為0.3 mm的特殊硅基陶瓷測針。

　　對多個(gè)加工步驟進(jìn)行迭代以實(shí)現(xiàn)±1 μm的精度

　　在生產(chǎn)了多個(gè)用于試驗(yàn)和比較的樣件后，Heinz-Peter Heyne利用迭代過程以Pt-Rh和TiAl4V6為材料制造出最終的檢測質(zhì)量塊。他首先在高精度車床上分多個(gè)制程完成工件的粗加工，此時(shí)工件外徑的尺寸超出規(guī)格約0.01 mm。

　　接下來，在使用OMP400測頭采集和記錄測量結(jié)果后，他將工件加工成最終尺寸。Hagedorn博士自豪地宣布，該方法首次嘗試就獲得了成功：“正如我們所計(jì)劃的那樣，我們能夠?qū)λ袔缀翁卣鲗?shí)現(xiàn)±1 μm的加工精度。

　　雷尼紹OMP400測頭的精度與可靠性是我們成功的一個(gè)關(guān)鍵因素。鑒于我們的鉑銠合金原材料的成本就需數(shù)萬歐元，我們對這一結(jié)果感到非常滿意，”他總結(jié)道。

　　等效原理

　　早在1636年，自然科學(xué)家伽利略 (Galileo Galilei) 就宣稱，慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量始終相等。這一理論幾乎成為至今依然適用的所有物理學(xué)理論的基礎(chǔ)，包括愛因斯坦的相對論。

　　該理論指出，引力場對物體施加的作用，無法與加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的效果區(qū)分開來。或者簡單來說，在真空環(huán)境(消除空氣阻力的影響)中，一塊鉛和一根羽毛從開始加速起直到落地所用的時(shí)間是相同的。

　　然而，對地球上最小粒子的最新研究結(jié)果表明，如果在足夠高的精度下觀測(尺度小于10-12 μm)，則等效原理可能不再適用。

　　歐盟的MICROSCOPE空間實(shí)驗(yàn)任務(wù)的目的便是澄清這些問題。在遠(yuǎn)離“地球”干擾的外層空間，將兩個(gè)已知其確切尺寸且由不同密度的材料制成的質(zhì)量塊拋入零重力、高真空的太空環(huán)境中。高精度加速度計(jì)將測量它們的相對運(yùn)動(dòng)。位于不倫瑞克的PTB為這次實(shí)驗(yàn)制造了圓柱形質(zhì)量塊。

　　由于制造過程具有極高的精度 — 圓柱體所有相鄰表面的尺寸、均勻度、(共)圓柱度、平行度以及傾斜度的精度均可達(dá)到1 μm至2 μm — 因此質(zhì)量塊的尺寸精度可確定達(dá)到10-15 μm。結(jié)果便是太空實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家們能夠在這些極高的精度水平上測量不同圓柱體對加速力的反應(yīng)，如果他們能夠觀察到差異，那么這一實(shí)驗(yàn)必定會在固體物理學(xué)領(lǐng)域引發(fā)一場思想革命。

（轉(zhuǎn)載）