隨著人類對地球上最小粒子的理論認知有了新的發(fā)展，一些物理學家現(xiàn)在開始對慣性和引力質(zhì)量的等效原理提出質(zhì)疑。
為了驗證這些新的猜想是否正確，位于不倫瑞克的德國國家計量研究院 (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到了2 μm至3 μm。
這一工程成就的實現(xiàn)，則要歸功于來自Benzinger的高精度車床與來自雷尼紹的OMP400測頭的有機結(jié)合。
背景
對工程師來說，如今生產(chǎn)精度達到2 μm至3 μm的零件已經(jīng)不是什么難事了。但是，作為PTB表面計量工作組的項目主管兼經(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)有的機器能夠在一或兩個方向上毫無困難地實現(xiàn)2 μm至3 μm的定位精度，但對于我們的檢測質(zhì)量塊，我們需要在整個三維空間達到這一高精度 — 不僅是在每個具體位置，還包括各個平面、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)星檢驗等效原理的普適性。
這些質(zhì)量塊每個大約長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內(nèi)用于檢測。
這種配置可確保兩個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行加速度測量實驗，以驗證在測量精度達10-15 μm時慣性和引力質(zhì)量的等效原理是否依然成立。
“正如我們所計劃的那樣，我們能夠?qū)λ袔缀翁卣鲗崿F(xiàn)±1 μm的加工精度。這種高精度加工產(chǎn)生的結(jié)果，可能會對科學家們是否需要重新思考公認的物理學定律帶來重大影響。雷尼紹OMP400測頭的精度與可靠性是我們成功的一個關(guān)鍵因素?！薄聡鴩矣嬃垦芯吭?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)的刀具進行優(yōu)化。如果采用傳統(tǒng)刀具，在對鉑銠合金工件進行表面加工時，特別容易出現(xiàn)磨粒磨損現(xiàn)象，這將導致零件的表面光滑度無法達到預期要求。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的科學儀器設(shè)計團隊的成員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制造過程(不能中途取下和重新固定工件)，精度水平才能達到最初的設(shè)計要求。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隊的操作非常謹慎，但是在重復加工的過程中仍出現(xiàn)了最高達0.01 mm的明顯偏差。
為了使整個制程的精度達到所要求的水平，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，則是消除當分別確定加工過程和測量過程的起始位置時，相互之間可能會產(chǎn)生的不確定性和不準確性。
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。
他重點比較和評估了測量結(jié)果的精度和重復性?！拔覀兊慕Y(jié)論是，唯一能夠滿足這些標準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)驗證可實現(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位力的影響;同時它最大限度地消除了測量時常見的滯后現(xiàn)象 — 能夠輕松實現(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)生不準確的數(shù)據(jù)。如果軟件檢測到因測頭振動所引起的干擾，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?shù)乃俣冉咏鼫y量位置時，測頭才能獲得可靠的測量結(jié)果。通過將這項技術(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)整正在進行的測量過程。此外，PTB團隊還開發(fā)了一套特殊軟件，能夠讓他們將測量結(jié)果同時傳輸?shù)揭慌_服務(wù)器中，以便對數(shù)據(jù)進行評估和存檔。
PTB的專家們使用了一系列復雜的驗證過程來檢驗OMP400測頭和高精度車床組合的最終加工效果。在加工了多個輪廓后，他們在機床和坐標測量機上分別測量了結(jié)果。
同時，他們還使用測頭在加工機床上測量了經(jīng)過標定的參考工件，并在外部坐標測量機上也測量了該工件。
團隊將所有的測量結(jié)果進行比較以獲取補償數(shù)據(jù)，當車床加工輪廓時，以及在工作區(qū)域內(nèi)使用OMP400執(zhí)行測量時，這些數(shù)據(jù)可用于更新該高精度車床的數(shù)控系統(tǒng)。
通過將多個工件的機內(nèi)測量結(jié)果與來自坐標測量機的測量結(jié)果進行比較可以證明，如果按照此種方式對測頭進行標定，并將補償數(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，對于每個質(zhì)量塊，測頭記錄了超過三十個圓周測量點的數(shù)據(jù)。
對于圓柱度，也按照類似模式進行測量，即在整個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球狀壓痕則最具挑戰(zhàn)性，在將圓柱放入差分加速度計中時，這些壓痕可用作支承點。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。
對多個加工步驟進行迭代以實現(xiàn)±1 μm的精度
在生產(chǎn)了多個用于試驗和比較的樣件后，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制程完成工件的粗加工，此時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：“正如我們所計劃的那樣，我們能夠?qū)λ袔缀翁卣鲗崿F(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，無法與加速運動產(chǎn)生的效果區(qū)分開來?；蛘吆唵蝸碚f，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空間實驗任務(wù)的目的便是澄清這些問題。在遠離“地球”干擾的外層空間，將兩個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。高精度加速度計將測量它們的相對運動。位于不倫瑞克的PTB為這次實驗制造了圓柱形質(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到1 μm至2 μm — 因此質(zhì)量塊的尺寸精度可確定達到10-15 μm。結(jié)果便是太空實驗室的物理學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，那么這一實驗必定會在固體物理學領(lǐng)域引發(fā)一場思想革命。
（轉(zhuǎn)載）
