時間：2023-03-24 15:11:40
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發表網為您精選了8篇機械工程博士論文，愿這些內容能夠啟迪您的思維，激發您的創作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
關鍵詞：大立柱，鑄件對接，坡口型式，裝焊工藝
660MN多功能壓機立柱為清華大學機械工程系設計的大型壓機的大型鑄件，屬鑄造箱型結構，重量約252噸，外形尺寸分別為2100×2100×13000mm，由于噸位過大，無法實現整體鑄造，分頂部、下部兩段鑄造，然后周邊焊接，對接成一體的鑄焊件，材質為GS20Mn5N，碳當量CE=0.46~0.6%，可焊性一般。該壓機國內少見，由太原重工股份有限公司軋鍛分公司承擔制造。博士論文，鑄件對接。。如下是對該立柱的對接焊方面做相應的研究。
首先，焊接方法采用Ar+CO2氣體保護焊和埋弧自動焊兩種，焊材分別選用φ1.2ER50-6及φ4.0 H10Mn2，焊劑選用SJ101。由于對接坡口深且截面較復雜，焊縫質量要求高，為全熔透焊縫，技術標準依據JB/T 5000.3-1998，焊后消應力。博士論文，鑄件對接。。生產過程中焊接區域需進行預熱、層間錘擊、焊后緩冷等多項措施。博士論文，鑄件對接。。由于焊后立柱整體的平面度、直線度、垂直度均要求控制在±5mm之內，所以特別強調裝焊過程的尺寸控制，嚴格按照工藝執行，具體如下：
一、裝配及準備工作
（1）用角磨機清理坡口表面，再次確認坡口表面無缺陷，檢查坡口鈍邊是否符合要求，及時進行修理。；
（2）檢查坡口根部的錯邊量≤2mm，并進行必要調整，根部裝δ=20mm
寬度200mm的內襯圈，預留坡口間隙3mm，裝配門字形固定板，預熱后焊接；
（3）由金工在兩段鑄件上劃出兩個方向的中心線并打標記，以便裝配時找正。按設計圖將兩段鑄件分別用方鋼墊平放置，立柱四個面分別用水平儀測量平面度，用鋼絲測量直線度，用吊線的方法測量垂直度，均要求控制在能加工起來的尺寸公差范圍內。
（4）斷焊點固，隔300mm焊150mm，焊角20mm，焊前需對斷焊區域局部預熱，預熱溫度200℃～250℃；
（5）立柱裝配完成后（安裝翻身起吊用的卡箍），經檢驗人員復檢后方可施焊，兩側焊縫可同時進行；
（6）焊前立柱外側用遠紅外線履帶加熱片配熱電耦控溫對焊縫區域進行加熱，加熱溫度200℃~250℃，由于部件對接處較厚，需反復加熱，用硅酸鋁纖維、石棉布扎緊保溫，封底前需對坡口根部進行火焰加熱，焊接過程丙烷加熱立柱內腔，焊后保溫緩冷。
圖3 立柱截面圖
二、焊接及順序
（1）首先對稱左右兩側立焊封底，采用氣體保護焊，同時填充至40mm左右，；
（2）平焊封底，采用氣體保護焊填充至40mm左右，彎角處、爬坡處封底焊填充40mm左右；
（3）翻身180°平焊封底并填充50mm左右，采用氣體保護焊；
（4）封底后采用埋弧自動焊填充，彎角處仍采用氣體保護焊；
（5）隨后每次翻身90°，埋弧自動焊填充，填充量據實際變形情況定，每翻一周逐漸增加；
（6）焊完進行后熱處理，溫度控制在250℃-300℃之間，保溫6小時以上，之后緩冷至室溫；
（7）探傷要求應不低于母材超聲波探傷標準。探傷合格后，進爐退火消應力。
注意：焊接過程中要隨時測量立柱的整體形狀尺寸，隨時翻身，嚴格控制焊接工藝參數，使各條焊縫的熱輸入基本達到均衡，有效控制變形，層間需用風鏟逐層、道錘擊清渣，必要時可采用振動均衡應力，焊接過程用煤氣火焰邊焊邊加熱，隨時檢測焊縫區域的層間溫度，應控制在200℃-250℃之間。焊劑烘干溫度350℃，保溫2小時隨用隨取。焊接過程中翻身要特別注意安全，操作者要嚴格按照安全操作規程執行。鑄件腔體內部火焰預熱應注意氣體使用安全。
關鍵詞： 美國；博士生教育；培養模式
中圖分類號： G649.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-8381(2012)05-0060-04我國自1981年初正式實施《中華人民共和國學位條例》以來，博士生教育作為最高層次的研究生教育一直備受關注。經過全國高校多年的努力，我國博士生培養規模現已躍居世界前列\[1\]，但是教育質量沒有得到同步提高。博士生作為高端科技人才的領軍群體，其教育水平代表了一個國家高等教育發達程度、科研水平發展潛力和國家核心競爭力。目前，中國正處于從“制造大國”到“制造強國”的歷史性跨越階段，需要大量從事高新技術研發和交叉領域的創新型高水平科技人才，機械學科的博士生教育遇到了前所未有的契機和挑戰。培養模式是指為了培養學生具備特定的知識、能力和素質，學校在特定教育經驗基礎上以某種教學思想為指導、某些教育理論為依據建立的范型\[2\]。科學的培養模式是博士生教育質量的保障。
美國擁有150多年的博士生教育經驗，其培養模式經過不斷改革和完善，日益獲得國際學術機構的認可和效仿。本文以美國機械工程專業具有代表性的佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology，簡記為GaTech）為例，探討美國機械學科博士生培養模式的特點，并結合我國現狀，提出建議，希望為我國博士生教育提供有益的參考。
一、 美國博士生培養模式
創建于1885年的佐治亞理工學院是一所以理工科見長的公立大學。根據US News & World Report的統計，其工程學院研究生教育在全美連續4年名列第4，機械學科（Mechanical Engineering，簡記為ME）研究生專業在全美排名第6。ME在讀博士生約300人。下面以GaTech ME為例，介紹美國博士生的培養目標、培養方式、所包含的主要環節及其要求\[3\]。
（一） 培養目標和方式
學生在獲得博士學位時應達到以下目標：具有未來在工業界和學術界從事工作所需的基礎，并形成終生學習的意識和習慣；掌握先進的分析問題和解決問題的方法，包括數學、計算機、實驗方法和技術等；掌握堅實的深入的專業知識，能夠成為某一領域的專家；具有寬廣的相關學科的知識基礎，具有解決交叉領域問題的洞察力和技術；掌握科學研究所需的技能，包括任務規劃、信息集成與綜合、團隊合作、交流溝通、等；提升領導力、學術職業道德、社會責任感和服務意識。
博士生學習年限沒有特定要求，但要保證至少兩個學期為全日制注冊。博士生培養實行導師負責制，整個在讀期間可分為兩個階段：（1） 入學后第一個學期和導師共同制定培養計劃，開始課程學習、科研的前期準備和調研工作，并通過資格考試。（2） 以科研為主，同時完成規定學分、教學訓練、學術講座等環節，最終在論文和答辯通過論文指導小組審核后獲得學位。在學期間，導師有權根據學生的工作情況中止對學生的指導（經濟資助保留至該學期末），學生有1個學期的時間尋找新的導師。如果學生是因為工作表現欠佳和學術紀律問題被淘汰，所在學院一般不再予以接收。學生也有權更換導師、轉換學校或系、休學、退學等。學生已經獲得的學分可以轉至新的校系，資格考試成績是否有效取決于轉入校系的規定。
（二） 主要內容與基本要求
1. 課程學習和其他環節學分要求。根據博士生培養計劃的要求，博士生應獲得不少于42學分的學位課程學分，其中本專業課程24學分，相關專業課程12學分，其他課程6學分。從課程難度上看，要求至少36學分的課程為6級或以上（課程難度共分為8級，難度逐級增大）。
另外還有5個非學位課程學分。為鼓勵博士生參加本專業的學術講座，設有2個學分，學生提供11個講座的題目、演講者和日期可獲得1個學分。教學訓練是博士生培養的另一個必修環節，占3個學分。學生在參加了教學培訓課程后，選取一門專業課程，參加以任課老師為主的教學全過程，包括答疑、批改作業、輔導實驗、考試等。最為重要的是博士生必須自己獨立準備并講授3節課。學期末任課老師和系里教學委員會共同評價博士生是否可以獲得該學分。
2. 資格考試。在入學1年（直博生兩年）后所有博士生都必須參加博士生資格考試，但前提條件是已修課程成績GPA不低于3.3。資格考試的重點是考察博士生是否掌握了堅實寬廣的學科基礎知識和專門知識，是否可以利用這些知識分析和處理問題，是否具有完成博士學業所需的工作能力。每人必須分別參加3門分屬3個不同專業方向的綜合性考試，每門考試都分筆試和口試。資格考試通過后方可進入以研究為主的第二個學習階段。如有一門課程的口試或筆試環節不通過，則在下次考試中有一次補考機會。補考仍不通過者，將強制中止博士學習。淘汰率一般在25％左右，有些專業甚至高于40％。
關鍵詞：工程博士教育；規范管理；特點；課程體系
中圖分類號：G72 文獻標識碼：A
工程博士專業學位研究生教育是適應我國現代化建設對高層次工程技術人才需要而設置的，是將高層次的人才培養與國家重大需求相結合的一種新型專業學位。工程博士專業學位的設置對提升學校專業學位辦學層次、完善學位授權體系結構具有極其重要的意義。面對這種新型的專業學位類型，華中科技大學機械學院（以下簡稱“學院”）試圖探索行之有效的工程博士培養質量保障體系。
一、加強培養過程的規范化管理
對于培養單位來說，規范管理主要是在工程博士教育過程中明確培養目標，建立科學的管理體系，從而達到不斷提高教育質量的目的。學院秉承“育人為本、創新是魂、責任以行”的辦學理念，針對工程博士教育的特殊性，制定了一系列的管理規章制度，有效保證了工程博士的教育質量。
（一）從學術方面到實際應用能力，明確工程博士的培養目標
知識方面：應該具備機械工程領域堅實寬廣的理論基礎和系統深入的專業知識；
能力方面：要具有科技開拓創新精神和獨立研究的能力，對新技術具有敏銳的洞察力；能夠引領企業在技術進步和技術創新中不斷前進，持續推動企業的技術進步；
素質方面：具有相對專業的領導能力、組織能力和溝通能力，團結并能領導企業的研發團隊，實現企業的組織創新；具有對市場的適應能力以及對企業生產發展的改革能力。
成果方面：在推動產業發展和工程技術進步方面要做出創造性成果。
（二）從硬件到軟件，注重導師團隊的建設
目前，學院擁有數字制造裝備與技術國家重點實驗室、制造裝備數字化國家工程研究中心、國家數控系統工程技術研究中心、國家CAD支撐軟件工程技術研究中心、教育部制造技術國際標準研究中心等5個國家級研究平臺；擁有國家工科機械基礎課程教學基地、國家機械實驗教學示范中心等2個國家級基礎教學平臺；擁有2個國家級教學團隊和擁有機械基礎課程實驗中心、機械學科專業課程實驗中心、先進制造與裝備技術綜合實驗中心等3個教學科研實驗平臺。
除此之外，學院教師隊伍中有20多人次分別擔任國家“973”項目首席科學家、“863”重點項目負責人、重大專項負責人。學院專門從這些專業教師中選聘承擔過國家重大專項的教授、博導擔任工程博士的導師。無論是硬件還是軟件環境，學院都為工程博士的教育質量保駕護航。
二、探索建立適應工程博士教育特點的課程體系
博士生的課程學習階段擔負著夯實基礎、拓寬視野的重要作用，是博士生進行后續課題研究、論文寫作的前提和基礎。學院根據培養對象的特點和培養目標設計了個性化的工程博士專業學位課程體系，實行多學科交叉培養。學院為此特開設了以下學位要求課程：先進制造工程學、現代設計學、現代優化方法及應用、計算制造工程學、現代管理理論與方法。學生在其課程學習期間， 除校級公共必修課程與跨一級學科選修課程外， 在自己的專業領域從學院設置的學科課程中選修2～3門專業課程進行學習。
依托高檔數控機床與基礎制造裝備、極大規模集成電路制造裝備與成套工藝等國家重大專項招收的先進制造工程領域工程博士生，必須實質性地參與國家科技重大專項的研究，是為了服務國家重大專項需求。學院專門為工程博士開設了《先進制造工程學》課程，該課程強調信息學科與傳統機械制造學科的融合，要求教師以精密技術和自動化為核心，以制造學科為基礎，以數字化裝備、汽車工業及信息產業為支撐， 加強先進制造技術在信息產業、生命科學、環境工程等領域中的應用及教學， 并要求逐步加大應用性案例教學的比重。典型科研案例講座關鍵在于注重學科交叉，著眼于科研方法的創新、研究思路的拓展， 這種案例教學法近年來在國外的一些博士課程中廣泛采用， 并已證明有助于學生創新思維的形成，從而提高工程博士生的綜合科研素質。特色課程《先進制造工程學》不僅涵蓋了學院的優勢與特色專業領域，而且依托學院在機械制造學科發展上的經驗和探索，凝煉了眾多學科專業博士生導師多年科研成果和學科經驗，使得該課程成為工程博士專業學習逐步向科研創新能力培養轉化的橋梁。
工程博士各專題課程的設置是根據學科發展動態變化的，具體內容由各授課教師策劃。近年來，數字制造及微納制造技術已成為先進制造領域的熱門，這在授課教師開設的專題講座上也得到了充分體現。例如，學院在《先進制造工程學》博士生專業課程中設置的專題講座有：數字化制造與智能控制類專題講座、微納制造類專題講座、其它先進制造類專題講座。這些學術專題講座主要突出一個“新”字，包括本學科最新科研動態、學科領域國內外最新研究進展或前沿性問題的新發現、新學說，以及教師本人的最新科研進展。該課程對學生專業領域創新思維培養是具有一定效果的。
由于工程博士的培養目標是要培養引領企業技術創新的工程技術領域的領軍人才，因此與學歷博士生相比，工程博士的課程體系還專門增加了15個學分的實踐環節，其中，專業課程實習實踐4個學分、專業設計3個學分、工業實習8個學分。為工程博士量身定置的實踐環節學習年限要求不少于3年，單從時間上看，這在工程博士培養年限中占了相當大的比重，更凸顯出工程博士在培養過程中注重工程實踐能力的拔高。
三、嚴把工程博士學位論文關
工程博士的培養實行學校與企業的雙導師制，由雙方組成指導小組共同指導工程博士生的學位論文。與學歷博士相比，工程博士更注重實際科研能力的培養，而工程博士學位論文是這種能力的綜合體現，并且最能反映工程博士培養質量的高低，所以，學院擬從以下3個方面保證學位論文的質量：
（一）學位論文的選題與開題
學位論文的選題應在課程學習階段后期或結束時啟動。校、企導師組根據學員的自身條件、企業的實際需求以及企業的未來發展方向，指導學生正確選題；學生在對學位論文的選題進行調研和可行性論證的基礎上，形成書面開題報告。開題報告由培養單位組織導師及來自企業的專家進行審議，重點考察學員擬進行的學位論文研究是否有可能達到機械工程領域工程博士專業學位論文的水準。
（二）學位論文中期考核
論文中期考核安排在開題報告后約一年左右進行。學員根據論文研究進展完成如下內容的考核報告：論文研究進展情況、存在問題分析、擬作調整的內容及方案、工作計劃調整等等。在研究過程中允許對論文研究范疇作適當調整或補充，凡對開題報告內容不存在顛覆性的改變，則可繼續論文研究工作，否則應重新開題。
（三）學位論文的評審
為了保證和提高博士學位論文質量，學院經過多年的探索和實踐，從1999年開始就在院系一級試行博士學位論文雙盲預審制度。博士學位論文雙盲預審指的是評閱人、論文作者及與作者相關的一些信息均予以匿名，然后在博士學位論文正式提交審核之前，所在學院的研究生主管部門對論文所做的最后一次把關。多年的探索充分證明了推行雙盲預審制度確實對提高博士學位論文的質量起到了非常有效和不可低估的作用。因此，學院決定沿用博士學位論文雙盲預審制度來控制工程博士的學位論文。
四、結語
與學歷博士相比，工程博士的答辯增加了論文評閱專家、答辯委員會成員，這在一定程度上提高了工程博士最后答辯管理的監控力度。總之，學院從工程博士的招生到培養以及最后的學位授予，都建立了一系列切實可行的培養質量保障管理條例。盡管如此，工程博士專業學位是我國研究生教育領域的一個新生事物，亟待提高與完善，以便工程博士培養更適應企業的需要和社會的發展。
參考文獻
[1]程宜.《先進制造工程學》博士生特色課程建設的探索與實踐[J].理工高教研究，2009，（5）.
[2]范巍.中國博士發展質量調查[J].學位與研究生教育，2011，（1）.
[3]程宜.博士學位論文盲預審制度的實踐與探索[J].理工高教研究， 2009，（1）.
美國第一個獲得心理學博士的婦女，被稱為“管理學的第一夫人”。
莉蓮•吉爾布雷思是美國管理心理學家，人因工程學的先軀，也是是美國第一個獲得心理學博士學位的婦女。她出生于美國加利福尼亞州奧克蘭市，逝于美國亞利桑那州菲尼克斯。
莉蓮的《管理心理學》對管理發展史進行了整體概括。她將歷史上管理方式分為三種：傳統方式、過渡方式、科學方式。所謂傳統管理方式，被她形象地喻為“驅趕式”或“昆斯伯里侯爵式”。昆斯伯里侯爵是一位英國貴族，由他制定的拳擊規則在1891年得 到世界公認，拳擊比賽由此實現了規范化。傳統方式的管理，一般采取單一的直線指揮，特點是中央集權，管理的宗旨就同職業拳擊類似，以競爭取勝。“昆斯伯里侯爵式”管理，象征著管理者與工人雙方“根據比賽規則”展開體力和智力的競賽，本身暗含著“對抗”的意味。所謂過渡管理方式，是指在工業化之后、泰羅制誕生之前的管理，這種方式差異較大，包羅萬象，沒有形成統一的范式。新的探索已經出現，但不成體系；舊的方式依然沿用，但多有改良。所謂科學管理方式，就是以泰羅制為代表的工業化管理的整體變化，是建立在人際合作基礎上的、追求社會整體提高福祉的管理方式。
管理心理學
莉蓮出生于加利福尼亞奧克蘭的一個顯赫的家庭，她的父親是一位德國裔的糖廠主。莉蓮是家中九個孩子中的老大，她的母親身體一直不好，所以莉蓮很早就承擔起有關家務以及照管幼兒的責任，幫助體弱多病的母親照顧年幼的弟弟妹妹。她從小性格靦腆、內向，一直由父母和家庭教師在家中教授知識，直到九歲才正式入學，她的父母不僅僅教她學習課本知識，還教她學習法語、德語和鋼琴。她后來一直鐘愛文學和音樂，這與她早年所受到的全面教育是分不開的。
1900年，莉蓮在加利福尼亞大學伯克利分校取得了文學學士學位。稍后，又以關于本•約翰遜(Ben Johnson，與莎士比亞同時的著名劇作家兼詩人)的論文取得文學碩士學位。在她去歐洲旅行途經波士頓時，與后來成為她丈夫的弗蘭克•吉爾布雷斯邂逅，據說兩人一見傾心。弗蘭克年長莉蓮十歲，年輕、英俊而且富有，創新精神十足，17歲時就創辦了自己的建筑公司。三周以后，莉蓮接受了弗蘭克的求婚，兩人于1904年結婚。管理思想史學者雷恩這樣評價這對夫婦的相識：“弗蘭克和莉蓮結婚這件事是現代管理學的運氣，因為他們二人可以互相補充，他們各自思想上的興趣以及掌握的知識的結合使管理學進入了一個新的領域。”
吉爾布雷思1914年的博士論文是《管理心理學》，1928年在《和我們的孩子們生活在一起》一文中發表了她在兒童管理方面的經驗，有關雜志也發表過她在動作研究方面的成果。1944年L.吉爾布雷思和F.吉爾布雷思被授予美國機械工程協會獎章。她還在世界各地講學，甚至在90歲以后，她的講演對眾人仍有著極大的吸引力。
管理史階段劃分
與同時代的其他從事管理研究的心理學家相比，莉蓮的長處在于把自己的理論建立在對管理學的宏觀認識基礎之上。她有著深厚的文學功底，有著來自家庭生活的豐富經驗，有著特別細膩的女性感覺和悟性，尤為可貴的是，她具備常人所缺少的堅韌毅力和奮斗精神。這些鋪墊，使她的管理心理學研究不囿于對某個特殊管理問題的心理學解釋，而要比其他人看得更為廣闊，更為深遠。莉蓮對管理學的貢獻，在她的博士論文《管理心理學：精神在判斷、指導和實施最少浪費方法中的作用》中已經有了比較全面的反映。
莉蓮的管理史研究，在當時具有重大意義，它能夠使人們跳出解決某一管理具體問題的狹隘視野，更好地把握科學管理的時代價值。這種管理史階段的劃分，對后來的學術研究也產生了相當廣泛的影響。
在對管理進行了三種歷史類型的劃分以后，莉蓮根據這三種管理方式，對管理領域的關鍵環節進行了深入的比較研究，并圍繞這些關鍵環節提出自己的管理見解。所涉及的內容，包括個人、職能化、衡量、分析綜合、標準化、記錄和計劃、傳授知識、刺激以及福利等。尤其是關于“個人”的研究，揭示了莉蓮管理思想的本質和她的興趣所在。她認為，當時的心理學主要關心“群體心理學”，而對個體的心理研究卻比較少。在傳統管理下，個人受到中心人物的權力壓抑，事實上處于一種受“脅迫”的地位；而在科學管理下，個人則是一切活動的出發點和中心，挑選人員、激勵工人、考慮工人的福利等活動，都得圍繞“個人”進行。尊重“個人”是科學管理的基本內涵。在這個尊重“個人”的前提下，莉蓮對全面考慮工人的“福利”提出了新的、更加完善的觀點。科學管理提倡有系統的工作，鼓勵良好的個人習慣，而且關心個人在物質上、精神上和經濟上的發展，即要把“福利”理解為“總的幸福” ――它包括精神、物質、道德和經濟等各方面的發展。在莉蓮看來，昆斯伯里侯爵式的管理，關注的核心問題是如何使用和剝削工人。科學管理的目的，則是通過培養人的品德、特殊的能力和技巧，從而使每一個人都能發揮其最大的潛力；所關注的核心問題是為了相互共同的利益，管理部門如何才能使個人得到發展，重在強調“有效”前提下的勞資合作。
以人為本
莉蓮指出，傳統管理會使人缺乏安全感，而在科學管理的視域下，工人是“泰然自若和安全的”，因為傳統管理完全依靠報酬和懲罰，而科學管理則努力爭取工人的合作。
從提高安全感出發，莉蓮對科學管理的積極作用進行了多方面論證。例如，立足于專業化的職能化管理，不僅僅是提高效率的措施，而且能夠通過提高工人的產出，進而提高工資，給工人帶來自豪感；這種自豪感又能使技術得以改進，從而能提高工人的福利； 而對工作的自豪感以及福利的提高，會進一步促進工人身心的健全發展。這種連鎖反應式的變化，與其說是技術性的，不如說是心理性的。通過這樣的研究，莉蓮為科學管理與心理學的融合做出了自己的貢獻。
在莉蓮的管理思想中，“人”一直被置于中心的位置，她認為成功的管理“在于人而不是工作”，而她和丈夫弗蘭克一直努力推廣的科學管理，實際上就是為人們提供能最大限度地利用人的努力的方法。從人出發，她們夫婦提出了管理上的三個設想：一是吸引愿意參加本組織的人的必要性，二是保持并恰當安排和提升本組織已有成員的必要性，三是前兩種必要性的相互依存。在這一方面，他們的思想已經向以人為本的方向跨進。
“直接面向國家需求，直接解決國家重大工程問題，直接貢獻國防重點工程，直接服務行業、服務區域經濟，依靠產學研強強合作，發揮大兵團作戰的優勢，為國民經濟的發展做出重大貢獻。”這就是中南大學產學研合作模式。正是在這種模式的引領下，才有了此次鐘掘院士領銜的國家科技進步一等獎的榮譽。
“治有色學、興有色業、鑄有色魂。”這就是中南人的精神。也正是在這種精神的激勵下，才會有中南大學今日的成果與明日的輝煌。
她是中國機械領域惟一女院士。她長期從事機械工程和材料制備領域的教學與科研工作。她的研究成果共獲國家科技進步一等獎等有關獎勵20余項。她被授予“全國先進工作者”、“全國十佳女職工”、國家有突出貢獻科技專家等榮譽稱號……她就是2007年度國家科技進步一等獎“鋁資源高效利用與高性能鋁材制備的理論與技術”項目的主持人、中國工程院院士、中南大學教授鐘掘。
帶著一份敬仰與好奇，本刊記者采訪到了這位傳說中的巾幗院士。雖已年過古稀，但在她的臉上依然可見年輕時的美麗；而更深深打動記者的則是她言談舉止中透露出的親和與真誠。
集聚各方優勢力量 攻克鋁工業三大難題
當前，我國鋁工業的發展面臨著鋁資源日益短缺、鋁先進材料無法滿足國家重大戰略需求、金屬鋁發展存在高消耗和高污染的嚴峻挑戰。
中國鋁業公司作為我國鋁行業參與全球化競爭的領航者，迫切需要構筑一個基于全球化的公司技術戰略，但是要迅速提升企業自主創新能力，又不可能完全模仿西方老牌跨國企業，在較短時間內花費大量的財力、人力和物力建立起自己強大的研究機構。因此。構建產學研聯盟，依托優勢高校建立研發基地。成為中鋁公司的必然選擇，而中南大學則是強有力的戰略伙伴。
中南大學擁有世界上最完整的有色金屬學科群。涵蓋了地質、采礦、選礦、冶金、材料、裝備等國家重點學科(而中鋁公司也擁有資源勘探、采礦、選礦、冶金、材料、裝備等子公司，為學科鏈與產業鏈結合提供了最好的合作基礎和合作空間)；擁有以國家重點實驗室、國防科技重點實驗室、國家工程研究中心為主體的有色金屬技術創新平臺；擁有13位兩院院士(占全國有色金屬領域兩院院士的一半)。形成了一批以“長江學者”為代表的中青年學術帶頭人和學術骨干；為“兩彈一星”、神舟飛船等國家重大戰略工程提供了關鍵有色金屬材料；國家在鋁工業領域部署的兩個戰略性重大基礎研究計劃(“973”計劃)項目全部交給中南大學主持。為解決上述制約我國鋁工業發展的瓶頸問題，中南大學鐘掘院士率領一個由在金屬鋁資源高效利用和高性能鋁材制備的基礎研究和產業化實施方面最優秀人才組成的強大隊伍。依靠產學研強強合作，歷時十年，充分發揮高校學科群與中鋁公司的產業群協同與集聚優勢，構成了一套完整的產業技術攻關鏈。發明了選礦拜耳法。可以經濟利用占我國鋁土礦儲量80％約20億噸的中低品位鋁土礦，極大地延長了我國鋁土礦資源保障年限；發明了抗氧化低電阻炭素陽極制備等技術，使冶煉過程節能減排達10％上。年節電量140億度；發明了多場調控半連鑄及多尺度多相強韌化等技術，生產出一系列高性能鋁材，解決了我國對高性能鋁材重大需求問題，打破了國外技術與材料的封鎖，為保證國家國防和經濟安全提供了高性能鋁材保障。
該項目共獲得67項發明專利、7項成套技術和16種高性能鋁合金材料與構件。解決了現階段鋁工業持續發展的三大難題。有力地推動了我國鋁工業的技術進步，推進了我國鋁工業由完全依賴技術引進型向技術出口的重大變革，所研發的技術出口到國外建廠14家，近三年創利稅116.75億元。
“顯著提高產業技術水平、增強科技競爭力要通過多部門協作、多學科集成。共同搞好重大科技攻關。突破核心技術，建設重大工程，形成戰略產品。同時，培養一批杰出的科學家和學科帶頭人，鍛煉和凝聚一支高素質的人才隊伍。”這是總理在今年國家科學技術獎頒獎大會上的講話中所強調的。鐘掘院士帶領這支隊伍所取得的成就正好印證了多部門協作、多學科集成的重要性。
“這次一等獎的獲得。是中國鋁業公司、東北大學、北京工業大學等單位和學校合作的成果，是十年磨一劍辛勤汗水的結晶，是十年眾志成城的結果，是產學研合作取得巨大成功的典范。”這是中南大學校長黃伯云院士在校慶功表彰大會上對此項成果的精辟總結。
談到產學研結合的重大意義。鐘院士不無感慨“高校要想在科研上出成就，絕不能閉門造車。一定要瞄準國家重大戰略需求，立足解決實際問題。服務于行業和區域經濟。中南大學一直都有跟企業緊密合作、為其解決實際問題的傳統。因為企業的需求反映的就是國家的需求。我們跟企業合作。就是把國家的需求落到實處。另外，高校在校企合作、產學研結合的過程中。一定要有準確的定位。高校對技術是敏感的。主要任務是致力于為企業解決關鍵技術上的原理性問題。只有基本的原理弄清楚，才能產生成熟的技術和工藝，最后組裝到整個生產線中才能出產品，變成現實的生產力。”
嚴格求實的學術態度 與人為善的待人方式
“這么大的項目，這么多的單位、這么多的人員是如何組織起來的?”當談到最初立項的經過時。鐘院士回憶說：“為了解決我國鋁工業發展面臨的嚴峻挑戰，國家決定在‘973’計劃項目立項。當時，各個單位都在爭取首席這個位置。中南大學憑借著在有色金屬研究方面的歷史和成就。以及其與企業結合的緊密程度。終于拿到了首席的位置。我作為項目的領銜人，深深地感到了責任的巨大。3000萬元這樣重大的項目、這樣艱巨的任務。這在當時是絕無僅有的。”
立項只是起點。為了避免各個單位關起門來自己搞自己的事。無法明確到國家的總體目標上來。鐘院士組織國內有色金屬領域的專家們一起研究確定項目的大主題。“經過專家們的多次探討。最后確定了項目的三大主題，即：要解決鋁資源缺乏的問題、要解決能耗過高的問題、要解決鋁材的品質趕不上國家重大工程和國防需求的問題。只有符合這三大主題的才可以加入，不符合的就堅決請走。為此，我們又重新組織進行項目的投標申請與答辯，由權威專家們來評審決定哪個單位留、哪個單位走。就這樣，這支隊伍一步一步地凝聚起來，大家共同朝著一個目標奮斗。”
“到了項目中期評估時，再逐個檢查，發現還是有拿著錢不干活或者沒有進展的，又請走了一
批。”鐘院士笑著說：“現在，像我這么嚴厲的首席恐怕不多見了。”本著對國家負責、對工作精益求精的態度，鐘院士一直以來都非常嚴格地要求這支隊伍。
“外人看我都說我挺慈祥的，節假日里還經常跟學生們在一起玩兒。然而如果他們在學習和工作上出錯，我就很嚴厲，經常把我的博士生說得流眼淚。不這么做的話，他們很難接受教訓：不嚴格要求自己，將來做出來的東西如果有虛假，怎樣向國家交待!年輕人要培養自己的思維模式和鍥而不舍的精神。我的每個博士生論文我最少要親自看三遍，有的基礎差點兒的，都會看六七遍。對于一個博士生來講，最后的畢業論文應該反映出他明確的學術思想。如果我馬虎了他的博士論文，那么對其今后一生的影響都不好。”
鐘院士帶過的博士生透露說：“鐘老師在學術上對我們要求非常嚴格，不允許有半點錯誤和虛假存在；然而在生活上卻非常關心我們，盡量給我們提供一些好的條件。聽說。有些年輕的老師要買房子錢不夠，她還很慷慨地把錢借給他們。”
“在學術上要絕對實事求是、不能有半點虛假；待人要與人為善、助人為樂、成人之美，要理解、寬容別人。”這就是鐘院士的處世之道。“我其實是太普通了，只不過認真一點而已。”也許正是這份認真，才成就了這位巾幗院士今日的輝煌。
問到下一步的工作計劃時，鐘院士不假思索地說：“鋁工業還有更艱巨的任務等著我們去做。我們還要上大飛機、要上第四代坦克、要上核潛艇，這些都對鋁材提出了新的更高的要求。所以現在我們面臨著新一輪的挑戰。這是我們下一個‘973’計劃項目的任務，已經立項啟動了。在接下來的工作中。這支隊伍將在原有的基礎上更加強大和凝聚，還會不斷地有年輕人加入進來。”鐘院士說她沒有退休的概念，有機會就會繼續科研。只要能夠為國家做貢獻、為國家的科技進步服務。這就是她一生最大的滿足。這其間，人生的價值才能真正體現。人活著才有意義。
無悔投入“硬冷”世界 愛國情懷伴隨一生
1955年，鐘掘在填報高考志愿時選擇了機械專業，順利考入北京鋼鐵學院機械系，成為學習鋼鐵專業的少數女生之一。談及當初的選擇，鐘院士神采飛揚：“上中學時，總理作了關于第一個五年計劃的工作報告，我在字里行間找到未來生活的方向。當時說，國家現在要重點發展工業。工業里面的重點又是重工業，而機械工業是重工業的基礎。所以我當時就下定決心，高考填志愿時就填上了將重工業和機械工程整合的冶金機械專業。”鐘院士繼續回憶：“之后。我到冶金廠去實習，看到工人在那樣艱苦的條件下仍奮不顧身地工作，那種豪情感染了我。我當時就想到我們國家整個的冶金工藝過程需要改革，要機械化，要讓工人的工作條件好一些。”正是這份愛國情懷。讓鐘掘堅定地走向了機械工程這個“硬冷”的世界。從搞冶金機械到現在研究鋁資源高效利用和高性能鋁材制備，盡管專業有所變化，但都是國家最需要的基礎工業。
“現在的很多年輕人缺乏一種愛國情懷，缺乏對國家的責任感。有一些搞科研的人，總是先以經濟目標為準，這只能是短期行為。我經常教育我的學生不要總是好高騖遠，不要總是想著能得到多少經濟回報、得到多少獎勵。只要用心去做事、把問題解決了，人家自然會記得你，國家也自然會表彰你。年輕人要樹立一種自強不息，對國家、對人民負責的精神，這是第一位的。有了這種精神熏陶，總會找到事情做，總會把事情做好。”這是鐘院士對年輕人的諄諄教誨。
“此外，年輕人還必須要腳踏實地。”鐘院士介紹說，中南大學一直以來都有一種立足實際、腳踏實地做實事的傳統校風。學生的每一個培養環節都始終跟實際緊密結合，從實習、課題設計到畢業設計。都有很多實戰任務。“除了負責國家的縱向課題外，我們還經常跟一些大工廠緊密合作，做一些橫向課題。因為工廠在生產上所反應出的問題總是最前沿、最活躍的。做橫向課題能夠真正了解生產第一線需要解決的實際問題，反過來再反映到國家的縱向課題上去，兩者相輔相成。”
走進鐘院士所在的中南大學機電工程學院教學樓，映入眼簾的是一塊寫有“自強不息”四個大字的匾額。“自強不息，這是一種民族精神。年輕人必須要擁有這種精神。”鐘院士說。教學樓外面的大石頭上，刻著“鬼斧神工。人天合一”八個大字。“這是我建議刻上去的。我們搞機械、搞裝備的，在技術上一定要做到鬼斧神工、精益求精；此外。還要主動地跟天、也就是跟自然融合在一起，要不斷地創新。這就是我所倡導的我們學院的文化。”
正是這種愛國的情懷、自強不息的精神和精益求精的態度。讓鐘院士幾十年如一日地奮斗在國家最需要的領域。解決國家的燃眉之急，攻克了一道又一道科研難關、取得了一個又一個舉世矚目的成就。我們期待著鐘院士和她帶領的這支精干隊伍能為國家的下一個重大需求交上更加圓滿的答卷。
采訪手記
采訪鐘院士，收獲的更多是感動。鐘院士舉止隨和、言談親切、開朗直率、風趣幽默，絲毫沒因為院士的身份而高不可攀。
關鍵詞：三維建模 脊柱 機械簡化模型
0引言
脊柱作為人體骨骼的重要部分，起著"承上啟下"的作用，它支撐著頭部，又連接著人體的盆骨，是整個人體的中軸支柱，因此其結構特征和作用顯得極其重要[53]。脊柱主要具有支撐體重、傳遞載荷、運動、保護及造血等功能[54]。脊柱主要由椎骨、椎間盤、小關節、關節囊等組成。隨著脊柱疾病的日益年輕化及嚴重化，脊柱疾病的研究顯得十分必要，通過查閱文獻可知，采用有限元法，研究脊柱力學特性，是可行的。建立完整的脊柱模型是有限元法的前提，但脊柱的結構及外形相對復雜， 要獲得準確的有限元模型比較困難，由于脊柱在結構及各部位之間的相對運動關系都與機械零部件有相似之處，因此，本文根據人體脊柱的數據，將脊柱的各個部位簡化成一個個機械零件，利用Solid edge軟件，建立脊柱的機械簡化模型。
1脊柱的解剖結構特征
脊柱處于人體背部中間位置，主要由7塊頸椎、12塊胸椎、5塊腰椎、5節融合骶椎和3-4節融合的尾椎以及連接各椎骨的椎間盤、處于椎骨后方的小關節、關節囊、韌帶和肌肉組織等組成。
1.1椎骨的結構特征
人體脊柱主要由頸椎段、胸椎段、腰椎段和骶椎段組成。脊柱的每塊椎骨組成是一致的，都是由一塊椎體和一塊椎弓組成的，椎弓通過椎弓根與椎體連接在一起，椎弓根部分一般比較細，椎體和椎弓之間形成的孔為椎孔，脊柱從上之下的每一個錐孔依次連接，形成椎管，保護著脊髓。
1.2小關節的結構特征
脊柱的每兩塊椎骨之間通過上面椎骨的下關節突和下面椎骨的上關節突連接起來，構成處于椎體后部的關節囊關節，臨床上又名小關節。
1.3椎間盤的結構特征
除了小關節之外，椎間盤也是連接相鄰椎體不可或缺的結構，椎間盤位于上下椎骨的椎體之間，正常人體一般有24塊椎間盤，高度約占人體脊柱總高度的30%。由上下軟骨終板、纖維環和中間的髓核構成，軟骨終板通常由透明軟骨構成，厚度小于1mm；纖維環由膠原纖維構成的25個同心環狀結構組成；
1.4關節囊的結構特征
關節囊是指生長在小關節周圍的結締組織，由外面的纖維層和里面的滑膜層組成，纖維層由結締組織構成，堅硬而不乏韌性，具有良好的延伸性，滑膜層能夠分泌一定的滑夜，對關節運動起著一定的作用，可以減小摩擦，減低小關節的損傷率。
1.5肋骨的結構特征
肋骨作為人體整個胸腔的構架，起著保護肝臟、心臟及肺部等重要器官的作用。正常人體共有12對肋骨，左右對稱。肋骨后端與胸椎骨連在一起，前端借助軟骨與胸骨長在一起的第1-7根肋骨稱為真肋；第8-12根肋骨叫做假肋，其中第8-10根肋骨借肋軟骨與上一根肋骨的軟骨相連，形成肋弓，第11、12根肋骨前端游離，又稱浮肋。
2 Solid edge軟件介紹
Solid Edge是美國EDS公司的中端CAD-PDM產品，具有強大的功能模塊和廣泛的適用范圍，是目前最優秀的三維機械設計軟件之一。其卓越的性能、優異的實體和曲面造型功能、專業化的設計環境和有口皆碑的易學易用性，贏得了業界廣泛的贊譽。Solid Edge功能強大，方便易用，物美價廉，可以說是中小企業進行計算機三維機械設計的首選。Solid Edge主要功能模塊包括：零件設計、裝配設計、鈑金設計、焊接設計、工程制圖、管道與線纜設計、干涉分析及測量工具、運動模擬、 虛擬現實、機構運動仿真、數據轉換、INSIGHT PDM、二次開發接口、CREAT 3D（二維轉三維）、工程設計手冊、網絡、特征識別等。因此，本文選用Solid Edge建立脊柱的機械簡化模型。
3脊柱機械簡化模型的建立
根據上述部分的真實結構，保持各個結構之間的連接關系和相對位置，查閱成年男性脊柱腰骶段外形結構數據，將椎骨、椎間盤、關節囊和肋骨簡化，表1為成年男性脊柱結構參數。在Solid edge軟件界面下，圖1為椎間盤及關節囊的機械簡化模型、圖2為肋骨與椎骨的機械簡化模型，且保持了肋骨與椎骨之間的連接關系，由于人體脊柱不同節段結構幾乎相同，考慮到工作量及電腦性能，本文建立了脊柱部分結構的簡化模型。圖3為本文建立的脊柱部分結構的機械簡化模型。
表1為成年男性脊柱腰骶段結構參數
圖1 椎間盤及關節囊的機械簡化模型
圖2 椎肋骨及椎骨的機械簡化模型
圖3 脊柱部分結構的機械簡化模型
參考文獻：
[1]趙迪.成人退變性脊柱側凸有限元模型的建立及后路三維矯形生物力學研究[博士論文].湖南，中南大學，2010
[2]Hooper.Orthopaedics（第2版）.天津：天津科技翻譯出版公司，200
英國蘇格蘭皇家銀行是英國本土最大的銀行，以市值而論在全球排名第五，它在海外的分支機構遍布世界各地。李權博士現任蘇格蘭皇家銀行中國業務董事和北京代表處首席代表, 負責該行在華業務發展與策劃。
在各種知識的學習中成長發展
李權博士大學時的專業是機械工程，后來改學管理。他的第一個工作是記者，而目前在銀行就職。這些看起來似乎是跳躍性的變化卻有著本質性的聯系，那就是他對學業的鉆研和對機遇的把握。談到李權博士從事銀行業的經歷，他開玩笑地用“陰錯陽差”來形容自己學業和事業所取得的穩步發展。
大學時，李權在北京工業學院學機械工程，看似與金融無關，但專業的學習鍛煉了他的邏輯思維能力，也使他打下了良好的數學基礎。大學畢業時，教委開始從應屆畢業生里選拔公派出國研究生。1985年李權以優異的成績獲得英國駐華使領館文化教育處與國家教委共同設立的“技術合作獎學金”，去英國伯明翰大學學習計算機輔助生產和制造。這個專業較多地涉及生產過程的管理。出于自己的興趣和對未來人才市場發展前景的考慮，李權很快改學工業管理，這門課程后來演變成許多商學院里的管理課程。獲得管理學碩士學位后，他進入阿斯頓商學院繼續攻讀博士學位,研究經濟轉型國家的產業政策和戰略管理領域。在撰寫博士論文的同時,他因自己的亞洲背景和學術專長加入英國廣播公司（BBC）任節目制作/新聞記者，主要負責亞太區和中國金融及市場方面的分析評論。這段過程使他的事業轉為向金融業發展。
1993年下半年，隨著中國經濟的起飛，倫敦很多大的金融機構都希望進入中國市場。倫敦的大型投資銀行和商業銀行紛紛招聘了一批年輕人準備派到亞太區。李權就在這時加入英國四大銀行之一英國國民西敏銀行（National Westminster Bank）的經濟研究部，負責亞太區的經濟研究。不久后他被調任到香港，出任首席經濟師并參與該行在亞太地區的戰略決策。1998年夏，他回到中國，負責拓展國內的市場。李權博士對英國大銀行做事的方式、程序以及監管當局的要求都有相當的了解，這對他在分行或者代表處的管理工作有很大的幫助。他相信，代表處作為整個銀行的一部分，必須以同樣的嚴格要求來保證同樣高的服務標準。
海外留學經歷讓人體驗完全不同的異國文化
從80年代初到90年代初，李權博士在英國前后學習、生活、工作了近10年。在英國讀書多年的經歷，令李權對中西方的教育方法和體制有著深入的了解。他說:“在國內，各門課程都有一本主教材，把這本書吃透，考試就基本能過，考高分也有可能。但到了國外，每一門課程都不是單一內容的，它有可能涵蓋其他很多領域的內容，要求學生博覽群書。”他還有另外一個心得：只要有機會就盡可能在課堂上進行小組討論，每個人即使對所討論的問題了解不深也可以盡量參與，因為這同時也是對語言表述能力的最好鍛煉。讀書時所積累的知識和所掌握的研究方法,有很多應用到了他以后的工作中，包括英文的口頭表達能力和寫作能力。銀行工作特別要求嚴謹性和認真性，對人的邏輯思維能力和文字表述能力有很高的要求。另外，“在公共場合表達自己的能力也很重要。要很有條理、很清晰地把你所想的用讓人信服的方式說出來。”今天回過頭去看那段留學的收獲時，李權認為，不管去哪個國家，一定要把那個國家的語言學好。因為“在很多大型跨國公司里，日常工作常常是以中文以外的語言作媒介，對語言能力的要求在外企里是比較高的。出國留學除了學好專業以外，一定要盡量地提高自己的語言表達能力。”
此外，李權覺得除了在課堂上的學習，從生活中去學習也是大有裨益的。課余時，他會和英國同學結伴去校園附近的酒吧，大家在非常放松的氣氛中聊天、辯論。李權借此機會提高了自己的英語表達水平，也從周圍人的身上了解了更多英國文化和社會底蘊。他認為和英國人交往完全不像一些人想象的那么難。英國人彬彬有禮，常與人保持距離的印象實際只是表面的。他抱著開放和欣賞的態度去主動地接觸當地的文化，并從這個過程中學到了很多東西，這也成為他專業知識以外的另一個優勢，對他事業的發展具有重要的意義。李權舉了一個例子：“在任何一個企業里，工作的關系就是人和人的關系，如果你對這個企業所屬國家的文化和歷史有一定程度的了解，那么你就會和它的管理者或外籍雇員在溝通方面有很大的優勢。”
李權不但樂于接受不同的文化，更希望讓別人對中國文化有所了解。很多外國人對中國的認識是從中餐館開始的，認識非常有限，李權則會在與朋友交往的過程中不失時機地介紹中國的風土人情和中國人看問題的方式。他覺得，“在人和人的交往中，雙方互有給予，這種交往才會深入、長久。”
李權博士幾乎走遍了整個英國，他去過的地方甚至比很多英國人都多。說起英國各地的風土人情，他如數家珍。倫敦是英國的政治和文化中心，也是很重要的國際金融中心。它是非常國際化的大都市，在這里你幾乎可以找到任何你想要的東西，要找到和自己文化背景相似的東西更不是問題。對于生活在大城市的李權來說，英國鄉村飄動著的那種空曠、自由更令他心神俱醉。英格蘭中部和西南部有令人心馳神往的綠野，蘇格蘭多見蒼茫的山林和羊群……各地的風光各有特色，各地的人也有不同的個性。比如;蘇格蘭、威爾士的小城鎮的人們和藹友善，甚至比生活在緊張的大都市中的人們更樂于接受新鮮的事物。求學期間，他還曾背著背包，買了鐵路通票，在歐洲大陸游歷了一個月。許多當時覺得有些艱苦的經歷,現在回想起來很有意義。歐洲大陸擁有巨大的文化財富，而且具有很強的地域特點。幾百公里以外就可能是一個完全不同的國度，可以讓人體驗到完全不同的文化色彩，那里有著真正意義上的多元文化。
本科學歷+實際工作經驗+深造才能成為優秀的管理人才
關鍵詞： DVD光學讀取頭；非接觸探頭；納米三坐標測量機
中圖分類號：TH741 文獻標識碼：A
A Non-contact Trigger Probe Based on DVD Pick-up Head
GAO Wei， CHEN Xiao-huai， CHEN He
（School of Instrument Science and Opto-electric Engineering， Hefei University of Technology， Hefei Anhui 230009， China）
Abstract： This paper presents a non-contact trigger probe based on the commercial DVD pick-up head. The focus sensor and the mechanism have been designed and manufactured. Experimental results show that the non-contact trigger probe can obtains 1nm resolution and a repeatability of 12nm. The non-contact trigger probe can be used on a micro/nano CMM.
Keywords： DVD optical pickup head； non-contact probe； Nano-CMM
引 言
近年來，微納米三坐標測量機整機及其接觸式探頭技術得到了快速發展，世界上許多國家和地區的研究機構都公布了自己研制的三坐標觸發探頭，比如德國PTB[1-2]、英國國家物理實驗室[3-4]、荷蘭Eindhoven大學[5-6]、臺灣大學[7]、合肥工業大學[8]等。
本研究采用日立公司的DVD讀取頭HOP-1000作為開發對象，如圖1 所示，應用于納米三坐標測量機非接觸觸發探頭上，并對其運作機理以及測量原理進行了應用性研究。
1 DVD激光讀取頭聚焦原理
DVD激光頭組件中包括激光二極管，為讀取頭提供穩定的測量用激光光源；光學組件中包括穿透式光柵、分光鏡、四分之一波片、聚焦物鏡、光電傳感器等，光電傳感器將光信號轉換為電信號，由光電傳感器輸出的電壓信號的強弱可判斷出入射光的光強度[9]。本研究中所使用的DVD激光頭的內部傳感器由四片面積相同且光電形式相同的光電傳感器所組成，稱為四象限傳感器（Quadrant detector）。當光點打在檢測器上時，光點落在各檢測組件上的能量不等，因此其信號輸出也不同，利用電子線路，比較各檢測組件的輸出，就可獲知光點位置差。激光讀取頭就是利用四象限傳感器來偵測四個象限分別的感光強度，并進而經由后續的電路信號來計算聚焦誤差信號（focus error signal，FES）。
激光讀取頭的聚焦光點大小及品質決定資料讀取的正確性，同時也影響聚焦誤差信號FES的判斷，決定了我們在測量應用時的精度。本研究中所使用的DVD讀取頭性能參數有：NA=0.6，λ=650nm，光點直徑約為0.86μm。
DVD激光讀取頭的聚焦原理為像散法（Astigmatic Method）。像散是指光線經過像散透鏡，造成成像時橫向與縱向的放大率不同，因此造成像點的失真。利用此像散特性作為測量依據，并結合感測組件四象限傳感器，當透鏡的垂直焦距與水平焦距不同，如圖2所示，則物體若偏離透鏡前焦平面位置時，在四象限光傳感器上的成像光點呈現橢圓變化，當物體處于透鏡的正焦平面位置時，成像光點呈現圓形（FES=0），經信號處理，即四象限的（A+C）-（B+D），失焦信號對失焦位移量的關系成一曲線，即所謂的S 曲線，如圖2所示。
2 DVD激光探頭系統測量原理
2.1 DVD讀取頭運作原理
如圖3所示，激光二極管在加電以后發射約為0.5mW的650nm波長紅激光光束，經光柵衍射后形成三束檢測光，再經分光鏡、反射鏡、準直透鏡，將激光束變成準直光束。準直光束經過鏡片中央呈現有間隔幾十數百微米同心圓溝槽的全息透鏡后，使準直激光束聚焦成適合DVD光盤信息讀取的焦點。經光盤反射的光束沿圓光路再經過準直透鏡、反射鏡和分光鏡后穿越柱面像散透鏡，投射到四象限光電二極管傳感器（four-quadrant photodetector）A、B、C、D 上。四象限光電二極管傳感器根據光點在四個象限上的分布，輸出一聚焦誤差電壓信號FES（B+D）-（A+C）。
這個聚焦誤差信號經過運算放大，補償處理，驅動音圈馬達VCM（Voice Coil Motor），將固定在音圈馬達上的全息物鏡推到可以聚焦光盤平面的位置，達到自動鎖焦的目的[10]。
在DVD激光讀取頭實際讀取光盤數據的過程中，光盤除正常旋轉運動外，也會產生上下抖動以及偏心旋轉等不規則運動。讀取頭必須不斷將位置誤差信號反饋給伺服系統，通過音圈馬達驅動器實時修正聚焦鏡組的位置，使物鏡回到聚焦面，以讀取正確信號。由于自動聚焦的緣故，物鏡始終隨著光盤反射面的表面起伏，如果可以得知物鏡位移的方法，就能了解工件表面的輪廓分布甚至粗糙度。
2.2 自動聚焦與測量原理
自動聚焦是指待測物的反射面總是可以鎖在激光讀取頭的物鏡焦平面上，也就是說當物體表面有起伏時，讀取頭的物鏡會隨之起伏，以便讓物鏡與物體表面間的相對距離不變，而這個相對距離就是該物鏡的焦距。
如圖4所示，在自動聚焦的過程中，當物體反射面位于物鏡的焦點時，經過像散法處理，失焦信號為零，軌跡落在S曲線的中點。當物體反射面離開焦平面，無論是逼近還是遠離物鏡，都會使失焦信號輸出一個不為零的值，這個值經過控制法則處理后，回去驅動音圈馬達，使物鏡超失焦信號為零的方向移動，最后到達平衡位置。此時維持物鏡不動所需的電流轉換成可讀取的電壓信號，即音圈馬達的驅動電壓信號。由于推動物鏡回到平衡位置的過程是實時現象，光電信號的反饋運作與支撐物鏡的彈簧微量運動的配合都是在非常短的時間內完成，所以在靜態觀察下，只能看到平衡后的結果，也就是物鏡位移量對音圈馬達驅動電壓信號的關系。
在實驗驗證中，這個關系為近似直線的變化，因此音圈馬達的驅動電壓會隨著表面高低而有線性的變化，只要測量到音圈馬達驅動電壓的變化，就可以依照這個線性關系求得物鏡的位移量，也就得出物體表面的輪廓。因此，如果將物鏡固定，根據輸出電壓的變化，就可以得到物體表面的形貌高低變化，成為位移測量的感測元件。
3 非接觸式聚焦探頭及應用
3.1 主軸系統設計
主軸系統提供Z方向運動，實現10mm行程范圍，并能保證精密的測頭瞄準功能，因此需要精密機械傳動機構的設計。
圖5所示為主軸機械結構設計效果圖[11]，蓋板固定在拱形橋架對稱中心上，使橋架受力產生的變形集中在其中心部位，由前面章節敘述得知其對測頭測量精度產生的影響很小。壓電陶瓷納米電機驅動精密滑動導軌的滑動塊，將精密運動傳給與滑動塊相連接的中心軸，從而帶動探頭系統上下運動，使得探頭在一定運動范圍內實現納米級的位移分辨率。中心軸通過滑輪和配重系統進行重量平衡，移動距離通過平面鏡激光干涉儀基準進行精密位移感測。結構設計過程中兼顧激光干涉儀的測量軸與測頭的測量軸重合，消除阿貝誤差，提高探頭系統的測試精度。
3.2 DVD聚焦探頭改裝
研究中使用的是DVD激光讀取頭的聚焦功能，因此將DVD探頭進行初步改裝。將音圈馬達部分拆除，測量物鏡可以獨立出來，加夾持鏡筒，可以使物鏡測頭部分的直徑減小，如圖6所示。并且合理調整物鏡對準位置，并進行性能測試，其分辨率與測量重復精度與初裝DVD讀取頭相比并沒有改變。這為將其組裝入接觸觸發式測頭時進行空間體積上的改裝提供了便利，物鏡可調整與物鏡鏡筒的可伸長行為將來接觸觸發式測頭微型化打下基礎。
DVD探頭實物圖如圖7所示。
4 實 驗
實驗架構示意圖如圖8所示，采用PI納米驅動臺作為位移基準，PI驅動臺采用電容傳感器的位移反饋標準，其重復性精度為2nm。實驗架設實物圖如9所示。
重復進行6次實驗，得出聚焦信號FES如圖10所示。從圖中我們可以看出，1μm至3μm段線性比較好，FES電壓變化量為8V，FES線性斜率為0.25nm/mV。從圖11可以得知，FES信號噪聲低于4mV，因此我們可以推斷此非接觸探頭的分辨率優于1nm。
FES電壓為零點為觸發點，我們可以得到6組觸發點數據，如表1所示，觸發重復性精度低于12nm。
5 結 論
本文介紹了基于商用DVD讀取頭開發的非接觸式激光探頭的開發，對DVD讀取頭的運作原理進行了介紹，闡述了其光學測量原理、自動聚焦原理以及性能校正。拆除音圈馬達，固定物鏡，將DVD探頭改裝為非接觸式光學聚焦探頭，作為開發接觸觸發式微型探頭的位移感測系統，通過實驗室驗證，具有高分辨率（0.25nm/mV）、高測量精度（測量重復精度
參考文獻
[1] Uwe Brand， Thomas Kleine-Besten， Heinrich Schwenke. Development of a special CMM for dimensional metrology on microsystem components[R]. ASPE 15th Annual Meeting in Scottsdale （Arizona）， 22th-27th， October， 2000.
[2] E. B. Hughes， Wilson A， G. N. Peggs. Design of high accuracy CMM based on multilateration techniques[J]. Annals of the CIRP 49 （2000）， pp.391-394.
[3] Leach R K， Murphy J. The design of co-ordinate measuring probe for characterising truly three-dimensional micro-structures[R]. 4th euspen International Conference， Glasgow， UK， 31 May 2004-2 June 2004， 230-231.
[4] G. N. Peggs， A. J. Lewis， S. Oldfield. Design for a compact High-Accuracy CMM[J]. Annals of the CIRP， Vol.48， No.1， pp.417-420， 1999.
[5] Pril， Wouter O. Development of High Precision Probes for Coordinate Measuring Machines[R]. Eindhoven： Technische Universiteit， Eindhoven， 2002， PhD Thesis.
[6] H. Haitjema， et al. Development of a Silican-based Nanoprobe System for 3-D Measurements[J]. Annals of the CIRP， Vol. 50， No. 1， pp. 365-368， 2001.
[7] 朱志良. 納米級三次元量測儀之研制[D]. 臺灣大學機械工程研究所博士論文，2002.
[8] 王偉麗，范光照，費業泰. 微/納米級光纖探測球頭研制[R]. 中國微米納米技術學會第九屆學術年會，上海，2007. 9. 20-22.
[9] 張匡儀. 高精度DVD探頭位移回饋系統之研究[D]. 臺灣大學機械工程研究所碩士論文，2004.
[10] 束永俊，李桂燦. DVD激光頭基本原理[J]. 電聲技術，Vol. 1，No. 6，pp.32-37，2000.
