激光干涉儀報(bào)告

1、機(jī)械工程綜合實(shí)踐實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng) 機(jī)械工程綜合實(shí)踐 專(zhuān) 業(yè) 精密工程 指導(dǎo)教師 彭小強(qiáng) 小組成員 劉強(qiáng) 14033006 諶貴陽(yáng) 吳志明 實(shí)驗(yàn)日期 2012.4.22011.6.25 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院目 錄1激光干涉儀 1.1激光干涉儀介紹 1.2激光干涉儀原理2 激光干涉儀測(cè)量機(jī)床的直線度 2.1實(shí)驗(yàn)器材以及平臺(tái)的搭建 2.2激光干涉儀的調(diào)試 2.3直線度的測(cè)量3 激光干涉儀測(cè)量機(jī)床的重復(fù)定位精度 3.1實(shí)驗(yàn)器材以及平臺(tái)的搭建 3.2激光干涉儀的調(diào)試 3.3重復(fù)定位精度的測(cè)量4 實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié) 目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)2二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求2三、實(shí)驗(yàn)條件與設(shè)備2四實(shí)驗(yàn)原理31

2、.定位精度測(cè)量32.直線度測(cè)量4五、實(shí)驗(yàn)步驟51.設(shè)定激光測(cè)量系統(tǒng)52.調(diào)整激光光束，使之與機(jī)器運(yùn)動(dòng)軸準(zhǔn)直。53.數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理6六、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果81.X軸定位精度82.X軸直線度93.誤差分析11七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)與體會(huì)141.實(shí)驗(yàn)總結(jié)142.實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)143.對(duì)課程的一些建議14綜合實(shí)踐3 伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度建模與評(píng)價(jià)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù) 通過(guò)對(duì)三軸機(jī)床的X軸進(jìn)行定位誤差實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握一般機(jī)構(gòu)空間運(yùn)動(dòng)精度的測(cè)量與分析評(píng)價(jià)方法。主要內(nèi)容包括了解雙頻激光干涉儀測(cè)量位移的基本原理，掌握利用雙頻激光干涉儀測(cè)量機(jī)床進(jìn)給軸的定位誤差的方法，深刻理解軸運(yùn)動(dòng)的精度的概念。在對(duì)機(jī)床進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)定位誤差測(cè)量的基

3、礎(chǔ)上，分析機(jī)床的運(yùn)動(dòng)誤差。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求（1）直線軸運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量。利用雙頻激光干涉儀建立直線軸定位精度、直線度、姿態(tài)誤差的測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)機(jī)床典型三維進(jìn)給機(jī)構(gòu)各軸的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行測(cè)量，分析測(cè)量結(jié)果的不確定度；（2）垂直度測(cè)量。任選進(jìn)給機(jī)構(gòu)兩軸，利用雙頻激光干涉儀建立兩軸垂直度的測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)垂直度進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)；（3）典型三維進(jìn)給機(jī)構(gòu)的精度建模。在分析多軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用多體系統(tǒng)理論和變分法建立多軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)空間各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)誤差傳遞模型；（4）典型三維進(jìn)給機(jī)構(gòu)的精度分析與評(píng)價(jià)。在測(cè)量得到的進(jìn)給機(jī)構(gòu)軸運(yùn)動(dòng)誤差的基礎(chǔ)上，利用所建立的精度模型，對(duì)機(jī)構(gòu)的典型運(yùn)動(dòng)軌跡如直線、

4、圓弧、平面等的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行分析，并對(duì)分析結(jié)果的不確定度進(jìn)行評(píng)價(jià)。三、實(shí)驗(yàn)條件與設(shè)備雙頻激光干涉儀，含直線度、定位精度測(cè)量組件。具體如圖1所示。（圖1 定位精度測(cè)量組件 直線度測(cè)量組件）四實(shí)驗(yàn)原理1.定位精度測(cè)量（圖2 測(cè)量光路圖）來(lái)自XL激光頭的光束進(jìn)入線性干涉鏡，在此光束被分成兩束。一束光（稱(chēng)為參考光束）被引向裝在分光鏡上的反射鏡，另一束光（測(cè)量光束）則穿過(guò)分光鏡到達(dá)第二個(gè)反射鏡。然后，兩束光都被反射回分光鏡，在此它們重新組合并被導(dǎo)回到激光頭，激光頭內(nèi)的探測(cè)器監(jiān)測(cè)兩束光之間的干涉。圖3為ISO230-1-1996(E) 5.212.15規(guī)定的測(cè)量設(shè)備組建和標(biāo)準(zhǔn)光路。（圖3：ISO標(biāo)準(zhǔn)光路）一

5、般在線性測(cè)量過(guò)程中，一個(gè)光學(xué)組件保持靜止不動(dòng)，另一個(gè)光學(xué)組件沿線性軸移動(dòng)。通過(guò)監(jiān)測(cè)測(cè)量光束和參考光束之間的光路差異的變化，產(chǎn)生定位精度測(cè)量值（注意，它是兩個(gè)光學(xué)組件之間的差異測(cè)量值，與XL激光頭的位置無(wú)關(guān)）。此測(cè)量值可以與被測(cè)機(jī)器定位系統(tǒng)上的讀數(shù)比較，獲得機(jī)器的精度誤差。通常，將反射鏡設(shè)定為移動(dòng)光學(xué)部件，將干涉鏡設(shè)定為靜止部件，如圖4所示。二者可以反過(guò)來(lái)使用。 （圖4 定位精度測(cè)量光路示意圖）2.直線度測(cè)量激光通過(guò)直線度干涉儀后，分開(kāi)成具有小角度的兩束光，這兩束光被直線度反射鏡反射后沿新的路徑返回直線度干涉儀，在這里兩束光匯聚在一起返回到激光頭內(nèi)。在測(cè)量過(guò)程中干涉儀隨工作臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)，反射鏡固定

6、。干涉儀和反射鏡之間的橫向偏差會(huì)導(dǎo)致光程差的變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)測(cè)量光束和參考光束之間的光路差異的變化，產(chǎn)生直線度測(cè)量值。下圖是測(cè)量水平方向的直線度，當(dāng)把同時(shí)旋轉(zhuǎn)90°時(shí)就可以測(cè)量豎直方向的直線度。由于兩束光束受到環(huán)境同樣的影響，所以不需要進(jìn)行環(huán)境補(bǔ)償。 圖 直線度測(cè)量光路示意圖圖 ISO230-1中直線度測(cè)量光路示意圖五、實(shí)驗(yàn)步驟定位精度測(cè)量所需的步驟如下：1.設(shè)定激光測(cè)量系統(tǒng)將線性光學(xué)鏡組連接到要校準(zhǔn)的機(jī)床上；在三角架上安裝XL激光頭；用USB電纜將XL激光頭連接到PC機(jī)上，將電纜的一端插到XL激光頭尾部的USB插槽中，另一端插到PC機(jī)上；為安全起見(jiàn)，開(kāi)始時(shí)XL激光頭的光閘應(yīng)轉(zhuǎn)至關(guān)閉位

7、置，如下圖5所示。 圖5 XL光閘位置(不發(fā)出任何光束) 圖6 定位精度測(cè)量光路原理圖2.調(diào)整激光光束，使之與機(jī)器運(yùn)動(dòng)軸準(zhǔn)直。本文所述準(zhǔn)直步驟是假定按圖6所示進(jìn)行光學(xué)鏡組設(shè)定，其中線性干涉鏡為固定光學(xué)鏡，反射鏡為移動(dòng)光學(xué)鏡。（1）線性干涉鏡和反射鏡定位 對(duì)三腳架和激光進(jìn)行定位，使之垂直指向測(cè)量光學(xué)鏡組。用機(jī)架作為目測(cè)視線，使激光和運(yùn)動(dòng)軸線二者大致準(zhǔn)直。（2）旋轉(zhuǎn)激光光閘，使激光輸出光束直徑減小，如圖7所示：圖7 激光干涉儀光閘 圖8 激光頭標(biāo)靶（3）移動(dòng)機(jī)床被測(cè)軸，使線性反射鏡靠近激光頭，將標(biāo)靶安裝在前面，白點(diǎn)在上。平移激光器或機(jī)床軸，直到光束射到標(biāo)靶上的白點(diǎn)。（4）去除標(biāo)靶，檢查從反射鏡上反

8、射回的光束是否射到XL激光光閘上標(biāo)靶的中心。如果沒(méi)有，則平移激光器或機(jī)器，直到激光光束射到標(biāo)靶的中心。（5）使線性干涉鏡盡量靠近反射鏡，如圖9所示。如果二者靠近，則余下的準(zhǔn)直工作僅僅是調(diào)整激光頭。圖9 干涉鏡靠近反射鏡示意圖（6）確保干涉鏡和反射鏡的外表面與機(jī)器垂直，而且彼此保持準(zhǔn)直。如果干涉鏡歪斜，可能出現(xiàn)精度降低并無(wú)法檢測(cè)到光束是否被擋。一般說(shuō)來(lái)，在滾擺 （roll）、俯仰 （pitch） 和扭擺 （yaw） 方向上，最好使干涉鏡的準(zhǔn)直角度小于±2°，這通?？赏ㄟ^(guò)目測(cè)完成。 （7）將標(biāo)靶安裝在干涉鏡的入射光孔中，然后，垂直和水平平移干涉儀，使光束射到標(biāo)靶。（8）從線性干

9、涉鏡上取下標(biāo)靶，檢查干涉鏡反射回的光束是否射到XL激光光閘的中心并位于反射鏡反射回的光束的上方。如果不是，則平移干涉鏡直到光束射到白色標(biāo)靶的中心。注：一個(gè)有效的方法是，在干涉鏡和反射鏡之間放置一個(gè)卡片，擋住反射鏡上反射回的光束。圖10 激光干涉儀光閘上反射光示意圖 圖11 調(diào)整后的準(zhǔn)直光路圖（9）調(diào)整好光路準(zhǔn)直后，調(diào)整干涉鏡大約在光路的中間.最終準(zhǔn)直好的光路如下圖所示：3.數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理使用自動(dòng)采集數(shù)據(jù)功能，可自動(dòng)觸發(fā)激光記錄讀數(shù)。它或是定時(shí)采集數(shù)據(jù)或是在測(cè)量線性位移時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到所測(cè)機(jī)器停止在預(yù)定目標(biāo)位置上而采集數(shù)據(jù)?！白詣?dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)置”選項(xiàng)是通過(guò)從“采集”菜單內(nèi)選擇自動(dòng)采集設(shè)置而定義的

10、。選中了所需選項(xiàng)后，單擊“確定”，退出“自動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)置”對(duì)話框。圖12 自動(dòng)采集數(shù)據(jù)設(shè)定窗口 圖13 數(shù)據(jù)采集主窗口當(dāng)從Renishaw LaserXLTM瀏覽器窗口中選擇一個(gè)測(cè)量圖標(biāo)時(shí)，將顯示數(shù)據(jù)采集主窗口。系統(tǒng)在線性測(cè)量模式下的典型屏幕畫(huà)面如圖13所示。不同測(cè)量模式的顯示屏幕與之相似，但為了更清楚明了，這里僅說(shuō)明線性測(cè)量屏幕。 1激光干涉儀1.1激光干涉儀介紹 激光具有高強(qiáng)度、高度方向性、空間同調(diào)性、窄帶寬和高度單色性等優(yōu)點(diǎn)。目前常用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度的干涉儀，主要是以邁克爾遜干涉儀為主，并以穩(wěn)頻氦氖激光為光源，構(gòu)成一個(gè)具有干涉作用的測(cè)量系統(tǒng)。激光干涉儀可配合各種折射鏡、反射鏡等來(lái)作線性位置、速

11、度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等測(cè)量工作，并可作為精密工具機(jī)或測(cè)量?jī)x器的校正工作。1.2激光干涉儀原理干涉儀是以激光波長(zhǎng)為已知長(zhǎng)度、利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)測(cè)量位移的通用長(zhǎng)度測(cè)量工具。激光干涉儀有單頻的和雙頻的兩種。本實(shí)驗(yàn)使用的是雙頻干涉儀。在氦氖激光器上，加上一個(gè)約0.03特斯拉的軸向磁場(chǎng)。由于塞曼分裂效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng), 激光器產(chǎn)生1和2兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經(jīng)1/4波片后成為兩個(gè)互相垂直的線偏振光,再經(jīng)分光鏡分為兩路。一路經(jīng)偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經(jīng)偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束,另一路成為僅含有f2的光束。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)

12、時(shí),含有f2的光束經(jīng)可動(dòng)反射鏡反射后成為含有f2 ±f的光束，f是可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率,正負(fù)號(hào)表示移動(dòng)方向(多普勒效應(yīng)是奧地利人C.J.多普勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化)。這路光束和由固定反射鏡反射回來(lái)僅含有f1的光的光束經(jīng)偏振片2后會(huì)合成為f1-(f2±f）的測(cè)量光束。測(cè)量光束和上述參考光束經(jīng)各自的光電轉(zhuǎn)換元件、放大器、整形器后進(jìn)入減法器相減,輸出成為僅含有±f的電脈沖信號(hào)。經(jīng)可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后，由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行當(dāng)量換算（乘 1/2激光波長(zhǎng)）后即可得出可動(dòng)反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應(yīng)用頻率變化來(lái)測(cè)量位移的，這種位移

13、信息載于f1和f2的頻差上，對(duì)由光強(qiáng)變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強(qiáng)。它常用于檢定測(cè)長(zhǎng)機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、光刻機(jī)和加工中心等的坐標(biāo)精度，也可用作測(cè)長(zhǎng)機(jī)、高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等的測(cè)量系統(tǒng)。利用相應(yīng)附件，還可進(jìn)行高精度直線度測(cè)量、平面度測(cè)量和小角度測(cè)量。2激光干涉儀測(cè)量機(jī)床的直線度 2.1實(shí)驗(yàn)器材以及平臺(tái)的搭建器材：激光干涉儀、三腳架、XC補(bǔ)償單元、試驗(yàn)平臺(tái)（磁流變機(jī)床）、直線度反射鏡、直線度光學(xué)鏡組、筆記本電腦、安裝組件、傳感器平臺(tái)搭建步驟：1 清理好試驗(yàn)平臺(tái)（磁流變機(jī)床）2按要求將干涉儀、電腦、傳感器、補(bǔ)償單元的線路連接。3 將直線度光學(xué)鏡組、直線度反射鏡大概固定在平臺(tái)上。（本實(shí)驗(yàn)中

14、，光學(xué)鏡組固定在運(yùn)動(dòng)軸上，反射鏡則放置在光路的末端）2.2激光干涉儀的調(diào)試1波長(zhǎng)補(bǔ)償周?chē)h(huán)境參數(shù)溫度、相對(duì)濕度、氣壓將會(huì)影響激光光束的波長(zhǎng)，如果不對(duì)波長(zhǎng)的變化進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)將會(huì)產(chǎn)生一定的測(cè)量誤差。在本實(shí)驗(yàn)中，我們選取了XC補(bǔ)償單元，溫度和相對(duì)濕度傳感器對(duì)激光光束波長(zhǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，基本上消除了由于周?chē)h(huán)境變化引起的測(cè)量誤差。2光路的調(diào)試激光調(diào)光基本步驟1，確定測(cè)量軸方向，并選擇好干涉鏡組合方式，干涉鏡，反射鏡安裝地點(diǎn)（確保測(cè)量順利完成，鏡組安全）。2，確定測(cè)量行程，并根據(jù)行程編輯好測(cè)量程序。并測(cè)試程序能安全運(yùn)行。（此處查考激光測(cè)量軟件生成的測(cè)量程序。）3，放置三腳架，激光頭，補(bǔ)償單元，材料傳感器，空氣傳感器等測(cè)量設(shè)備。注意：三腳架在放置激光頭后，盡量調(diào)平。4，讓機(jī)床運(yùn)行到兩鏡組靠近的極限位置，根據(jù)選擇的安裝位置，放置磁力表座，安裝干涉鏡和反射鏡，確保由激光頭發(fā)射出的激光通過(guò)干涉鏡（固定反射鏡）以及反射鏡（運(yùn)動(dòng)），返回到激光頭接受孔并重合。5，控制機(jī)床到兩鏡組遠(yuǎn)離的極限，觀察激光束的位置，是否偏離移動(dòng)反射鏡位置，如果偏離，可通過(guò)調(diào)整三腳架讓其回到反射鏡，兩束反射光在激光頭接受孔重合。（上下偏離可通過(guò)先俯仰后垂直移動(dòng)三腳架調(diào)整，左右偏離可通過(guò)先扭擺后水平移動(dòng)三腳架調(diào)整）6，再控制機(jī)床到兩鏡組靠近的極限，調(diào)整干涉鏡和反射鏡位置，