激光干涉儀如何校準(zhǔn)數(shù)控機(jī)床

1、激光干涉儀是一種以波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量的儀器。激光干涉儀是20世紀(jì)60年代末期問(wèn)世的一種新型的測(cè)量設(shè)備，由美國(guó)HP公司研制成功并于1970年投入市場(chǎng)，隨即受到了相關(guān)行業(yè)特別是機(jī)床制造業(yè)的重視，其主要在：線形、角度、垂直度、直線度、平面度等方面上應(yīng)用。隨著激光干涉儀測(cè)量技術(shù)的不斷提高，測(cè)量軟件的不斷開(kāi)發(fā)其測(cè)量范圍越來(lái)越廣泛，特別是在測(cè)量數(shù)控機(jī)床位置精度方面用途最為廣泛，本文以某國(guó)產(chǎn)激光干涉儀為例詳細(xì)講述如何對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行線性測(cè)量。u 數(shù)控機(jī)床檢測(cè)的必要性首先,新機(jī)床出廠前都要進(jìn)行定位精度和重復(fù)定位精度以及反向間隙的檢測(cè),現(xiàn)在大多使用激光干涉儀進(jìn)行. 其次,機(jī)床使用一段時(shí)間后,由于絲杠的

2、磨損和其它原因,精度會(huì)逐漸喪失,這時(shí)需要使用激光干涉儀進(jìn)行精度的再校準(zhǔn). 最后,激光干涉儀還可以進(jìn)行其它項(xiàng)目的檢測(cè),例如直線度,垂直度,角度等。u 激光干涉儀工作原理一個(gè)角錐反射鏡緊緊固定在分光鏡上，形成固定長(zhǎng)度參考光束。另一個(gè)角錐反射鏡相對(duì)于分光鏡移動(dòng)，形成變化長(zhǎng)度測(cè)量光束。從激光頭射出的激光光束(1)具有單一頻率，標(biāo)稱波長(zhǎng)為0.633µm，長(zhǎng)期波長(zhǎng)穩(wěn)定性（真空中）優(yōu)于0.05ppm。當(dāng)此光束到達(dá)偏振分光鏡時(shí)，被分成兩束光反射光束(2)和透射光束(3)。這兩束光被傳送到各自的角錐反射鏡中，然后反射回分光鏡中，在嵌于激光頭中的探測(cè)器中形成干涉光束。如果兩光程差不變化，探測(cè)器將在相長(zhǎng)干

3、涉和相消干涉的兩端之間的某個(gè)位置觀察到一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)。如果兩光程差發(fā)生變化，每次光路變化時(shí)探測(cè)器都能觀察到相長(zhǎng)干涉和相消干涉兩端之間的信號(hào)變化。這些變化（條紋）被數(shù)出來(lái)，用于計(jì)算兩光程差的變化。測(cè)量的長(zhǎng)度等于條紋數(shù)乘以激光波長(zhǎng)的一半。應(yīng)當(dāng)注意到，激光波長(zhǎng)將取決于光束經(jīng)過(guò)的空氣的折射率。由于空氣折射率會(huì)隨著氣溫、壓力和相對(duì)濕度的變化而變化，用于計(jì)算測(cè)量值的波長(zhǎng)值可能需要對(duì)這些環(huán)境參數(shù)的變化進(jìn)行補(bǔ)償。在實(shí)踐中，對(duì)于技術(shù)指標(biāo)中的測(cè)量精度，只有線性位移（定位精度）測(cè)量需要進(jìn)行此類補(bǔ)償，在這種情況下兩束光的光程差變化可能非常大。u 波長(zhǎng)補(bǔ)償線性定位測(cè)量精度取決于激光波長(zhǎng)的已知精度。這不僅與激光的穩(wěn)頻精度

4、有關(guān)，而且還與周圍環(huán)境參數(shù)有關(guān)。尤其是氣溫、氣壓和相對(duì)濕度將會(huì)影響激光光束的波長(zhǎng)（在空氣中）。如果不對(duì)波長(zhǎng)的變化進(jìn)行補(bǔ)償，激光線性測(cè)量誤差可能達(dá)到50ppm。即使在溫度受控的房間內(nèi)，日常的空氣壓力變化也可能使波長(zhǎng)變化達(dá)20ppm以上。作為參考，以下每項(xiàng)環(huán)境條件的變化都將導(dǎo)致大約1ppm的誤差：空氣溫度 1C(1.8°F)空氣壓力 3.3mbar(0.098inHg)相對(duì)濕度（20°C時(shí)） 50%相對(duì)濕度（40°C時(shí)） 30%注：這些值是在最惡劣條件下的影響值，并且它們并非完全不受其他參數(shù)值的影響。可采用環(huán)境補(bǔ)償單元通過(guò)埃德倫公式來(lái)減小這些誤差。u 檢測(cè)過(guò)程及分析1

5、.線性測(cè)量的一般步驟 （1）安裝設(shè)置激光干涉儀 （2）將激光束與被測(cè)量的軸校準(zhǔn) （3）啟動(dòng)測(cè)量軟件，并輸入相關(guān)參數(shù)（如材料膨脹系數(shù)）。 （4）在機(jī)床上輸入測(cè)量程序，啟動(dòng)干涉儀測(cè)量，并記錄數(shù)據(jù)。 （5）用測(cè)量軟件分析測(cè)量數(shù)據(jù)，生產(chǎn)補(bǔ)償文件。 光束快速準(zhǔn)直步驟 （1）沿著運(yùn)動(dòng)軸將反射鏡與干涉鏡分開(kāi)。 （2）移動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)，當(dāng)光束離開(kāi)光靶外圓時(shí)停止移動(dòng)。  垂直光束調(diào)整 （3）使用激光頭后方的指形輪使兩道光束回到相同的高度。 （4）使用三腳架中心主軸上的高度調(diào)整輪使激光頭上下旋轉(zhuǎn)，直到兩道光

6、束都擊中光靶中心。  水平光束調(diào)整 （5）用三腳架左后方的小旋鈕，調(diào)整激光頭的角度偏轉(zhuǎn)，使兩道光束彼此重疊。 （6）用三腳架左邊中間的大旋鈕，調(diào)整激光頭的水平位置，使兩道光束擊中光靶的中心。 （7）沿著運(yùn)動(dòng)軸重新開(kāi)始移動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)。在看到光束移開(kāi)光靶時(shí)再次停止。重復(fù)步驟3到6，直到完成整個(gè)軸向的光鏡準(zhǔn)直。 （8）達(dá)到軸的末端時(shí)，將機(jī)床移回，使反光鏡及線性反射鏡互相靠近。注：若其中一道光束離開(kāi)光閘的光靶，是由于反光鏡側(cè)向偏移所造成。上下左右移動(dòng)反光鏡，使從反光鏡返回的光束與干涉鏡的光束在光閘的光靶上互相重疊。 重復(fù)步驟1到8，直到兩道光

7、束在整個(gè)運(yùn)動(dòng)軸長(zhǎng)度范圍內(nèi)都保持在光靶的中心。 （9）保持光束和測(cè)量軸準(zhǔn)直。將光閘旋轉(zhuǎn)到其測(cè)量位置。當(dāng)反光鏡沿著機(jī)床的整個(gè)運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度移動(dòng)時(shí)，檢查線性數(shù)據(jù)采集軟件中顯示的信號(hào)強(qiáng)度。 2.測(cè)量誤差的產(chǎn)生及消除方法 在使用激光干涉儀對(duì)數(shù)控機(jī)床的位置精度檢測(cè)中，導(dǎo)致測(cè)量精度偏差的因素很多，必須采取措施分析消除。外界環(huán)境的變化將會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性參數(shù)影響，如空氣溫度變化1 、空氣壓力變化0.3 kPa、相對(duì)濕度變化30%。尤其是振動(dòng)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響，振動(dòng)產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在測(cè)量數(shù)據(jù)的分散，重復(fù)測(cè)量精度差，甚至導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量。 因此，應(yīng)保證外界環(huán)境的穩(wěn)定性，最好在恒溫

8、環(huán)境中測(cè)量。在外界環(huán)境偏離測(cè)量要求的標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)，可使用相關(guān)的補(bǔ)償參數(shù)加以修正，測(cè)量軟件可自動(dòng)對(duì)溫度、壓力、濕度等條件進(jìn)行補(bǔ)償。盡量減少熱源（照明燈、機(jī)床工作燈）。盡可能的減少外界的各種振動(dòng)，可以在下班后比較安靜的環(huán)境下測(cè)量。干涉儀的安裝位置盡量靠近機(jī)床，并用較短的加長(zhǎng)桿固定光學(xué)元件。磁力表座應(yīng)直接吸在機(jī)床床身或刀架等表面，避免吸裝在機(jī)床護(hù)罩或護(hù)蓋較薄弱的部分，確保吸裝的表面平坦且沒(méi)有油漬及塵土。 以下具體分析各影響因素及消除方法。 （1）機(jī)床溫度偏離，將導(dǎo)致輸入的膨脹系數(shù)與材料的實(shí)際變化不同，影響測(cè)量精度。如果溫度傳感器的精度為±0.1 ，而膨脹系數(shù)變化10 m/

9、時(shí)，將產(chǎn)生±1.0 m的測(cè)量誤差；若輸入不正確的機(jī)器熱膨脹系數(shù)輸入不正確，產(chǎn)生的誤差會(huì)更多。因此，應(yīng)保證外界環(huán)境溫度的穩(wěn)定性，最好在恒溫環(huán)境中測(cè)量。 （2）余弦誤差的影響。在激光束的校準(zhǔn)過(guò)程中，不可能保證光束與運(yùn)動(dòng)軸的絕對(duì)平行，比如會(huì)產(chǎn)生一個(gè)夾角，我們稱為誤差?yuàn)A角，該誤差與（1-cos）成正比。該余弦誤差就會(huì)使得測(cè)量距離比實(shí)際值小，如圖2所示。 因此，要減少及消除余弦誤差，應(yīng)在校準(zhǔn)光束時(shí)，盡可能使干涉儀檢測(cè)的光束信號(hào)強(qiáng)度在運(yùn)動(dòng)軸的全程保持恒定，從而余弦誤差最小。 （3）測(cè)量元件的影響。光學(xué)元件不清潔會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度降低，從而難以達(dá)到高精度測(cè)量結(jié)果。特別是在被測(cè)量軸的運(yùn)動(dòng)距離比較長(zhǎng)時(shí)。因此，在光學(xué)元件的保管和使用過(guò)程中，應(yīng)盡量保證光學(xué)元件表面的清潔，若發(fā)現(xiàn)光學(xué)元件被弄臟的情況，可使用專用的的透鏡拭紙和無(wú)痕跡清潔液去除灰塵手印等。 3 結(jié)語(yǔ) 機(jī)床本身精度不佳會(huì)帶來(lái)上述各種誤差，但也不能排除在某種情況下激光干涉儀操作不當(dāng)也是會(huì)帶來(lái)較大誤差。伺服電機(jī)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)、電機(jī)與絲桿連接誤差、檢查機(jī)床的俯仰和絲桿同軸度。絲杠或傳動(dòng)系統(tǒng)故障、編碼器問(wèn)題或故障都會(huì)影響或被放大線性，影響機(jī)床精度。為