雙頻激光干涉儀測量

1、激光干涉儀測長原理典型的激光干涉儀由激光器L、偏振分光鏡PBS、測量反射鏡M、參考反射鏡R、光電檢測器D、檢偏器P和三個(gè)/4波片Q1、Q2和Q3組成。激光為線偏振光，經(jīng)偏振分光鏡分為E1和E2兩線偏振光。當(dāng)兩干涉臂中/4波片快軸(或慢軸)與X軸夾角相等且為45度時(shí)，兩束光通過/4波片后均成為圓偏振光，反射后再次通過/4波片，又轉(zhuǎn)換為線偏振光，但其振動(dòng)方向相對(duì)原振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)了90度，且由于兩干涉臂光程產(chǎn)生了相位差，根據(jù)公式：=2=4L/式中：為激光波長，干涉光路的作用是把位移L轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣晒庹駝?dòng)方向的旋轉(zhuǎn)角，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)的相位，信號(hào)處理器的作用就是測量出，從而計(jì)算出位移L。垂直度的測量工具在

2、一臺(tái)機(jī)器施工實(shí)例：多軸系統(tǒng) 雙頻激光干涉儀的工作原理雙頻激光干涉儀其雙頻激光測量系統(tǒng)由氦氖雙頻遙置激光干涉儀和電子實(shí)時(shí)分解系統(tǒng)所組成。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，可在較快的位移速度下測量較大的距離，使用范圍廣，使用方便，測量精度高?；驹恚喝鐖D11-2所示，激光雙頻干涉儀的氦氖激光管，在外加直流軸向磁場的作用下，產(chǎn)生塞曼效應(yīng)，將激光分成頻率為f1和f2，旋向相反的兩圓偏振光，經(jīng)/4波片變?yōu)榫€偏振光。調(diào)整/4玻片的旋轉(zhuǎn)角度，使fl和f2的振動(dòng)平面相互垂直，以互垂直，以作激光干涉圖11-2 雙頻激光干涉儀的工作原理圖1.激光管2./4波片3. 參考分光鏡4. 偏振分光棱境5. 基準(zhǔn)錐

3、體棱鏡6.移動(dòng)測量棱體.檢偏振鏡8.9.11.光電管13.光電調(diào)制器儀的光源。當(dāng)兩個(gè)線偏振光經(jīng)過參考分光鏡3時(shí)(見圖11-2)，大部分則由偏振分光棱境4分成兩束。偏振面垂直入射面的f2全反射到與分光鏡固定在一起的基準(zhǔn)錐體棱鏡上；偏振面在入射面內(nèi)的fl則全部通過而射到移動(dòng)測量棱體6上。由這兩個(gè)錐體棱鏡反射回來的光束在偏振分光鏡上合并，并在檢偏振鏡上混頻。當(dāng)移動(dòng)錐體棱鏡時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，f1變成f1 +f，因而光電元件8所得到的信號(hào)是(f1+f)-f2。在可逆計(jì)數(shù)器中與參考信號(hào)(f1-f2)相減，棱鏡每移動(dòng)半個(gè)波長，光程變化是整個(gè)波長。測得的位移是l=/2×N，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，所測得的位

4、移值可在計(jì)算機(jī)顯示器上讀出。位移量測量原理如圖11-3所示。圖11-3 位移量測量原理圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1使機(jī)床各軸回參考點(diǎn)2按圖所示擺放儀器。圖11-4 激光干涉儀的使用示意圖3決定反射鏡（Linear retroreflector）安放位置，并固定在機(jī)床上。4選擇透射鏡（Interferometer）安放位置，使反射鏡和透射鏡保持在同一高度。5調(diào)整激光頭使其與反射鏡及透射鏡保持在同一直線和同一高度。6接通激光頭的電源，預(yù)熱5分鐘后，調(diào)整光路使反射光幾乎全部進(jìn)入激光頭的入口。7移動(dòng)機(jī)床，使其移動(dòng)一個(gè)步距（從機(jī)械原點(diǎn)即零點(diǎn)計(jì)算起），按下RECORD鍵，從而記錄機(jī)床實(shí)際移動(dòng)數(shù)值及其移動(dòng)誤差。如

5、X軸方向的位移測量示意圖5。圖11-5 位移測量示意圖8每隔一個(gè)步距移動(dòng)一次機(jī)床，按下RECORD鍵，重復(fù)該步五次。在測量數(shù)控機(jī)床的位置精度時(shí)，測量移動(dòng)的步距（兩個(gè)測量點(diǎn)的距離）要根據(jù)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)參數(shù)來定，加工中心（VMC-850 FANUC系統(tǒng)）參數(shù)中定義的步距為30mm。根據(jù)對(duì)坐標(biāo)軸X、Y、Z三個(gè)方向位移測量記錄下來的數(shù)據(jù)：單向和反向測量的數(shù)據(jù)，繪制誤差曲線圖（橫坐標(biāo)為測量點(diǎn)的位置長度mm，縱坐標(biāo)為步距的誤差µm）。數(shù)控機(jī)床工作軸移動(dòng)的尺寸填入下表：（1）實(shí)際測量工作臺(tái)上給定點(diǎn)Pi沿X運(yùn)動(dòng)軸單向的運(yùn)動(dòng)定位誤差(i=0,l,2,3,4,5)曲線圖數(shù)控機(jī)床工作移動(dòng)的尺寸填入下表：負(fù)向

6、移動(dòng)位置起點(diǎn)坐標(biāo)P0P1P2P3P4P5位移尺寸（mm）激光測量尺寸（mm）誤差值（um）µm0 0 30 60 90 120 150（mm）根據(jù)五個(gè)測量點(diǎn)的誤差，計(jì)算平均誤差，輸入到數(shù)控機(jī)床參數(shù)的單向間隙補(bǔ)償中。（2）實(shí)際測量工作臺(tái)上給定點(diǎn)Pi沿X運(yùn)動(dòng)軸反向的運(yùn)動(dòng)定位誤差(i=0,l,2,3,4,5)曲線圖數(shù)控機(jī)床工作移動(dòng)的尺寸填入下表：正向移動(dòng)位置起點(diǎn)坐標(biāo)P0P1P2P3P4P5位移尺寸（mm）激光測量尺寸（mm）誤差值（um）µm0 0 30 60 90 120 150（mm）根據(jù)五個(gè)測量點(diǎn)的誤差，計(jì)算平均誤差，輸入到數(shù)控機(jī)床參數(shù)的反向間隙補(bǔ)償中。（3）實(shí)際測量工作臺(tái)

7、上給定點(diǎn)Pj沿Y運(yùn)動(dòng)軸單向的運(yùn)動(dòng)定位誤差（j=0,l,2,3,4,5)曲線圖數(shù)控機(jī)床工作移動(dòng)的尺寸填入下表：負(fù)向移動(dòng)位置起點(diǎn)坐標(biāo)P0P1P2P3P4P5位移尺寸（mm）激光測量尺寸（mm）誤差值（um）µm0 0 30 60 90 120 150（mm）根據(jù)五個(gè)測量點(diǎn)的誤差，計(jì)算平均誤差，輸入到數(shù)控機(jī)床參數(shù)的單向間隙補(bǔ)償中。（4）實(shí)際測量工作臺(tái)上給定點(diǎn)Pj沿Y運(yùn)動(dòng)軸反向的運(yùn)動(dòng)定位誤差（j=0,l,2,3,4,5)曲線圖數(shù)控機(jī)床工作移動(dòng)的尺寸填入下表：正向移動(dòng)位置起點(diǎn)坐標(biāo)P0P1P2P3P4P5位移尺寸（mm）激光測量尺寸（mm）誤差值（um）µm0 0 30 60 90 1

8、20 150（mm）根據(jù)五個(gè)測量點(diǎn)的誤差，計(jì)算平均誤差，輸入到數(shù)控機(jī)床參數(shù)的反向間隙補(bǔ)償中。（5）實(shí)際測量主軸上給定點(diǎn)Pk沿Z運(yùn)動(dòng)軸單向的運(yùn)動(dòng)定位誤差(k=0,l,2,3,4,5)曲線圖數(shù)控機(jī)床工作移動(dòng)的尺寸填入下表：負(fù)向移動(dòng)位置起點(diǎn)坐標(biāo)P0P1P2P3P4P5位移尺寸（mm）激光測量尺寸（mm）誤差值（um）µm0 0 30 60 90 120 150（mm）根據(jù)五個(gè)測量點(diǎn)的誤差，計(jì)算平均誤差，輸入到數(shù)控機(jī)床參數(shù)的單向間隙補(bǔ)償中。（6）實(shí)際測量主軸上給定點(diǎn)Pk沿Z運(yùn)動(dòng)軸反向的運(yùn)動(dòng)定位誤差(k=0,l,2,3,4,5)曲線圖數(shù)控機(jī)床工作移動(dòng)的尺寸填入下表：正向移動(dòng)位置起點(diǎn)坐標(biāo)P0P1

9、P2P3P4P5位移尺寸（mm）激光測量尺寸（mm）誤差值（um）µm0 0 30 60 90 120 150（mm）根據(jù)五個(gè)測量點(diǎn)的誤差，計(jì)算平均誤差，輸入到數(shù)控機(jī)床參數(shù)的反向間隙補(bǔ)償中。雙頻激光干涉儀測量角度和角速度從幾何意義上來說，角度表征了從同一點(diǎn)出發(fā)的兩條直線的方向差別。角度的復(fù)現(xiàn)是建立在圓周角等于360°的基礎(chǔ)上的。激光測角的方法很多，按照測角范圍分類，可分為：小角度測量和全角測量;按照有無合作目標(biāo)分類，可分為有靶鏡測量和無靶鏡測量;按照坐標(biāo)特征可以分為：俯仰角、偏擺角、滾動(dòng)角的測量。德國耶拿爾JENAer雙頻激光干涉儀通過不同的光學(xué)鏡組件，可對(duì)機(jī)床的俯仰角、偏

10、擺角和滾動(dòng)角進(jìn)行測量。以下為垂直度(直角)測量的原理：許多機(jī)械系統(tǒng)，如機(jī)床、測量機(jī)等都采用直角坐標(biāo)系統(tǒng)。在理想情況下X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸相互垂直。如果他們不垂直就會(huì)影響空間坐標(biāo)的精度。因此，垂直度的測量已引起廣泛的重視。測量垂直度的方法基于直線度測量，以直角方塊為基準(zhǔn)，測量兩個(gè)待測導(dǎo)軌的直線度，可以計(jì)算出兩個(gè)導(dǎo)軌的垂直度。這種測量方法的核心思想是以雙面反射鏡的角平分線為直線基準(zhǔn)(簡稱準(zhǔn)直基線)。測量垂直度時(shí)，首先將準(zhǔn)直基線調(diào)整到和待測的一個(gè)方向平行，后來的任何調(diào)節(jié)都不得變動(dòng)雙面反射鏡。因此，準(zhǔn)直基線就平行于一個(gè)待測方向。這時(shí)用直角標(biāo)準(zhǔn)塊和反射棱鏡把光束轉(zhuǎn)90°，用空心四面體聯(lián)系入射光

11、和出射光。沃拉斯頓棱鏡放在出射側(cè)，光束從雙面反射鏡返回、合光，進(jìn)入激光器計(jì)數(shù)。四面體和沃拉斯頓棱鏡在跟隨另外一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)的過程中所顯示的直線度誤差就是垂直度誤差，誤差值除以移動(dòng)距離就是角度值。激光干涉儀詳解激光干涉儀的開發(fā)，給機(jī)床工業(yè)提供了高精度的標(biāo)準(zhǔn)，適用于各種型號(hào)和規(guī)格的機(jī)床。穩(wěn)定的氦氖激光代表了當(dāng)前激光長度測量標(biāo)準(zhǔn)的工藝水平，而且在實(shí)際上成為已采用的長度測量標(biāo)準(zhǔn)。 激光干涉儀的精度視激光波長而定，其精度較好于0.5PPM（百萬分子0.5）。 激光干涉儀可以測出單軸六個(gè)自由度中的五個(gè)：線形定位、水平面內(nèi)直線度、垂直面內(nèi)直線度、俯仰角和偏擺角，也可測量兩軸之間的垂直度

12、。 使用激光干涉儀測量，必須要考慮到的誤差源： 一、  環(huán)境誤差。激光干涉儀的絕對(duì)精度取決于周圍條件的精確程度（或者說環(huán)境的穩(wěn)定程度）。環(huán)境溫度每產(chǎn)生1的變化，絕對(duì)壓力每產(chǎn)生2.5mmHg或相對(duì)濕度每產(chǎn)生30%的誤差時(shí)，都將會(huì)導(dǎo)致約1PPM（百萬分子一）的測量誤差。這些誤差利用人工補(bǔ)償或激光干涉儀所配的自動(dòng)補(bǔ)償裝置可部分克服。因此檢測期間保持這些條件的穩(wěn)定非常重要。 二、  機(jī)床表面溫度。即機(jī)床本身溫度變化的影響。對(duì)于用鋼制絲杠定位滑鞍的機(jī)床，絲杠理論熱膨脹系數(shù)為10.8PPM/，即溫度每升高1，他將膨脹近10.8微米/米。 三、&#

13、160; 死徑誤差（死行程誤差）。它是一種在測量期間與環(huán)境條件的變化有關(guān)系的誤差。它是由于當(dāng)圍繞激光束的大氣壓力發(fā)生變化（引起激光波長變化）時(shí)以及當(dāng)固定有激光干涉儀和目標(biāo)反射鏡的材料溫度發(fā)生變化（引起干涉儀和反射鏡之間的距離變化）時(shí)，激光束行程長度得不到補(bǔ)償而造成。簡單的講，激光測量行程的死行程區(qū)是指激光干涉儀與測量復(fù)位點(diǎn)（或0點(diǎn)）位置間的距離。激光干涉儀自身的補(bǔ)償系統(tǒng)僅能補(bǔ)償測量復(fù)位點(diǎn)到測量行程終點(diǎn)的距離，而對(duì)于死行程區(qū)的距離是不補(bǔ)償?shù)摹?#160;四、  余弦誤差。激光束路徑對(duì)應(yīng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸線如未對(duì)準(zhǔn)，將在測量長度同實(shí)際移動(dòng)長度間產(chǎn)生一個(gè)誤差。由于這個(gè)誤差與光束和實(shí)際運(yùn)動(dòng)間未對(duì)準(zhǔn)角的余弦成比例，所以未對(duì)準(zhǔn)誤差通常稱為余弦誤差。余弦誤差=1-cos，對(duì)于較小的，余弦誤差近似于2/2。舉例來說，當(dāng) =1mrad (3 arcmin)，則余弦誤差為0.5ppm。當(dāng)激光測量系統(tǒng)與機(jī)床移動(dòng)軸線未對(duì)準(zhǔn)時(shí)，余弦誤差將使測量長度小于實(shí)際長度。消除余弦誤差的方法是在安裝時(shí)確保良好的對(duì)