激光干涉儀如何校準數(shù)控機床

1、激光干涉儀是一種以波長作為標準對被測長度進行測量的儀器。激光干涉儀是20世紀60年代末期問世的一種新型的測量設(shè)備，由美國HP公司研制成功并于1970年投入市場，隨即受到了相關(guān)行業(yè)特別是機床制造業(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。隨著激光干涉儀測量技術(shù)的不斷提高，測量軟件的不斷開發(fā)其測量范圍越來越廣泛，特別是在測量數(shù)控機床位置精度方面用途最為廣泛，本文以某國產(chǎn)激光干涉儀為例詳細講述如何對數(shù)控機床進行線性測量。u 數(shù)控機床檢測的必要性首先,新機床出廠前都要進行定位精度和重復定位精度以及反向間隙的檢測,現(xiàn)在大多使用激光干涉儀進行. 其次,機床使用一段時間后,由于絲杠的

2、磨損和其它原因,精度會逐漸喪失,這時需要使用激光干涉儀進行精度的再校準. 最后,激光干涉儀還可以進行其它項目的檢測,例如直線度,垂直度,角度等。u 激光干涉儀工作原理一個角錐反射鏡緊緊固定在分光鏡上，形成固定長度參考光束。另一個角錐反射鏡相對于分光鏡移動，形成變化長度測量光束。從激光頭射出的激光光束(1)具有單一頻率，標稱波長為0.633µm，長期波長穩(wěn)定性（真空中）優(yōu)于0.05ppm。當此光束到達偏振分光鏡時，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器中形成干涉光束。如果兩光程差不變化，探測器將在相長干

3、涉和相消干涉的兩端之間的某個位置觀察到一個穩(wěn)定的信號。如果兩光程差發(fā)生變化，每次光路變化時探測器都能觀察到相長干涉和相消干涉兩端之間的信號變化。這些變化（條紋）被數(shù)出來，用于計算兩光程差的變化。測量的長度等于條紋數(shù)乘以激光波長的一半。應(yīng)當注意到，激光波長將取決于光束經(jīng)過的空氣的折射率。由于空氣折射率會隨著氣溫、壓力和相對濕度的變化而變化，用于計算測量值的波長值可能需要對這些環(huán)境參數(shù)的變化進行補償。在實踐中，對于技術(shù)指標中的測量精度，只有線性位移（定位精度）測量需要進行此類補償，在這種情況下兩束光的光程差變化可能非常大。u 波長補償線性定位測量精度取決于激光波長的已知精度。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、氣壓和相對濕度將會影響激光光束的波長（在空氣中）。如果不對波長的變化進行補償，激光線性測量誤差可能達到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變化達20ppm以上。作為參考，以下每項環(huán)境條件的變化都將導致大約1ppm的誤差：空氣溫度 1C(1.8°F)空氣壓力 3.3mbar(0.098inHg)相對濕度（20°C時） 50%相對濕度（40°C時） 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)境補償單元通過埃德倫公式來減小這些誤差。u 檢測過程及分析1

5、.線性測量的一般步驟 （1）安裝設(shè)置激光干涉儀 （2）將激光束與被測量的軸校準 （3）啟動測量軟件，并輸入相關(guān)參數(shù)（如材料膨脹系數(shù)）。 （4）在機床上輸入測量程序，啟動干涉儀測量，并記錄數(shù)據(jù)。 （5）用測量軟件分析測量數(shù)據(jù)，生產(chǎn)補償文件。 光束快速準直步驟 （1）沿著運動軸將反射鏡與干涉鏡分開。 （2）移動機床工作臺，當光束離開光靶外圓時停止移動。  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）沿著運動軸重新開始移動機床工作臺。在看到光束移開光靶時再次停止。重復步驟3到6，直到完成整個軸向的光鏡準直。 （8）達到軸的末端時，將機床移回，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。 重復步驟1到8，直到兩道光

7、束在整個運動軸長度范圍內(nèi)都保持在光靶的中心。 （9）保持光束和測量軸準直。將光閘旋轉(zhuǎn)到其測量位置。當反光鏡沿著機床的整個運動長度移動時，檢查線性數(shù)據(jù)采集軟件中顯示的信號強度。 2.測量誤差的產(chǎn)生及消除方法 在使用激光干涉儀對數(shù)控機床的位置精度檢測中，導致測量精度偏差的因素很多，必須采取措施分析消除。外界環(huán)境的變化將會對測量數(shù)據(jù)的準確性參數(shù)影響，如空氣溫度變化1 、空氣壓力變化0.3 kPa、相對濕度變化30%。尤其是振動對測量準確性的影響，振動產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在測量數(shù)據(jù)的分散，重復測量精度差，甚至導致無法測量。 因此，應(yīng)保證外界環(huán)境的穩(wěn)定性，最好在恒溫

8、環(huán)境中測量。在外界環(huán)境偏離測量要求的標準條件時，可使用相關(guān)的補償參數(shù)加以修正，測量軟件可自動對溫度、壓力、濕度等條件進行補償。盡量減少熱源（照明燈、機床工作燈）。盡可能的減少外界的各種振動，可以在下班后比較安靜的環(huán)境下測量。干涉儀的安裝位置盡量靠近機床，并用較短的加長桿固定光學元件。磁力表座應(yīng)直接吸在機床床身或刀架等表面，避免吸裝在機床護罩或護蓋較薄弱的部分，確保吸裝的表面平坦且沒有油漬及塵土。 以下具體分析各影響因素及消除方法。 （1）機床溫度偏離，將導致輸入的膨脹系數(shù)與材料的實際變化不同，影響測量精度。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，將產(chǎn)生±1.0 m的測量誤差；若輸入不正確的機器熱膨脹系數(shù)輸入不正確，產(chǎn)生的誤差會更多。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)境中測量。 （2）余弦誤差的影響。在激光束的校準過程中，不可能保證光束與運動軸的絕對平行，比如會產(chǎn)生一個夾角，我們稱為誤差夾角，該誤差與（1-cos）成正比。該余弦誤差就會使得測量距離比實際值小，如圖2所示。 因此，要減少及消除余弦誤差，應(yīng)在校準光束時，盡可能使干涉儀檢測的光束信號強度在運動軸的全程保持恒定，從而余弦誤差最小。 （3）測量元件的影響。光學元件不清潔會導致信號強度降低，從而難以達到高精度測量結(jié)果。特別是在被測量軸的運動距離比較長時。因此，在光學元件的保管和使用過程中，應(yīng)盡量保證光學元件表面的清潔，若發(fā)現(xiàn)光學元件被弄臟的情況，可使用專用的的透鏡拭紙和無痕跡清潔液去除灰塵手印等。 3 結(jié)語 機床本身精度不佳會帶來上述各種誤差，但也不能排除在某種情況下激光干涉儀操作不當也是會帶來較大誤差。伺服電機參數(shù)設(shè)置不當、電機與絲桿連接誤差、檢查機床的俯仰和絲桿同軸度。絲杠或傳動系統(tǒng)故障、編碼器問題或故障都會影響或被放大線性，影響機床精度。為