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1、激光干涉仪是一种以波长作为标准对被测长度进行测量的仪器。激光干涉仪是20世纪60年代末期问世的一种新型的测量设备，由美国HP公司研制成功并于1970年投入市场，随即受到了相关行业特别是机床制造业的重视，其主要在：线形、角度、垂直度、直线度、平面度等方面上应用。随着激光干涉仪测量技术的不断提高，测量软件的不断开发其测量范围越来越广泛，特别是在测量数控机床位置精度方面用途最为广泛，本文以某国产激光干涉仪为例详细讲述如何对数控机床进行线性测量。u 数控机床检测的必要性首先,新机床出厂前都要进行定位精度和重复定位精度以及反向间隙的检测,现在大多使用激光干涉仪进行. 其次,机床使用一段时间后,由于丝杠的
2、磨损和其它原因,精度会逐渐丧失,这时需要使用激光干涉仪进行精度的再校准. 最后,激光干涉仪还可以进行其它项目的检测,例如直线度,垂直度,角度等。u 激光干涉仪工作原理一个角锥反射镜紧紧固定在分光镜上，形成固定长度参考光束。另一个角锥反射镜相对于分光镜移动，形成变化长度测量光束。从激光头射出的激光光束(1)具有单一频率，标称波长为0.633m，长期波长稳定性（真空中）优于0.05ppm。当此光束到达偏振分光镜时，被分成两束光反射光束(2)和透射光束(3)。这两束光被传送到各自的角锥反射镜中，然后反射回分光镜中，在嵌于激光头中的探测器中形成干涉光束。如果两光程差不变化，探测器将在相长干涉和相消干涉
3、的两端之间的某个位置观察到一个稳定的信号。如果两光程差发生变化，每次光路变化时探测器都能观察到相长干涉和相消干涉两端之间的信号变化。这些变化（条纹）被数出来，用于计算两光程差的变化。测量的长度等于条纹数乘以激光波长的一半。应当注意到，激光波长将取决于光束经过的空气的折射率。由于空气折射率会随着气温、压力和相对湿度的变化而变化，用于计算测量值的波长值可能需要对这些环境参数的变化进行补偿。在实践中，对于技术指标中的测量精度，只有线性位移（定位精度）测量需要进行此类补偿，在这种情况下两束光的光程差变化可能非常大。u 波长补偿线性定位测量精度取决于激光波长的已知精度。这不仅与激光的稳频精度有关，而且还
4、与周围环境参数有关。尤其是气温、气压和相对湿度将会影响激光光束的波长（在空气中）。如果不对波长的变化进行补偿，激光线性测量误差可能达到50ppm。即使在温度受控的房间内，日常的空气压力变化也可能使波长变化达20ppm以上。作为参考，以下每项环境条件的变化都将导致大约1ppm的误差：空气温度 1C(1.8F)空气压力 3.3mbar(0.098inHg)相对湿度（20C时） 50%相对湿度（40C时） 30%注：这些值是在最恶劣条件下的影响值，并且它们并非完全不受其他参数值的影响。可采用环境补偿单元通过埃德伦公式来减小这些误差。u 检测过程及分析1.线性测量的一般步骤（1）安装设置激光干涉仪（2
5、）将激光束与被测量的轴校准（3）启动测量软件，并输入相关参数（如材料膨胀系数）。（4）在机床上输入测量程序，启动干涉仪测量，并记录数据。（5）用测量软件分析测量数据，生产补偿文件。光束快速准直步骤（1）沿着运动轴将反射镜与干涉镜分开。（2）移动机床工作台，当光束离开光靶外圆时停止移动。 垂直光束调整（3）使用激光头后方的指形轮使两道光束回到相同的高度。（4）使用三脚架中心主轴上的高度调整轮使激光头上下旋转，直到两道光束都击中光靶中心。 水平光束调整（5）用三脚架左后方的小旋钮，调整激光头的角度偏转，使两道光束彼此重叠。（6）用三脚架左边中间的大旋钮，调整激光头的水平位置，使两道光束击中光靶的中
6、心。（7）沿着运动轴重新开始移动机床工作台。在看到光束移开光靶时再次停止。重复步骤3到6，直到完成整个轴向的光镜准直。（8）达到轴的末端时，将机床移回，使反光镜及线性反射镜互相靠近。注：若其中一道光束离开光闸的光靶，是由于反光镜侧向偏移所造成。上下左右移动反光镜，使从反光镜返回的光束与干涉镜的光束在光闸的光靶上互相重叠。重复步骤1到8，直到两道光束在整个运动轴长度范围内都保持在光靶的中心。（9）保持光束和测量轴准直。将光闸旋转到其测量位置。当反光镜沿着机床的整个运动长度移动时，检查线性数据采集软件中显示的信号强度。2.测量误差的产生及消除方法在使用激光干涉仪对数控机床的位置精度检测中，导致测量
7、精度偏差的因素很多，必须采取措施分析消除。外界环境的变化将会对测量数据的准确性参数影响，如空气温度变化1 、空气压力变化0.3 kPa、相对湿度变化30%。尤其是振动对测量准确性的影响，振动产生的影响主要表现在测量数据的分散，重复测量精度差，甚至导致无法测量。因此，应保证外界环境的稳定性，最好在恒温环境中测量。在外界环境偏离测量要求的标准条件时，可使用相关的补偿参数加以修正，测量软件可自动对温度、压力、湿度等条件进行补偿。尽量减少热源（照明灯、机床工作灯）。尽可能的减少外界的各种振动，可以在下班后比较安静的环境下测量。干涉仪的安装位置尽量靠近机床，并用较短的加长杆固定光学元件。磁力表座应直接吸
8、在机床床身或刀架等表面，避免吸装在机床护罩或护盖较薄弱的部分，确保吸装的表面平坦且没有油渍及尘土。以下具体分析各影响因素及消除方法。（1）机床温度偏离，将导致输入的膨胀系数与材料的实际变化不同，影响测量精度。如果温度传感器的精度为0.1 ，而膨胀系数变化10 m/时，将产生1.0 m的测量误差；若输入不正确的机器热膨胀系数输入不正确，产生的误差会更多。因此，应保证外界环境温度的稳定性，最好在恒温环境中测量。（2）余弦误差的影响。在激光束的校准过程中，不可能保证光束与运动轴的绝对平行，比如会产生一个夹角，我们称为误差夹角，该误差与（1-cos）成正比。该余弦误差就会使得测量距离比实际值小，如图2
9、所示。因此，要减少及消除余弦误差，应在校准光束时，尽可能使干涉仪检测的光束信号强度在运动轴的全程保持恒定，从而余弦误差最小。（3）测量元件的影响。光学元件不清洁会导致信号强度降低，从而难以达到高精度测量结果。特别是在被测量轴的运动距离比较长时。因此，在光学元件的保管和使用过程中，应尽量保证光学元件表面的清洁，若发现光学元件被弄脏的情况，可使用专用的的透镜拭纸和无痕迹清洁液去除灰尘手印等。3 结语机床本身精度不佳会带来上述各种误差，但也不能排除在某种情况下激光干涉仪操作不当也是会带来较大误差。伺服电机参数设置不当、电机与丝杆连接误差、检查机床的俯仰和丝杆同轴度。丝杠或传动系统故障、编码器问题或故障都会影响或被放大线性，影响机床精度。为了让调试者直接准确的找到问题分析方法，建议：（1）车间激光干涉仪检测前机床须做到：机床润滑充足，机床预热（跑和1 h），检查激光校准情况及稳定情况。检查材料温度测量不正确或波长补偿合理性。（2）维修者：多用量表，检具检查机床各项几何精度和各驱动部件锁紧情况，尽量避免强行拉丝杆、敲轴承从而影响机床部件精度。
激光干涉仪如何校准数控机床
