激光干涉仪在数控机床测量的应用 激光干涉仪技术指标

全球的竞争和质量标准的要求，对机床提出了更高的定位精度、更小的公差及更高的进给率。为了达到这些要求并生产出高品质高精度的零件，必须要测量机床的三维体积定位精度。

二十年前，机床的最大定位误差为丝杆的螺距误差及丝杆的热膨胀误差。但现在上述的大部份误差已被大幅度降低，机床的主要误差转而变成垂直度误差和直线度误差。为了达到高的机床三维空间定位精度，机床上所有的3个位移误差、6个直线度误差和3个垂直度误差都必须得到测量与补偿。用传统的激光干涉仪来测量直线度和垂直度误差是较困难并费时费钱的。通常需要停机数日并要求有经验的行家来进行测量。

美国光动公司（Optodyne, Inc. ）已为机床三维体积定位误差测量开发了一种新的、突破性的激光矢量测量技术（美国专利6,519,043, 2/11/2003）。这种测量方法仅需数小时就可以完成而不是传统激光干涉仪的几天。因此，三维体积定位误差测量和补偿变得实用，并可达到更高的精度和更小的公差。

意大利的一家公司JOBS S.P.A.自八十年代以来一直在制造三轴和五轴高速线性马达驱动的标准机床。二年前JOBS用光动公司专利许可的激光多普勒干涉仪（LDDM）取代了传统的激光校准设备。结合三维体积定位误差测量技术，或者结合光动公司发明的分步对角线测量技术，LDDM使JOBS很容易地做到精确的测量，并可以在生产运作发生危机前就察觉到问题。如果零件不合格，就将直接影响装配和电气部门的生产。而如果零件加工不能满足规定的公差，则要花更多时间来装配以保证机床能做到加工精度的技术指标。

用光动公司的三维体积激光校准设备，JOBS公司花很少时间，几次测量就得到了更完整的数据。使得JOBS公司很清楚地了解机床的误差，便及时地校准这些误差，因而以更有竞争性的质量和价格交付用户。

分步对角线测量方法使用4条相同的对角线设置，采集了12组数据。在测量得到数据的基础上，所有三个位移误差、六个直线度误差和三个垂直度误差都能确定。测量得到的定位误差可以用来产生三维体积补偿表，此表可以被上载到Siemens 840D控制器以校准任何定位误差，从而提高了定位精度。

JOBS公司报道了用光动的干涉仪以及分步对角线测量方法只要很少的几次测量就得到了足够多的数据，可以非常清楚地显示出机床的状态。JOBS非常容易地解决了一些通常的问题，诸如装配误差、温度变化引起的误差以及结构产生的问题等，并没有增加装配时间。JOBS生产的产品质量越来越好。而且，用于三维体积校准的分步对角线测量需要较多7次测量，从这7次测量中可了解到大部分误差的类型及大小。JOBS已经认定使用该方法来替代传统仪器在装配线上作为光学准直仪、直尺以及花岗石平台。

JOBS公司使用的光动公司的LDDM技术采用了单光束的MCV-500及双光束的MCV-2002从一个可移动的靶标上反射回调制过的激光束，带有位置信息的光束被探测到并经过处理用来产生查找表，因而能使控制器补偿误差。由于返回光束没有像传统的激光干涉仪那样对偏移有要求，因此设置非常快。仅需调整二个元件：一个单孔的发射和接受激光束的激光头，一个作为靶标的平面镜。

JOBS公司报道了单光束的MCV-500利用分步对角线测量使得只要中断很少装配时间就可以得到三维体积定位误差，因此大大降低了成本。

激光和平面镜安置在主轴和工作台上，沿每一轴X轴、Y轴、Z轴分别分步交替移动，这样重复一直走到对角线的对角上。所有三个轴每一步移动后对角线的定位误差就采集到了。这项技术采集了三倍的数据量，并允许可以测量得到每一轴移动时的位移误差。

靶标移动的轨迹并不是直线，侧向移动是较大的。而传统的干涉仪不允许这么大的侧向移动，测不到数据。而LDDM激光干涉仪使用一个平面镜作靶标，平行于镜子的移动不会转移激光束，也不会改变从光源来的距离。因此，测量不会受到影响。

较多可以有四个工作位置的温度传感器连接到自动温度补偿单元。自动温度补偿也对诸如环境因素，如空气温度、大气压力以及机床温度的变化提供补偿。

三维空间激光校准取代了一维激光校准
美国光动公司总裁 王正平博士 激光干涉仪是以激光波长为已知长度、利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量工具。激光干涉仪有单频的和双频的两种。单频的是在20世纪60年代中期出现的,最初用于检定基准线纹尺,后又用于在计量室中精密测长。双频激光干涉仪是1970年出现的，它适宜在车间中使用。激光干涉仪在极接近标准状态（温度为20℃、大气压力为101325帕、相对湿度59％、C O2 含量0.03％）下的测量精确度很高，可达1×10。

单频激光干涉仪

图1为单频激光干涉仪的工作原理。从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式[356-11]

式中λ为激光波长(N 为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。

双频激光干涉仪

图2为双频激光干涉仪的工作原理。在氦氖激光器上，加上一个约0.03特斯拉的轴向磁场。由于塞曼分裂效应和频率牵引效应,激光器产生1和2两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光。经1/4波片后成为两个互相垂直的线偏振光,再经分光镜分为两路。一路经偏振片1后成为含有频率为f1-f2的参考光束。另一路经偏振分光镜后又分为两路：一路成为仅含有f1的光束,另一路成为仅含有f2的光束。当可动反射镜移动时,含有f2的光束经可动反射镜反射后成为含有f2 ±Δf的光束，Δf是可动反射镜移动时因多普勒效应产生的附加频率,正负号表示移动方向(多普勒效应是奥地利人C.J.多普勒提出的，即波的频率在波源或接受器运动时会产生变化)。这路光束和由固定反射镜反射回来仅含有f1的光的光束经偏振片2后会合成为f1-(f2±Δf）的测量光束。测量光束和上述参考光束经各自的光电转换元件、放大器、整形器后进入减法器相减,输出成为仅含有±Δf的电脉冲信号。经可逆计数器计数后，由电子计算机进行当量换算（乘 1/2激光波长）后即可得出可动反射镜的位移量。双频激光干涉仪是应用频率变化来测量位移的，这种位移信息载于f1和f2的频差上，对由光强变化引起的直流电平变化不敏感，所以抗干扰能力强。它常用于检定测长机、三坐标测量机、光刻机和加工中心等的坐标精度，也可用作测长机、高精度三坐标测量机等的测量系统。利用相应附件，还可进行高精度直线度测量、平面度测量和小角度测量。

　　【仪器网 维修保养】激光干涉仪是以干涉测量法为原理，利用激光作为长度基准，对数控设备的位置精度、定位精度、重复定位精度以及几何精度等进行精密测量的精密测量仪器。
 

　　主要特点：
 

　　1、同时测量线性定位误差、直线度误差(双轴)、偏摆角、俯仰角和滚动角。
 

　　2、设计用于安装在机床主轴上的5D/6D传感器。
 

　　3、可选的无线遥控传感器最长的控制距离可到25米。
 

　　4、可测量速度、加速度、振动等参数，并评估机床动态特性。
 

　　5、全套系统重量仅15公斤，设计紧凑、体积小，测量机床时不需三角架。
 

　　6、集成干涉镜与激光器于一体，简化了调整步骤，减少了调整时间。
 

　　7、激光干涉仪可以同时测量线性定位误差、直线度误差、偏摆角、俯仰角和滚动角等以及测量速度、加速度、振动等参数，并评估机床动态特性等。
 

　　8、激光干涉仪的光源——激光，具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。
 

　　9、激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来使用。
 

　　维修保养：
 

　　1、仪器应妥善地放在干燥、清洁的房间内，防止振动，仪器搬动时应托住底座，以防导轨变形。
 

　　2、光学零件不用时应存放在清洁的干燥盆内以防止发霉。反光镜、分光镜一般不允许擦拭，擦拭时须先用备件毛刷小心掸去灰尘，再用脱脂清洁棉花球滴上酒精和乙mi混合液轻拭。
 

　　3、传动部件应有良好的润滑，特别是导轨、丝杆、螺母与轴孔部分，应用精密仪表油润滑。
 

　　4、使用时各调整部位用力要适当，不要强旋、硬扳。
 

　　5、导轨面丝杆应防止划伤、锈蚀，用毕后仍保持不失油状态。
 

　　6、经过精密调整的仪器部件上的螺丝都涂有红漆，不应擅自转动。