0811337激光干涉儀在機(jī)床精度檢測(cè)中的應(yīng)用

1、激光干涉儀在機(jī)床精度檢測(cè)中的應(yīng)用0811337童揚(yáng)劍（主編）0811325于鴻沛（校對(duì)）0811334荊立業(yè)（拼音顧問）0811336曹賢龍（外協(xié)）0811328 丁瑞（內(nèi)協(xié)）0811319黃振宇（外協(xié)）【摘要】：干涉測(cè)量技術(shù)是以光的干涉現(xiàn)象為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量的一門技術(shù)，由此展 開的線性測(cè)量，角度測(cè)量等在提高制造業(yè)的精加工方面有極其重要的作用。在 數(shù)控車床等精加工中有著不可替代的地位。以及一些建議。【Abstract 】:Interferometry is a kind of technology based on interference phenomenon,stemed from which

2、 linear measurement,angular measurement and so on play a paramount rolein precision work of manufacturing.Its also irreplaceable in precisionwork like numerical control machine and so on.And some advice about machine testing are recommended.【關(guān)鍵詞:干涉測(cè)量技術(shù)制造業(yè) 精加工 激光【Key words 】:Interferometry manufactur

3、ing precision work LASER1.引言近期的民工荒預(yù)示著中國制造業(yè)進(jìn)入了有勞動(dòng)力密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)型 的階段，在這個(gè)階段，提高加工制造業(yè)的精度極其重要，因此，激光測(cè)量控制技 術(shù)將會(huì)扮演一個(gè)相當(dāng)重要的角色。以下將以激光干涉技術(shù)在機(jī)加工中應(yīng)用為主進(jìn) 行介紹。激光干涉儀組成及基本原理激光輸出可視為正弦光波，其光波有三個(gè)關(guān)鍵特性：1.波長固定已知，可以 實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。2.波長很短，能夠?qū)崿F(xiàn)精密測(cè)量或高分辨率測(cè)量。3.所有光波同 相，能夠?qū)崿F(xiàn)干涉條紋。大多數(shù)現(xiàn)代干涉儀都采用He-Ne激光器，這種激光具有632.8nm的波長輸 出，如圖。激光光束包含兩種正交模式（圖中分別以紅線和藍(lán)線表

4、示），這兩種抨制旦子元件模式具有相近的頻率（他們相差2ppm），但處于垂直極化狀態(tài)。激光增益曲線 如圖。兩種模式的強(qiáng)度用光敏二極管測(cè)量，通過加熱器控制激光管長度來實(shí)現(xiàn)平 衡，這使激光穩(wěn)頻精度保持在土0.05ppm以內(nèi)，激光束出穩(wěn)定后即可進(jìn)行干涉 測(cè)量。激方肆苻曲線側(cè)藪.圖線性角錐反射鏡系統(tǒng)主要原理如 下圖，激光被分光鏡分成兩束光，大 約一半激光反射到固定角錐反射鏡 上，形成參考光束，另一半激光射到 移動(dòng)角錐反射鏡上，形成測(cè)量光束， 角錐反射鏡的特性是將輸入光束以 平行來光方向反射回去，這使光束準(zhǔn) 直過程簡單易行，并確保測(cè)量光束和 參考光束在疊加時(shí)保持平行。角錐反 射鏡將兩束光返回到分光鏡中，光

5、束 疊加并彼此干涉，兩束光相位相反 時(shí)，產(chǎn)生暗條紋，相位相同時(shí)，產(chǎn)生 明條紋。如果測(cè)量光路長度改變，干 涉光束的相對(duì)相位將改變，角錐反射 鏡每移動(dòng)316.4nm就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明- 暗-明的光強(qiáng)變化循環(huán)，通過計(jì)算這些循環(huán)來測(cè)量移動(dòng)。如果兩光程差不變化，探測(cè)器將在相長干涉和相消干涉之間某個(gè)位置觀察到一個(gè)穩(wěn)定信號(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，測(cè)量長度l=n*2/2n為條紋數(shù)。通過這些循環(huán)中的相位細(xì)分，可以實(shí) 現(xiàn)更高分辨率的測(cè)量。線性測(cè)量常用于高精度機(jī)械元 件校準(zhǔn)，高精度傳感器校準(zhǔn)等方面。要進(jìn)行角度測(cè)量，一個(gè)

6、光學(xué)組件（角度反射鏡）必須相對(duì)于另一個(gè)光學(xué)組件 （角度干涉鏡）旋轉(zhuǎn)。這將導(dǎo)致兩條測(cè)量光束之間的光程差發(fā)生變化，光程差變 化由條紋數(shù)決定，并由此換算出角度測(cè)量值。主要誤差分析使用激光干涉儀誤差 源：一、環(huán)境誤差。激光十 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 C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(cè)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(cè)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

7、定位 滑鞍的機(jī)床，絲杠理論熱 膨脹系數(shù)為10.8PPM/C, 即溫度每升高1 C,他將膨 脹近10.8微米/米。三、死徑誤差（死行程誤差）。它是一種在測(cè)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(cè)量行程的死行程區(qū)是指激光干涉儀與測(cè)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(cè)量復(fù)位點(diǎn)到測(cè)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)?。四、余弦誤差。激光束路徑對(duì)應(yīng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸線

8、如未對(duì)準(zhǔn)，將在測(cè)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-cosO，對(duì)于較小的0, 余弦誤差近似于02/2。舉例來說，當(dāng)=1mrad （3 arcmin），則余弦誤差為0.5ppm。當(dāng)激光測(cè)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(cè)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)準(zhǔn)。五、阿貝誤差。阿貝誤差原理是長度計(jì)量和長度計(jì)量儀器設(shè)計(jì)中最經(jīng)典的測(cè) 量原理。被測(cè)軸線和測(cè)量軸線應(yīng)在同一直線或其延伸線上，如果在一個(gè)偏離的被 測(cè)位移的位置上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，部件的任何角運(yùn)動(dòng)都將產(chǎn)生一個(gè)誤差。估算

9、角運(yùn)動(dòng) 產(chǎn)生的誤差的一條有益經(jīng)驗(yàn)是：每角秒的角運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生約5um/m的偏移。對(duì)于阿 貝偏移為200mm，2秒的角運(yùn)動(dòng)，其測(cè)量位移誤差為200mmx5um/m/角秒x2角 秒=2um。4、結(jié)論及建議激光波長會(huì)受到激光經(jīng)過的空氣折射率影響，由于空氣折射率會(huì)隨著壓力， 濕度，溫度的變化而變化，用于計(jì)算測(cè)量值的波長值可能需要對(duì)環(huán)境的變化進(jìn)行 校正補(bǔ)償，這種情況下兩束光的光程差可能很大。通常采用埃德倫公式減小這些 誤差。（波長補(bǔ)償僅適用于線性測(cè)量，對(duì)于角度，平面度，直線度等其他測(cè)量， 環(huán)境影響要小得多，應(yīng)為環(huán)境變化對(duì)測(cè)量光束和參考光束的影響程度相近?？紤]到環(huán)境補(bǔ)償系統(tǒng)的問題，要將氣壓溫度傳感器靠近測(cè)量光束，通常放在 機(jī)床機(jī)床立柱上端，材料溫度傳感器應(yīng)放在能代表機(jī)床光柵尺或滾珠絲杠等平均 溫度安全的地方，要避免受局部熱源的影響。測(cè)量前不但要準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)件溫度，而且被測(cè)件要在恒溫條件下長時(shí)間等 溫，以保證被測(cè)工件溫度均勻分布，即各部