0811337激光干涉儀在機床精度檢測中的應用

1、激光干涉儀在機床精度檢測中的應用0811337童揚劍（主編）0811325于鴻沛（校對）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】：干涉測量技術是以光的干涉現(xiàn)象為基礎進行測量的一門技術，由此展 開的線性測量，角度測量等在提高制造業(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?！続bstract 】: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.【關鍵詞:干涉測量技術制造業(yè) 精加工 激光【Key words 】:Interferometry manufactur

3、ing precision work LASER1.引言近期的民工荒預示著中國制造業(yè)進入了有勞動力密集型向技術密集型轉(zhuǎn)型 的階段，在這個階段，提高加工制造業(yè)的精度極其重要，因此，激光測量控制技 術將會扮演一個相當重要的角色。以下將以激光干涉技術在機加工中應用為主進 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，其光波有三個關鍵特性：1.波長固定已知，可以 實現(xiàn)精確測量。2.波長很短，能夠?qū)崿F(xiàn)精密測量或高分辨率測量。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。兩種模式的強度用光敏二極管測量，通過加熱器控制激光管長度來實現(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)定后即可進行干涉 測量。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 移動角錐反射鏡上，形成測量光束， 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 直過程簡單易行，并確保測量光束和 參考光束在疊加時保持平行。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，產(chǎn)生暗條紋，相位相同時，產(chǎn)生 明條紋。如果測量光路長度改變，干 涉光束的相對相位將改變，角錐反射 鏡每移動316.4nm就會出現(xiàn)一個明- 暗-明的光強變化循環(huán)，通過計算這些循環(huán)來測量移動。如果兩光程差不變化，探測器將在相長干涉和相消干涉之間某個位置觀察到一個穩(wěn)定信號。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，測量長度l=n*2/2n為條紋數(shù)。通過這些循環(huán)中的相位細分，可以實 現(xiàn)更高分辨率的測量。線性測量常用于高精度機械元 件校準，高精度傳感器校準等方面。要進行角度測量，一個

6、光學組件（角度反射鏡）必須相對于另一個光學組件 （角度干涉鏡）旋轉(zhuǎn)。這將導致兩條測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，絕對壓力 每產(chǎn)生2.5mmHg或相對濕度每產(chǎn)生30%的誤差時，都將會導致約1PPM （百萬分子一）的測量誤差。這 些誤差利用人工補償或激 光干涉儀所配的自動補償 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、機床表面溫度。 即機床本身溫度變化的影 響。對于用鋼制絲杠

7、定位 滑鞍的機床，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）。它是一種在測量期間與環(huán)境條件的變化有關 系的誤差。它是由于當圍繞激光束的大氣壓力發(fā)生變化（引起激光波長變化）時 以及當固定有激光干涉儀和目標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，激光束行程長度得不到補償而造成。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位點（或0 點）位置間的距離。激光干涉儀自身的補償系統(tǒng)僅能補償測量復位點到測量行程 終點的距離，而對于死行程區(qū)的距離是不補償?shù)?。四、余弦誤差。激光束路徑對應機床運動軸線

8、如未對準，將在測量長度同實 際移動長度間產(chǎn)生一個誤差。由于這個誤差與光束和實際運動間未對準角的余弦 成比例，所以未對準誤差通常稱為余弦誤差。余弦誤差=1-cosO，對于較小的0, 余弦誤差近似于02/2。舉例來說，當=1mrad （3 arcmin），則余弦誤差為0.5ppm。當激光測量系統(tǒng)與機床移動軸線未對準時，余弦誤差將使測量長度小于實際 長度。消除余弦誤差的方法是在安裝時確保良好的對準。五、阿貝誤差。阿貝誤差原理是長度計量和長度計量儀器設計中最經(jīng)典的測 量原理。被測軸線和測量軸線應在同一直線或其延伸線上，如果在一個偏離的被 測位移的位置上進行測量時，部件的任何角運動都將產(chǎn)生一個誤差。估算

9、角運動 產(chǎn)生的誤差的一條有益經(jīng)驗是：每角秒的角運動產(chǎn)生約5um/m的偏移。對于阿 貝偏移為200mm，2秒的角運動，其測量位移誤差為200mmx5um/m/角秒x2角 秒=2um。4、結(jié)論及建議激光波長會受到激光經(jīng)過的空氣折射率影響，由于空氣折射率會隨著壓力， 濕度，溫度的變化而變化，用于計算測量值的波長值可能需要對環(huán)境的變化進行 校正補償，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。（波長補償僅適用于線性測量，對于角度，平面度，直線度等其他測量， 環(huán)境影響要小得多，應為環(huán)境變化對測量光束和參考光束的影響程度相近。考慮到環(huán)境補償系統(tǒng)的問題，要將氣壓溫度傳感器靠近測量光束，通常放在 機床機床立柱上端，材料溫度傳感器應放在能代表機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。測量前不但要準確測量被測件溫度，而且被測件要在恒溫條件下長時間等 溫，以保證被測工件溫度均勻分布，即各部