激光干涉仪在机床精度检测中的应用

范浩+宫德波

摘 要：随着数控机床在企业中的广泛使用，采用激光干涉仪对数控机床进行定位精度检测已经成为目前公认的高效、高精度的检测方法。不同的机床使用激光干涉仪检测的精度曲线会有所相同，因此就需要对不同的测试结果给予全面而科学地分析。该文主要叙述了激光干涉仪在数控机床位置精度检测中应用和测量过程中误差产生的原因以及消除误差方法。

关键词：激光干涉仪 测量误差 产生及消除

中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0080-02

在检测数控车床位置精度时，激光干涉仪是运用最多的测量工具。该文以山推工程机械股份公司为例，该公司采用的是雷尼绍的激光干涉仪，它的优点是产品成熟，操作方便，性能稳定。缺点是使用过程中受干扰的因素过多。因此在使用过程中，应全面考虑各种因素的影响，并采取措施消除。

1 激光校准系统

以使用英国雷尼绍激光校准系统进行线性测量为例，介绍双频激光干涉仪检测法。

1.1 线性干涉仪的测量原理

按图1所示方式将线性反光镜和两个分光镜连接，我们称为“线性干涉镜”。它的作用是为光束提提供一个路径。图中光束依照箭头的方向传播。

入射光束进入线性干涉镜，分成两道光束，一道为参考光束，另一道为光束。参考光束进入反射镜，测量光束通过分光镜进入另一个反射镜，然后集中汇聚到激光头，酒缸头内部有探测器来监控这两道光束。

在测量时，需要保证干涉镜不动，而使反射镜沿着被测量的轴移动。在移动过程中，干涉仪将采集光束路线的变化通过测量结果与待测机床的标尺读数比较，便可测得机床精度的误差。

1.2 进行线性测量的一般步骤

（1）安装设置激光干涉仪

（2）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 μm/℃时，将产生±1.0 μm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θ，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。

参考文献

[1] 钟伟弘.数控机床定位误差的激光干涉法检测与补偿[J].组合机床与自动化加下技术，2000，7（9）：39.

[2] 陈国琛.数控机床位置精度检测与调试[J].制造技术与机床，2004，10（5）：65.

[3] 张立.新型长度测量系统[J].科技动态，2010，4（2）：39.endprint

摘 要：随着数控机床在企业中的广泛使用，采用激光干涉仪对数控机床进行定位精度检测已经成为目前公认的高效、高精度的检测方法。不同的机床使用激光干涉仪检测的精度曲线会有所相同，因此就需要对不同的测试结果给予全面而科学地分析。该文主要叙述了激光干涉仪在数控机床位置精度检测中应用和测量过程中误差产生的原因以及消除误差方法。

关键词：激光干涉仪 测量误差 产生及消除

中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0080-02

在检测数控车床位置精度时，激光干涉仪是运用最多的测量工具。该文以山推工程机械股份公司为例，该公司采用的是雷尼绍的激光干涉仪，它的优点是产品成熟，操作方便，性能稳定。缺点是使用过程中受干扰的因素过多。因此在使用过程中，应全面考虑各种因素的影响，并采取措施消除。

1 激光校准系统

以使用英国雷尼绍激光校准系统进行线性测量为例，介绍双频激光干涉仪检测法。

1.1 线性干涉仪的测量原理

按图1所示方式将线性反光镜和两个分光镜连接，我们称为“线性干涉镜”。它的作用是为光束提提供一个路径。图中光束依照箭头的方向传播。

入射光束进入线性干涉镜，分成两道光束，一道为参考光束，另一道为光束。参考光束进入反射镜，测量光束通过分光镜进入另一个反射镜，然后集中汇聚到激光头，酒缸头内部有探测器来监控这两道光束。

在测量时，需要保证干涉镜不动，而使反射镜沿着被测量的轴移动。在移动过程中，干涉仪将采集光束路线的变化通过测量结果与待测机床的标尺读数比较，便可测得机床精度的误差。

1.2 进行线性测量的一般步骤

（1）安装设置激光干涉仪

（2）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 μm/℃时，将产生±1.0 μm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θ，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。

参考文献

[1] 钟伟弘.数控机床定位误差的激光干涉法检测与补偿[J].组合机床与自动化加下技术，2000，7（9）：39.

[2] 陈国琛.数控机床位置精度检测与调试[J].制造技术与机床，2004，10（5）：65.

[3] 张立.新型长度测量系统[J].科技动态，2010，4（2）：39.endprint

摘 要：随着数控机床在企业中的广泛使用，采用激光干涉仪对数控机床进行定位精度检测已经成为目前公认的高效、高精度的检测方法。不同的机床使用激光干涉仪检测的精度曲线会有所相同，因此就需要对不同的测试结果给予全面而科学地分析。该文主要叙述了激光干涉仪在数控机床位置精度检测中应用和测量过程中误差产生的原因以及消除误差方法。

关键词：激光干涉仪 测量误差 产生及消除

中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0080-02

在检测数控车床位置精度时，激光干涉仪是运用最多的测量工具。该文以山推工程机械股份公司为例，该公司采用的是雷尼绍的激光干涉仪，它的优点是产品成熟，操作方便，性能稳定。缺点是使用过程中受干扰的因素过多。因此在使用过程中，应全面考虑各种因素的影响，并采取措施消除。

1 激光校准系统

以使用英国雷尼绍激光校准系统进行线性测量为例，介绍双频激光干涉仪检测法。

1.1 线性干涉仪的测量原理

按图1所示方式将线性反光镜和两个分光镜连接，我们称为“线性干涉镜”。它的作用是为光束提提供一个路径。图中光束依照箭头的方向传播。

入射光束进入线性干涉镜，分成两道光束，一道为参考光束，另一道为光束。参考光束进入反射镜，测量光束通过分光镜进入另一个反射镜，然后集中汇聚到激光头，酒缸头内部有探测器来监控这两道光束。

在测量时，需要保证干涉镜不动，而使反射镜沿着被测量的轴移动。在移动过程中，干涉仪将采集光束路线的变化通过测量结果与待测机床的标尺读数比较，便可测得机床精度的误差。

1.2 进行线性测量的一般步骤

（1）安装设置激光干涉仪

（2）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 μm/℃时，将产生±1.0 μm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θ，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。

参考文献

[1] 钟伟弘.数控机床定位误差的激光干涉法检测与补偿[J].组合机床与自动化加下技术，2000，7（9）：39.

[2] 陈国琛.数控机床位置精度检测与调试[J].制造技术与机床，2004，10（5）：65.

[3] 张立.新型长度测量系统[J].科技动态，2010，4（2）：39.endprint