激光干涉仪在大型三坐标测量机示值误差快速测量中的应用

金京陈攀李鹏伟/ .武汉计量测试检定研究所；.中船重工第7研究所

激光干涉仪在大型三坐标测量机示值误差快速测量中的应用

金京1陈攀1李鹏伟2/ 1.武汉计量测试检定研究所；2.中船重工第722研究所

提出一种使用激光干涉仪快速测量大型三坐标测量机示值误差的方法。描述了校准方法原理，建立了测量模型，探索了试验程序和试验方法，并给出对三坐标测量机示值误差校准的具体方法和步骤，使测量过程中激光干涉仪引入的误差尽可能减少，最后给出校准结果。分别采用激光干涉仪与传统标准量块得到的校准数据比对结果表明，激光干涉仪在大型三坐标测量机示值误差的校准中更加准确、可靠。

激光干涉仪；三坐标测量机；示值误差；校准

0 引言

仪器的校准是产品控制的重要一环。随着三坐标测量机的不断发展[1]，传统的校准方法已经无法满足一些大型三坐标测量机的校准工作。JJF 1064-2010《坐标测量机校准规范》是我国各计量技术机构及校准实验室对三坐标测量机进行校准的唯一技术依据[2～3]。JJF 1064-2010中规定，在实物标准器无法满足测量要求时，可使用激光干涉仪进行位置示值误差测量，并且测量可以只在使用尺寸实物标准器不能满足要求的轴向进行。关于尺寸实物标准器的要求中有“在尺寸实物标准器的最大长度无法达到空间对角线的66%时，可以增加测量位置或使用激光干涉仪进行位置示值误差测量”的规定[4]。实际校准过程中，校准坐标测量机的主要实物标准器通常为标准量块或是步距规，而标准量块或步距规的测量范围均小于或等于1 000 mm，然而大型三坐标测量机的测量范围均大于1 000 mm，无法使用该类标准实物量具进行有效校准[5]。但在该规定中又未给出使用激光干涉仪进行位置示值误差校准的具体实施步骤。本文分析激光干涉仪作为计量标准器所引入的误差[6]，给出使用激光干涉仪对三坐标测量机示值误差进行校准的具体方法和步骤，将该方法所得数据与其他方法所得数据进行比对分析，验证了该方法所得数据的可信度。

1 实验过程

1.1 激光干涉仪测量三坐标测量机

本文以英国RENISHAW公司的XL80双频激光干涉仪为例，因其具有极高的测量准确度、广泛的用途和对环境的不挑剔程度，能够实现准确定位、距离测量、重复性测量等任务，普及程度相当高，占激光干涉仪市场份额的90%以上。作为计量标准器，激光干涉仪的示值误差直接影响对三坐标测量机示值误差的校准结果，因此要尝试各种不同的校准试验方法，尽量避免或减少由激光干涉仪的激光发生器（以下简称激光器）、XC80 环境补偿系统、夹持器组、线性长度测量镜组、重负荷三脚架等引入的测量误差。

1.1.1 测量系统的建立

选择工作状态良好、稳定、测量数据准确可靠的三坐标测量机为被测对象，其测量范围为X轴方向0～900 mm；Y轴方向0～1 600 mm；Z轴方向0～800 mm。在稳定的温度、湿度和大气压测量环境中，选用双频激光干涉仪对三坐标测量机进行校准试验。校准试验过程如下：确立试验方法和步骤，建立测量模型（包括如何减小激光干涉仪引入的各项误差），通过线位移法，按照试验流程图1进行校准试验，最后得到测量结果。

校准过程中首先对三坐标测量机X、Y、Z坐标轴上的移动距离进行测量，并将三坐标测量机的示值与激光干涉仪的示值进行比对，得到三坐标测量机的示值误差。因为在三个坐标轴方向上的测量过程类似，而在Y方向的测量范围为0～1 600 mm，是本次试验对象中测量范围最大的一个方向，用标准实物量具无法有效测量Y轴全量程的示值误差，所以Y轴是本次试验中最有效的一个测量轴方位。本次试验仅对Y轴的测量进行详细说明。

图1 激光干涉仪对三坐标测量机示值误差校准试验设计流程

1.1.2 激光干涉仪测量三坐标机的测量过程及步骤

首先需要对实验对象三坐标测量机的测量数据进行标定，以减少系统误差，降低其对三坐标测量机准确度的影响，保证三坐标测量机的稳定运行和测量数据的准确可靠，使该三坐标测量机满足试验对象的要求。

标定过程中，需确定仪器或系统的输入与输出之间关系；给予仪器以及测量系统分度值；获得仪器以及测量系统的静态特性，以此减小系统误差，提高系统的测量准确度。

1.1.3 测量模型

采用激光干涉仪作为计量标准器对三坐标测量机示值误差进行校准的测量模型如式（1）所示。

式中：Δi—— 三坐标测量机各校准点的示值误差，μm；

Bi—— 各校准点上三坐标测量机的示值，mm；

Si—— 激光干涉仪在该校准点上的示值，mm

1.1.4 镜组及环境补偿系统架设

选用激光干涉仪的主要测量元件和线性长度测量元件。主要测量元件包括分激光器、环境补偿系统、元器件夹持器组；线性长度测量元件包括测量线性长度干涉镜、测量线性长度反射镜。

将反射镜固定在三坐标测量机的测头上，对激光束进行校直。对干涉镜和基准反射镜组与探头连接的牢固程度进行检查，对仪器的软硬件进行必要的设置。将环境补偿系统架设到有效测量空间内，并与激光干涉仪和仪器软件连接，确定该系统运行正常。

将所有硬件如图2所示完成接线及架设。

图2 激光干涉仪对三坐标测量机校准试验接线及架设元器件设计图

1）先空跑Y轴的全量程行程，找到Y轴在三坐标测量机的起点位置和终点位置，再架设镜组。架设镜组之前，通过锁定X轴方向和Z轴方向的电机伺服系统提高导轨运行的直线度，从而避免三坐标测量机在测量Y轴时测量路径跑偏，避免阿贝平移误差对测量数据的影响。

2）干涉镜与反射镜架设得越近越好，这样可以有效避免和减少死径误差对测量数据的影响。

3）干涉镜和反射镜组需架设于三坐标测量机机台的主轴上。因其是相对移动物体，对焦时避免反射回来的激光打在激光出射口处，对焦时近端调平移、远程调角度。激光器要与干涉镜和反射镜成一条直线，激光光束路径与运动轴线之间要校直，光束与预定校准轴线要校对平行，从而避免余弦误差对测量数据的影响。

4）水平轴向测量镜组架设：干涉镜需置于激光头与测量反射镜之间，而当中有一块基准反射镜锁在干涉镜上，如图3所示。

图3 干涉镜置于激光器与反射镜之间

5）将环境补偿系统架设到有效测量空间内并等温，并与激光干涉仪和仪器软件连接，直到环境补偿系统相关数据稳定，确定该系统运行正常，从而避免环境引入误差对测量数据的影响。

6）垂直轴向测量镜组架设：当需要测量三坐标Z轴，即垂直轴向的示值误差时，因采用垂直轴向测量镜组的架设方式，将图4的干涉镜与基准反射镜组旋转90°，使激光经过干涉镜和反射镜组的反射之后，竖直沿Z轴方向射出，再将测量反射镜置于Z轴上方激光的方向，将测量光束反射回干涉镜。1.1.5 镜组、校直激光束调整

1）将激光出射口旋转至对焦用的较小光束孔位置，如图4所示。

图4 激光出射口旋转至较小光束孔位置

2）当反射镜及干涉镜调整完毕后，将要测量的Y轴回归起点位置或移动到与起点位置相反的终点位置。

3）将干涉镜及测量反射镜架设到Y轴及另一辅助轴上。

4）尽量将干涉镜及测量反射镜之间的距离缩小，越靠近越好，避免死径误差。

5）两镜组靠近时可直接移动反射镜组使光点重叠，再利用脚架上升，平移机构将重叠光点移到标靶位置，将图4所示激光出射口顺时针旋转90°，重叠光点会被接收孔接收，此时检查接收光线的强度，如图5所示。

图5 激光出射口顺时针旋转90°之后的位置

6）将反射镜移动至测量距离的极限，将偏离测量反射镜中心位置的激光束，用上下左右角度调整调到测量反射镜上。

7）检视反射回来的光点重叠度。若光点不重叠，在近端不重叠时是两镜组上下或左右没有在相同之位置高度，必须调整干涉镜或测量反射镜使之重叠，在远程不重叠时是因有角度偏差，必须调整激光器的偏摆及倾斜角度使光点重叠。

8）将重叠的光点利用脚架平移或上下调整，使光点落在接收孔内（原标靶位置）。

1.1.6 检查光路并复位清零

单向运行坐标测量机，观察激光干涉仪和三坐标测量机的读数，检验光路是否正确。

1）重复1.1.5镜组、校直激光束调整过程，直至反射镜近端和远程的光线强度相同，并且当光线强度超过50%即可测量。

2）分别操作激光干涉仪和三坐标测量机，使之复位清零。

本次试验采用线位移方式。操作三坐标测量机单向移动，使测头沿Y轴向单方向移动。当三坐标测量机的示值为20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm、1 100 mm、1 200 mm、1 300 mm、1 400 mm、1 500 mm，1 600 mm时读取激光干涉仪的示值，将两数据比对，得到坐标测量机在Y轴上各点的示值误差。将所有目标测量完毕后回零位进行第二次测量，两次的测量结果取平均值。

1.2 量块测量三坐标测量机

为了验证激光干涉仪对三坐标测量机示值误差校准方法所得到的数据是否准确有效，该方法是否可行并且可靠，需采用不同的校准方法进行分析和对比，分析用激光干涉仪对三坐标测量机示值误差校准数据是否有效，该方法是否可行并且可靠。按照三坐标测量机校准规范规定，使用标准实物量具对本次试验的三坐标测量机做一次校准，得到此次参考性校准的数据。

1.2.1 量块对三坐标测量机示值误差校准过程

按照三坐标测量机校准规范，在满足要求的温、湿度环境下，选用标准量块对作为试验对象的三坐标测量机进行校准。标准量块在实验室等温4 h之后，将其依次固定在量块架上，摆正位置，由操作员操作三坐标测量机，通过三坐标测量机测量软件对量块组建立测量坐标系，并进行Y轴方向测量。重复测量三次，三坐标测量机的示值平均值与量块的标准值之差的最大值即为三坐标测量机Y轴的示值误差。

2 数据分析

2.1 激光干涉仪测量三坐标机测量结果数据分析

利用激光干涉仪校准三坐标测量机校准的数据见表1。

表1 激光干涉仪对三坐标测量机示值误差校准数据

校准结果得知，使用激光干涉仪测量该三坐标测量机Y轴的最大示值误差在1 500 mm校准点，示值误差为8.9 μm，而1 000 mm内校准点的最大示值误差为6.2 μm。随着校准点数值的增大，示值误差呈线性放大。

2.2 量块对三坐标测量机示值误差校准的数据分析

标准量块对三坐标测量机示值误差的校准数据如表2所示。

表2 标准量块对三坐标测量机示值误差的校准数据

使用量块作为计量校准器，测得该三坐标测量机Y轴的最大示值误差在1 000 mm校准点，示值误差为+6.4 μm。

3 结语

将激光干涉仪对三坐标测量机示值误差校准结果与量块对三坐标测量机示值误差校准所得到的数据结果进行比对得知，在量块的最大测量范围1 000 mm校准点处，量块校准所得的示值误差为6.4 μm，而激光干涉仪在1 000 mm校准点测得的示值误差为6.2 μm，两种方法所得校准结果基本一致。但由于受量块支架的限制，使用量块校准每次只能测量5个校准点，得到5个校准数据。相比激光干涉仪而言，量块属于分散测量，而激光干涉仪是一个连续的测量系统，可以测量更多的校准点，得到的校准数据量比使用量块的校准数据多，有利于做最后的数据分析。

[1]张国雄.三坐标测量机的发展趋势[J].中国机械工程，2000，11（1-2）：222-226.

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[6]赵树忠.提高激光跟踪三维坐标测量精度的研究[D].天津:天津大学，2007.

Application of laser interferometer in rapid indication error measurement of large scale three coordinate measuring machine

Jin Jing1，Chen Pan1，Li Pengwei2
（1.WuHan Institute of Metrology and Veri fi cation；2.China Shipbuilding Industry Co.,Ltd.）

A rapid measuring method for the indication error of large scale three coordinate measuring machine with laser interferometer is presented in this paper.The principle of calibration method is described, measurement model is established, test procedure and test method are explored, and the speci fi c calibration method and steps of the indication error are provided, which could reduce the measuring error aroused by laser interferometer as much as possible.At last, the calibration results are given.The comparison results of calibration data obtained respectively by laser interferometer and traditional standard gauge blocks show that laser interferometer is more reliable and accurate for the indication error calibration of larger scale three coordinate measuring machine.

laser interferometer; three coordinate measuring machine; indication error; calibration