激光干涉仪测量三坐标示值误差方法步骤

激光干涉仪测量三坐标示值误差方法步骤

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，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。JJF1064-2010《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。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。

激光干涉仪测量三坐标测量机

本文以深圳中图仪器公司的SJ6000激光干涉仪为例，因其具有极高的测量准确度、广泛的用途度，能够实现准确定位、距离测量、重复性测量等任务。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友生器（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.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0~1600 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

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。

2.1.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。

2.2.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。

将反射铳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程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。

2.3.镜组、校直激光束调整

1.粗调：调整激光器至运动轴水平状态，粗略对准运动轴。

2.架设线性反射镜：在靠近激光头位置架设反射镜，反射镜尽量靠近运动轴，反射镜的反

射面与运动轴垂直，使光回到光靶中心位置。

3.（由近至远移）沿着运动轴将反射镜推离激光头，直到看到光束开始移开光靶。当只有很小部分的光束仍然击中白点时停止移动反射镜。请注意光束现在偏离中心多远。

4.（偏摆-对称调偏摆）用云台的偏摆旋钮，调整激光头的角度偏转，以使光束横扫过白色光靶。继续移动光束，直到它位于水平相反方向离中心的距离相同。

5.（偏摆-平移回原点线）现在，用三脚架台左边中间的水平平移旋钮，调整激光头水平平移，使光束返回光靶的水平中心线。

6.（俯仰-原点对称调俯仰）请注意激光束在目标上的垂直位置。使用激光头后方的俯仰旋钮来调整，使光束垂直扫过目标。调整俯仰旋钮，直到光束位于竖直相反方向离目标中心的距离相同的位置。

7.（俯仰-升降回原点线）使用三脚架中心主轴上的高度调整手柄来将激光头上下移动，

直到光束再一次击中光靶中心。注：此时，可能有必要进行另外一次较小的水平偏摆调整，以使激光束返回到该光靶的中心。

8.现在沿着运动轴继续推离设备。当看到激光偏离光靶时再一次停止。重复步骤3到7

的激光器准直调整，直到达到轴的末端。

9.达到轴的末端时，将反射镜移回激光器，来到轴的起点。若光束不再位于光靶中心，则通过水平平移、竖直平移使光束回到光靶中心位置。

小技巧：此时条件允许，也可以调节反射镜的位置，使光束回到回光孔的中心位置。

10.重复步骤3到9，直到光束在整个运动轴范围内都能保持在光靶中心位置。

2.4.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。

3.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。

3.1.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