激光干涉仪在检测数控机床精度方面的应用

激光干涉仪在检测数控机床精度方面的应用

1.前言

随着大型数控机床应用的日见广泛，对大型机械两条导轨间平垂直度检测要求也越来越多。传统的垂直度检测方法如大理石角尺配合干分表方法受标准角尺大小的限制只能应用于小型机器：另外采用四象限等传感器方法，则因传感器的精度漂移和读数稳定性容易受到环境变化的影响，使得其应用范围大大受限。

激光干涉仪是通过激光波长溯源的原理来实现数控机床几何精度及定位精度检测，激光干涉仪主要可以对数控机床进行线性、角度、直线度、垂直度、转轴测量等，下面就来一一讲解。

2.测量应用

2.1.线性测量

2.1.1.线性测量构建

要进行线性测量，需使用随附的两个外加螺丝将其中的一个线性反射镜安装在分光镜上，组装成“线性干涉镜”。线性干涉镜放置在激光头和线性反射镜之间的光路上，用它的反射光线形成激光光束的参考光路，另一束光入射到线性反射镜，通过线性反射镜的线性位移来实现线性测量。如下图所示。

线性测量构建图

水平轴线性测量样图垂直轴线性测量样图

2.1.2.线性测量的应用

激光干涉仪可用于精密机床定位精度、重复定位精度、微量位移精度的测量。测量时在工作部件运动过程中自动采集并及时处理数据。

激光干涉仪应用于机密机床校准

2.2角度测量

2.2.1.角度测量构建

与线性测量原理一样，角度测量需要角度干涉镜和角度反射镜，测试时角度反射镜

和角度干涉镜必须有一个相对旋转，相对旋转后两束光的光程差就会发生变化，而光程

差的变化会被激光干涉仪探测器探测出来，由软件将线性位置的变化转换为角度的变化

显示出来。

角度测量原理及测量构建

水平轴俯仰角度测量样图水平轴偏摆角度测量样图

2.2.2.角度测量的应用

机床准直平台/倾斜工作台的测量

由于角度镜组的不同安装方式，其测量结果代表不同方向的角度值。您可以结合实际需要进行安装、测量。

水平方向角度测量

垂直方向角度测量

在垂直方向的角度测量中，角度反射镜记录下导轨在不同位置时的角度值，可由软件分析出导轨的直线度信息，实现角度镜组测量直线度功能。

2.3.直线度测量

2.3.1.直线度测量构建

激光头射出后的激光由直线度干涉镜以一定的小角度分为两束，并入射到直线度反射镜

中。经直线度反射镜反射后，沿着新光路返回到直线度干涉镜中，经直线度干涉镜合束后返回激光头的进光口，当直线度干涉镜偏离光线，则两光束产生光束差，由激光干涉仪探测器探测出来，由软件计算显示出来。

直线度测量原理

在直线度测量过程中，一般尽可能的采用直线度干涉镜相对于直线度反射的运动，这样操作有利于提高测量的准确性和精度。

直线度测量构建

2.3.2.直线度测量应用

由于导轨磨损、事故造成的导轨损坏以及地基不牢导致的导轨弯曲等，会对机器的定位、加工精度带来直接的影响。直线度测量可以显示出机器导轨的弯曲的情况，并可由生成的直线度误差对机器的性能做出评价和补偿。

直线度测量可以对水平面和垂直面进行测量，这取决于直线度干涉镜和反射镜安装的方法。

测量时，直线度反射镜固定，直线度干涉镜安装在移动的工作台上，通过直线度干涉镜的移就可以测量工作台的直线度。

机床平台左右方向直线度测量

机床平台上下方向直线度测量

2.4.垂直度测量

2.4.1.垂直度测量构建

垂直度的测量是直线度测量在二维方向上的延伸，进行垂直度测量就是在同一基准上对

两个标称正交轴分别进行直线度的测量。然后对两个轴的直线度进行比较，得出两个轴的垂直度。

共同的参考基准通常指的是两次测量时反射镜的光学准直轴，在两次测量过程中既不移动、也不调整，光学直角尺用于至少一次测量中，允许调整激光束与直线度的准直，而不动直线度反射镜。

垂直度误差 = 棱镜误差 - （倾斜度 1 + 倾斜度 2）

垂直度测量构建

2.4.2.垂直度测量应用

垂直度测量通过比较直线度值从而确定两个标称正交坐标轴的垂直度。垂直度误差可能是导轨磨损、机器地基差或双驱动机器上的两原点传感器未准直造成的。垂直度误差将对机器的定位精度及插补能力产生直接影响。

一般情况下对于超过1.5米长的机器轴，使用激光干涉仪这样的光学方法是唯一的选择，因为传统的实物基准，如直角尺(金属或大理石等) 的长度一般局限于1米的范围内。

X,Y工作台和水平面垂直度测量：不管是什么类型的XY平台，包括龙门型或者混合型或者其他类型的XY平台，无论是大型或者小型平台，重要的是有一个共同的参考基准，如图31所示的直线度反射镜，测量过程中直线度反射始终镜保持不动。

机床垂直度测量

2.5.回转轴测量

利用高精密转台与角度测量镜组中的角度干涉镜，即可对回转轴进行任意角度测量和校准。高精密转台小巧轻便、单手可握，可多种方式安装在被测机床上；高精密转台内置准直角度反射镜，提高操作效率；使用时采用锂电池供电、无线蓝牙传输数据，避免了绕线、线拖拽。

高精密转台应用

回转轴校准原理：

1、将转台定位在被测轴上并调整激光系统的准直（转台可以自动调整与光轴的垂直）。

2、在轴的起始位置将激光装置置零，在计算机上开始采集数据并运行数控程序。

3、完成越程后，轴到达起始目标位置（激光读数为零），记录激光读数。

4、被测轴以5°步距移至第二个目标，转台内置的反射镜反向旋转5°。

5、系统结合激光干涉仪与转台的读数，记录被测轴在5°的位置误差。

6、通过使回转轴依次到达一系列测量点，可测量并绘出轴的总体误差图。