0811337激光干涉仪在机床精度检测中的应用

激光干涉仪在机床精度检测中的应用

0811337童扬剑（主编）0811325于鸿沛（校对）0811334荆立业（拼音顾问）0811336曹贤龙(外协) 0811328丁瑞（内协）0811319黄振宇（外协）

【摘要】：干涉测量技术是以光的干涉现象为基础进行测量的一门技术，由此展开的线性测量，角度测量等在提高制造业的精加工方面有极其重要的作用。在数控车床等精加工中有着不可替代的地位。以及一些建议。

【Abstract】：Interferometry is a kind of technology based on interference phenomenon,stemed from which linear measurement,angular measurement and so on play a paramount role in precision work of manufacturing.It’s also irreplaceable in precision work like numerical control machine and so on.And some advice about machine testing are recommended.

【关键词】:干涉测量技术制造业精加工激光

【Key words】: Interferometry manufacturing precision work LASER

1.引言

近期的民工荒预示着中国制造业进入了有劳动力密集型向技术密集型转型的阶段，在这个阶段，提高加工制造业的精度极其重要，因此，激光测量控制技术将会扮演一个相当重要的角色。以下将以激光干涉技术在机加工中应用为主进行介绍。

2.激光干涉仪组成及基本原理

激光输出可视为正弦光波，其光波有三个关键特性：1.波长固定已知，可以实现精确测量。2.波长很短，能够实现精密测量或高分辨率测量。3.所有光波同相，能够实现干涉条纹。

大多数现代干涉仪都采用He-Ne激光器，这种激光具有632.8nm的波长输出，如图。激光光束包含两种正交模式（图中分别以红线和蓝线表示），这两种

模式具有相近的频率（他们相差2ppm），但处于垂直极化状态。激光增益曲线如图。两种模式的强度用光敏二极管测量，通过加热器控制激光管长度来实现平衡，这使激光稳频精度保持在±0.05ppm以内，激光束出稳定后即可进行干涉测量。

线性角锥反射镜系统主要原理如

下图，激光被分光镜分成两束光，大

约一半激光反射到固定角锥反射镜

上，形成参考光束，另一半激光射到

移动角锥反射镜上，形成测量光束，

角锥反射镜的特性是将输入光束以

平行来光方向反射回去，这使光束准

直过程简单易行，并确保测量光束和

参考光束在叠加时保持平行。角锥反

射镜将两束光返回到分光镜中，光束

叠加并彼此干涉，两束光相位相反

时，产生暗条纹，相位相同时，产生

明条纹。如果测量光路长度改变，干

涉光束的相对相位将改变，角锥反射

镜每移动316.4nm就会出现一个明-

暗-明的光强变化循环，通过计算这些循环来测量移动。

如果两光程差不变化，探测器将在相长干涉和相消干涉之间某个位置观察到

一个稳定信号。如果两光程差发生变

化，每次光路变化时探测器都能观察

到相长干涉和相消干涉两端之间的

信号变化。这些变化（条纹）被数出

来，

测量长度l=n*λ/2 n为条纹数。

通过这些循环中的相位细分，可以实

现更高分辨率的测量。

线性测量常用于高精度机械元

件校准，高精度传感器校准等方面。

要进行角度测量，一个光学组件（角度反射镜）必须相对于另一个光学组件（角度干涉镜）旋转。这将导致两条测量光束之间的光程差发生变化，光程差变化由条纹数决定，并由此换算出角度测量值。

3.主要误差分析

使用激光干涉仪误差

源：

一、环境误差。激光干

涉仪的绝对精度取决于周围

条件的精确程度（或者说环

境的稳定程度）。环境温度每

产生1℃的变化，绝对压力

每产生2.5mmHg或相对湿度每产生30%的误差时，都将会导致约1PPM（百万

分子一）的测量误差。这

些误差利用人工补偿或激

光干涉仪所配的自动补偿

装置可部分克服。因此检

测期间保持这些条件的稳

定非常重要。

二、机床表面温度。

即机床本身温度变化的影

响。对于用钢制丝杠定位

滑鞍的机床，丝杠理论热

膨胀系数为10.8PPM/℃，

即温度每升高1℃，他将膨

胀近10.8微米/米。

三、死径误差（死行程误差）。它是一种在测量期间与环境条件的变化有关系的误差。它是由于当围绕激光束的大气压力发生变化（引起激光波长变化）时以及当固定有激光干涉仪和目标反射镜的材料温度发生变化（引起干涉仪和反射镜之间的距离变化）时，激光束行程长度得不到补偿而造成。

简单的讲，激光测量行程的死行程区是指激光干涉仪与测量复位点（或0点）位置间的距离。激光干涉仪自身的补偿系统仅能补偿测量复位点到测量行程终点的距离，而对于死行程区的距离是不补偿的。

四、余弦误差。激光束路径对应机床运动轴线如未对准，将在测量长度同实际移动长度间产生一个误差。由于这个误差与光束和实际运动间未对准角的余弦成比例，所以未对准误差通常称为余弦误差。余弦误差=1-cosθ，对于较小的θ，余弦误差近似于θ2/2。举例来说，当=1mrad (3 arcmin)，则余弦误差为0.5ppm。

当激光测量系统与机床移动轴线未对准时，余弦误差将使测量长度小于实际长度。消除余弦误差的方法是在安装时确保良好的对准。

五、阿贝误差。阿贝误差原理是长度计量和长度计量仪器设计中最经典的测量原理。被测轴线和测量轴线应在同一直线或其延伸线上，如果在一个偏离的被测位移的位置上进行测量时，部件的任何角运动都将产生一个误差。估算角运动产生的误差的一条有益经验是：每角秒的角运动产生约5um/m的偏移。对于阿贝偏移为200mm，2秒的角运动，其测量位移误差为200mm×5um/m/角秒×2角秒=2um。

4、结论及建议

激光波长会受到激光经过的空气折射率影响，由于空气折射率会随着压力，湿度，温度的变化而变化，用于计算测量值的波长值可能需要对环境的变化进行校正补偿，这种情况下两束光的光程差可能很大。通常采用埃德伦公式减小这些误差。（波长补偿仅适用于线性测量，对于角度，平面度，直线度等其他测量，环境影响要小得多，应为环境变化对测量光束和参考光束的影响程度相近。

考虑到环境补偿系统的问题，要将气压温度传感器靠近测量光束，通常放在机床机床立柱上端，材料温度传感器应放在能代表机床光栅尺或滚珠丝杠等平均温度安全的地方，要避免受局部热源的影响。

测量前不但要准确测量被测件温度，而且被测件要在恒温条件下长时间等温，以保证被测工件温度均匀分布，即各部分的温度一致。