激光干涉儀在機床精度檢測中的應(yīng)用

劉麗

摘要：激光干涉儀主要是依靠激光波長作為長度計量單位的高精度測量設(shè)備，雙頻激光干涉儀的應(yīng)用，借助于自身性能穩(wěn)定、檢測精確度高以及數(shù)據(jù)信息可靠等優(yōu)勢，逐漸成為高精密機械檢測中的重要儀器，在機床精度檢測過程中得到了非常普遍的應(yīng)用。本文主要分析了激光干涉儀的基本原理，探討了其在機床精度檢測中的測量誤差及控制策略，以期進一步促進其檢測結(jié)果精準度的提升。

關(guān)鍵詞：激光干涉儀;機床;精度檢測

近年來各種高精尖數(shù)控機床越來越多，其在各個行業(yè)和領(lǐng)域中發(fā)揮出了非常重要的作用。為確保數(shù)控機床和加工中心的穩(wěn)定運行，可借助于激光干涉儀定期對機床實施精度檢測，從而確保其加工精度，促進產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

一、激光干涉儀的基本原理

激光干涉儀實際工作的過程，激光器發(fā)出的激光通過分光鏡形成兩束光，一束直接照射到固定反射鏡上出現(xiàn)參考光束，一束直接射到移動反射鏡中產(chǎn)生測量光束，隨后通過分光鏡匯合后干涉。若兩束光相位相反，出現(xiàn)暗條紋;若相位相同則出現(xiàn)明條紋。測量光路長度出現(xiàn)改變后，干涉光束的相對相位出現(xiàn)改變，將反射鏡每移動一個波長的距離即會產(chǎn)生一個明–暗–明的光強度循環(huán)，依靠公式進行計算能夠準確測量移動，從而了解機床的位置精度。對數(shù)控機床直線運動精度進行檢測的過程中，把移動反射鏡固定于機床導(dǎo)軌上并和導(dǎo)軌同時運動，對回轉(zhuǎn)運動精度進行檢測的過程中，角度反射鏡相對角度干涉鏡的旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致兩束光的光程出現(xiàn)變化，從而計算得到被測角度值。具體的檢測步驟如下：①對激光器系統(tǒng)進行設(shè)置以做好線性測量準備;②確保激光束和機床的運動軸保持準直;③啟動自動環(huán)境補償功能同時保證在軟件中輸入準確的材料膨脹系數(shù);④對機床線性誤差實施測量和記錄;⑤對采集的數(shù)據(jù)信息實施綜合分析。

二、實例分析

任取一臺CKE6163–600數(shù)控機床測量其X軸定位精度，讓其在正常工作速度下運行磨合0.5h，安裝雷尼紹XL–80激光干涉儀，將溫度補償系統(tǒng)的溫度傳感器調(diào)整到合適位置，借助于調(diào)整激光頭位置來確保反射光光強符合檢測要求，對激光干涉儀歸零后實施數(shù)據(jù)測量，測量方法為等間距（間距值為40mm）測量法，誤差補償為增量型補償。

補償前定位精度獲得測量數(shù)據(jù)是20.2μm，補償后定位精度數(shù)據(jù)為15.0μm，合同要求為12.0μm，測得數(shù)據(jù)不滿足要求。經(jīng)過調(diào)試后了解到，溫度變化最大為2.6℃，濕度變化最大為0.2%，波長補償中，環(huán)境參數(shù)以及Edlen公式對最終檢測結(jié)果的影響最大為0.23μm，和實際誤差結(jié)果比較可以忽略。進行測量時，激光干涉儀進行了校準保證了測量的準確性，查找各方面原因從而推測導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的可能是X軸聯(lián)接桿件在運行中出現(xiàn)變形。對于磨合過程中的聯(lián)接桿，選擇激光干涉儀對其實施變形量的測量，間隔15min進行記錄，運行3h停機后再測量一段時間，總共測量2次，對獲得的數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)兩組數(shù)據(jù)之間差異不大。最大數(shù)值為0.15mm，發(fā)生了嚴重變形，對測量精度帶來很大影響。所以對該聯(lián)接桿進行重新設(shè)計，防止連接件出現(xiàn)變形，最終實現(xiàn)精度補償及測量結(jié)果的穩(wěn)定性，經(jīng)過實際測試，重新調(diào)整后的連接件有效確保了機床的精度。

三、激光干涉儀在機床精度檢測中應(yīng)用的測量誤差

（一）激光干涉儀自身存在的誤差

雷尼紹XL–80激光干涉儀安裝有二級He–Ne激光器，其產(chǎn)生的激光束屬于單一頻率，標稱波長0.633μm。雖然實際應(yīng)用的激光干涉儀目前都嚴格根據(jù)JJG739–2005激光干涉儀檢定規(guī)程標準實施周期性檢定，然而由于長時間使用和搬動，可能導(dǎo)致激光器的波長存在一定程度的變化，造成誤差的出現(xiàn)[1]，因此激光干涉儀必須嚴格按周期進行檢定，同時在每次使用前進行校正。

（二）環(huán)境因素引起的誤差

檢測結(jié)果證明，檢測環(huán)境溫度每改變1℃，或者空氣壓力每改變3.3mbar，相對濕度超過30%的變化都會造成1μm左右的誤差。所以，激光干涉儀環(huán)境補償單元在實施環(huán)境監(jiān)測實現(xiàn)數(shù)據(jù)補償?shù)倪^程中，若檢測活動中能夠維持外部環(huán)境的穩(wěn)定性，則選擇補償方式時能夠借助于環(huán)境補償單位將環(huán)境參數(shù)導(dǎo)致的誤差降低到±0.7μm之內(nèi)，若檢測活動過程中所處的環(huán)境條件與輸入?yún)?shù)不存在差異，則最終測量得到的參數(shù)能夠把精度保持在±0.05μm之內(nèi)。

（三）數(shù)控機床表面溫度引起的誤差

對機床精度檢測活動過程中一個非常關(guān)鍵的影響因素便是自身熱膨脹，一般來說是把標定測量歸一到儀器平均溫度為20℃的條件。因為選擇的材料溫度傳感器測量精度的影響，歸一化測量必然會出現(xiàn)附加誤差，這一誤差的大小也直接和熱膨脹系數(shù)存在明顯聯(lián)系。如果材料溫度傳感器精度為±0.1℃，熱膨脹系數(shù)為10μm/1℃的情況下，歸一化測量可能存在的誤差為±1μm。若輸入不合理的熱膨脹系數(shù)或機床溫度，歸一化測量必然出現(xiàn)誤差，相應(yīng)的熱膨脹系數(shù)會導(dǎo)致精度變更為10μm/1℃或者更高。

四、激光干涉儀在機床精度檢測中的誤差補償

（1）針對激光干涉儀必須要定期送往資質(zhì)能力較強的計量機構(gòu)實施量值溯源，保證激光干涉儀檢測結(jié)果的準確性。針對結(jié)果確認不合格的儀器，必須要堅決避免其投入檢測活動中。同時做好對激光干涉儀的維護保養(yǎng)工作，定期對傳感器連接頭的情況進行檢查，針對老化、重復(fù)的激光干涉儀器，必須要第一時間予以維修更換。

（2）對機床定位精度實施校準之前，需要對校準環(huán)境予以核查，在相對惡劣例如說高溫、高濕度等環(huán)境下，不適合進行機床校準作業(yè)，要盡量防止光學(xué)鏡組或激光束接近熱源，盡量選擇適合檢測工作的溫度、壓力與濕度傳感器，同時予以一定補償，確保對環(huán)境誤差的有效控制。進行校準之前還需要把激光干涉儀予以提前預(yù)熱，比如說雷尼紹激光干涉儀需要提前預(yù)熱5min左右，確保激光頭輸出波長能夠穩(wěn)定在滿足標準的公差范圍內(nèi)。

（3）校準過程中需要確保熱膨脹系數(shù)的準確輸入，如果允許應(yīng)當及時向儀器提供商主動溝通，正確編制機床運行程序，其中的核心參數(shù)如進給速度、越程量、目標位置、循環(huán)次數(shù)以及目標點停頓時間等都必須要合理設(shè)置。目標點和定位方式需要和機床運行程序保持相同，越程量盡量不超過機床運行程序的越程量，時間上應(yīng)當確保能夠獲得穩(wěn)定數(shù)據(jù)信息，要低于機床運行程序中的停頓時間。

五、結(jié)語

現(xiàn)階段，即便激光干涉儀表現(xiàn)出測量精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強且可以實現(xiàn)動態(tài)測量等優(yōu)勢，然而在實際檢測活動中依舊必須要考慮到各種影響因素，采取有效對策來降低誤差，促進檢測結(jié)果準確度的提升。

參考文獻

司立坤，馬建偉，賈振元.激光干涉儀測量機床精度的準直調(diào)節(jié)技巧[J].實驗室科學(xué)，2018，21（5）：72–74+78.

鄧玉湖，王麗紅，丘友青.激光干涉儀在數(shù)控機床定位精度測量中的誤差控制[J].工業(yè)計量，2018，28（S1）：12–14.