劉麗

摘要：激光干涉儀主要是依靠激光波長(zhǎng)作為長(zhǎng)度計(jì)量單位的高精度測(cè)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(cè)精確度高以及數(shù)據(jù)信息可靠等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為高精密機(jī)械檢測(cè)中的重要儀器，在機(jī)床精度檢測(cè)過(guò)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(jī)床精度檢測(cè)中的測(cè)量誤差及控制策略，以期進(jìn)一步促進(jìn)其檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)度的提升。

關(guān)鍵詞：激光干涉儀;機(jī)床;精度檢測(cè)

近年來(lái)各種高精尖數(shù)控機(jī)床越來(lái)越多，其在各個(gè)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(jī)床和加工中心的穩(wěn)定運(yùn)行，可借助于激光干涉儀定期對(duì)機(jī)床實(shí)施精度檢測(cè)，從而確保其加工精度，促進(jìn)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(shí)際工作的過(guò)程，激光器發(fā)出的激光通過(guò)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(dòng)反射鏡中產(chǎn)生測(cè)量光束，隨后通過(guò)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(cè)量光路長(zhǎng)度出現(xiàn)改變后，干涉光束的相對(duì)相位出現(xiàn)改變，將反射鏡每移動(dòng)一個(gè)波長(zhǎng)的距離即會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明–暗–明的光強(qiáng)度循環(huán)，依靠公式進(jìn)行計(jì)算能夠準(zhǔn)確測(cè)量移動(dòng)，從而了解機(jī)床的位置精度。對(duì)數(shù)控機(jī)床直線運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，把移動(dòng)反射鏡固定于機(jī)床導(dǎo)軌上并和導(dǎo)軌同時(shí)運(yùn)動(dòng)，對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，角度反射鏡相對(duì)角度干涉鏡的旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致兩束光的光程出現(xiàn)變化，從而計(jì)算得到被測(cè)角度值。具體的檢測(cè)步驟如下：①對(duì)激光器系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置以做好線性測(cè)量準(zhǔn)備;②確保激光束和機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軸保持準(zhǔn)直;③啟動(dòng)自動(dòng)環(huán)境補(bǔ)償功能同時(shí)保證在軟件中輸入準(zhǔn)確的材料膨脹系數(shù);④對(duì)機(jī)床線性誤差實(shí)施測(cè)量和記錄;⑤對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息實(shí)施綜合分析。

二、實(shí)例分析

任取一臺(tái)CKE6163–600數(shù)控機(jī)床測(cè)量其X軸定位精度，讓其在正常工作速度下運(yùn)行磨合0.5h，安裝雷尼紹XL–80激光干涉儀，將溫度補(bǔ)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(lái)確保反射光光強(qiáng)符合檢測(cè)要求，對(duì)激光干涉儀歸零后實(shí)施數(shù)據(jù)測(cè)量，測(cè)量方法為等間距（間距值為40mm）測(cè)量法，誤差補(bǔ)償為增量型補(bǔ)償。

補(bǔ)償前定位精度獲得測(cè)量數(shù)據(jù)是20.2μm，補(bǔ)償后定位精度數(shù)據(jù)為15.0μm，合同要求為12.0μm，測(cè)得數(shù)據(jù)不滿足要求。經(jīng)過(guò)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(zhǎng)補(bǔ)償中，環(huán)境參數(shù)以及Edlen公式對(duì)最終檢測(cè)結(jié)果的影響最大為0.23μm，和實(shí)際誤差結(jié)果比較可以忽略。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，激光干涉儀進(jìn)行了校準(zhǔn)保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性，查找各方面原因從而推測(cè)導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的可能是X軸聯(lián)接桿件在運(yùn)行中出現(xiàn)變形。對(duì)于磨合過(guò)程中的聯(lián)接桿，選擇激光干涉儀對(duì)其實(shí)施變形量的測(cè)量，間隔15min進(jìn)行記錄，運(yùn)行3h停機(jī)后再測(cè)量一段時(shí)間，總共測(cè)量2次，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(yán)重變形，對(duì)測(cè)量精度帶來(lái)很大影響。所以對(duì)該聯(lián)接桿進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，防止連接件出現(xiàn)變形，最終實(shí)現(xiàn)精度補(bǔ)償及測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，重新調(diào)整后的連接件有效確保了機(jī)床的精度。

三、激光干涉儀在機(jī)床精度檢測(cè)中應(yīng)用的測(cè)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(jí)He–Ne激光器，其產(chǎn)生的激光束屬于單一頻率，標(biāo)稱(chēng)波長(zhǎng)0.633μm。雖然實(shí)際應(yīng)用的激光干涉儀目前都嚴(yán)格根據(jù)JJG739–2005激光干涉儀檢定規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施周期性檢定，然而由于長(zhǎng)時(shí)間使用和搬動(dòng)，可能導(dǎo)致激光器的波長(zhǎng)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(yán)格按周期進(jìn)行檢定，同時(shí)在每次使用前進(jìn)行校正。

（二）環(huán)境因素引起的誤差

檢測(cè)結(jié)果證明，檢測(cè)環(huán)境溫度每改變1℃，或者空氣壓力每改變3.3mbar，相對(duì)濕度超過(guò)30%的變化都會(huì)造成1μm左右的誤差。所以，激光干涉儀環(huán)境補(bǔ)償單元在實(shí)施環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中，若檢測(cè)活動(dòng)中能夠維持外部環(huán)境的穩(wěn)定性，則選擇補(bǔ)償方式時(shí)能夠借助于環(huán)境補(bǔ)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(cè)活動(dòng)過(guò)程中所處的環(huán)境條件與輸入?yún)?shù)不存在差異，則最終測(cè)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(jī)床表面溫度引起的誤差

對(duì)機(jī)床精度檢測(cè)活動(dòng)過(guò)程中一個(gè)非常關(guān)鍵的影響因素便是自身熱膨脹，一般來(lái)說(shuō)是把標(biāo)定測(cè)量歸一到儀器平均溫度為20℃的條件。因?yàn)檫x擇的材料溫度傳感器測(cè)量精度的影響，歸一化測(cè)量必然會(huì)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(cè)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(jī)床溫度，歸一化測(cè)量必然出現(xiàn)誤差，相應(yīng)的熱膨脹系數(shù)會(huì)導(dǎo)致精度變更為10μm/1℃或者更高。

四、激光干涉儀在機(jī)床精度檢測(cè)中的誤差補(bǔ)償

（1）針對(duì)激光干涉儀必須要定期送往資質(zhì)能力較強(qiáng)的計(jì)量機(jī)構(gòu)實(shí)施量值溯源，保證激光干涉儀檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對(duì)結(jié)果確認(rèn)不合格的儀器，必須要堅(jiān)決避免其投入檢測(cè)活動(dòng)中。同時(shí)做好對(duì)激光干涉儀的維護(hù)保養(yǎng)工作，定期對(duì)傳感器連接頭的情況進(jìn)行檢查，針對(duì)老化、重復(fù)的激光干涉儀器，必須要第一時(shí)間予以維修更換。

（2）對(duì)機(jī)床定位精度實(shí)施校準(zhǔn)之前，需要對(duì)校準(zhǔn)環(huán)境予以核查，在相對(duì)惡劣例如說(shuō)高溫、高濕度等環(huán)境下，不適合進(jìn)行機(jī)床校準(zhǔn)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(cè)工作的溫度、壓力與濕度傳感器，同時(shí)予以一定補(bǔ)償，確保對(duì)環(huán)境誤差的有效控制。進(jìn)行校準(zhǔn)之前還需要把激光干涉儀予以提前預(yù)熱，比如說(shuō)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(zhǎng)能夠穩(wěn)定在滿足標(biāo)準(zhǔn)的公差范圍內(nèi)。

（3）校準(zhǔn)過(guò)程中需要確保熱膨脹系數(shù)的準(zhǔn)確輸入，如果允許應(yīng)當(dāng)及時(shí)向儀器提供商主動(dòng)溝通，正確編制機(jī)床運(yùn)行程序，其中的核心參數(shù)如進(jìn)給速度、越程量、目標(biāo)位置、循環(huán)次數(shù)以及目標(biāo)點(diǎn)停頓時(shí)間等都必須要合理設(shè)置。目標(biāo)點(diǎn)和定位方式需要和機(jī)床運(yùn)行程序保持相同，越程量盡量不超過(guò)機(jī)床運(yùn)行程序的越程量，時(shí)間上應(yīng)當(dāng)確保能夠獲得穩(wěn)定數(shù)據(jù)信息，要低于機(jī)床運(yùn)行程序中的停頓時(shí)間。

五、結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，即便激光干涉儀表現(xiàn)出測(cè)量精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)且可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，然而在實(shí)際檢測(cè)活動(dòng)中依舊必須要考慮到各種影響因素，采取有效對(duì)策來(lái)降低誤差，促進(jìn)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度的提升。

參考文獻(xiàn)

司立坤，馬建偉，賈振元.激光干涉儀測(cè)量機(jī)床精度的準(zhǔn)直調(diào)節(jié)技巧[J].實(shí)驗(yàn)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(jī)床定位精度測(cè)量中的誤差控制[J].工業(yè)計(jì)量，2018，28（S1）：12–14.