激光干涉仪的原理

第1页 用激光干涉仪系统进行精确的线性测量

—

最佳操作及实践经验

1 简介

本文描述的最佳操作步骤及实践经验主要针对使用激光干涉仪校准机床如车床、铣床以及坐标测量机的线性精度。但是，文中描述的一般原则适用于所有情况。与激光测量方法相关的其它项目，如角度、平面度、直线度和平行度测量不包括在内，用于实现0.1微米即0.1 ppm以下的短距离精度测量的特殊方法（如真空操作）也不包括在内。

微米是极小的距离测量单位。（1微米比一根头发的1/25还细。由于太细，所以肉眼无法看到，接近于传统光学显微镜的极限值）。可实现微米级及更高分辨率的数显表的广泛使用，为用户提供了令人满意的测量精度。尽管测量值在小数点后有很多位数，但并不表明都很精确。（在许多情况下精度比显示的分辨率低10-100倍）。实现1微米的测量分辨率很容易，但要得到1微米的测量精度需要特别注意一些细节。本文描述了可用于提高激光干涉仪测量精度的方法。

2 光学镜组的位置

光学镜的安放应保证其间距变化能够精确地反映待校准机器部件的线性运动，并且不受其它误差的影响。方法如下：

2.1 使Abbe（阿贝）偏置误差降至最低

激光测量光束应当与需要校准的准线重合（或尽量靠近）。例如，要校准车床Z轴的线性定位精度，应当对测量激光光束进行准直，使之靠近主轴中心线。（这样可以极大降低机床俯仰 (pitch) 或扭摆 (yaw) 误差对线性精度校准数据的影响。

2.2 将光学镜组固定牢靠

要尽量减小振动影响并提高测量稳定性，光学镜组应牢牢固定所需的测量点上。安装支柱应尽可能短，所有其它紧固件的横截面都应尽量牢固。磁力表座应直接夹到机床铸件上。避免将其夹到横截面较薄的机器防护罩或外盖上。确保紧固件表面平坦并没有油污和灰尘。

2.3 将光学镜组直接固定在相关的点上

材料膨胀补偿通常只应用在与测量激光距离等长的材料路径长度上。如果测量回路还包括附加的结构，该―材料死程‖的任何热膨胀或收缩或因承载而发生的偏斜都将导致测量误差。为尽量减少此类误差，最好将光学镜组直接固定到所需的测量点上。在机床校准中，一个光学镜通常固定在工件夹具上，而另一个光学镜组则固定在刀具夹具上。激光测量将会精确地反映刀具和工件之间发生的误差。即使机器防护系统和机器盖导致难于接近，也一定要尽量将干涉镜和角锥反射镜都固定到机器上。不要将一个光学镜安装在机器内部而另一个安装在外部如支在机器外地面的三脚架上，因为整台机器在地基上的移动可能导致校准无效。然而，是否拆下导轨防护罩时需仔细考虑，因为这可能改变机器性能。

SJ6000激光干涉仪 激光干涉仪概述 SJ6000激光干涉仪产品采用美国进口高稳频氦氖激光器、激光双纵模热稳频技术、高精度环境补偿模块、几何参量干涉光路设计、高精度激光干涉信号处理系统、高性能计算机控制系统技术，实现各种参数的高精度测量。通过激光热稳频控制技术，实现快速(5~10分钟)、高精度(0.05ppm)、抗干扰能力强、长期稳定性好的激光频率输出，采用不同的光学镜组可以测量出线性、角度、直线度、平面度和垂直度等几何量，并且可以进行动态分析。

SJ6000激光干涉仪

SJ6000激光干涉仪产品具有测量精度高、测量速度快、最高测

速下分辨率高、测量范围大等优点。通过与不同的光学组件结合，可

以实现对直线度、垂直度、角度、平面度、平行度等多种几何精度的

测量。在相关软件的配合下，还可以对数控机床进行动态性能检测，

可以进行机床振动测试与分析，滚珠丝杆的动态特性分析，驱动系统

的响应特性分析，导轨的动态特性分析等，具有极高的精度和效率，

SJ6000激光干涉仪 为机床误差修正提供依据。

激光干涉仪性能特点

1.测量精度高、速度快，稳定性好

①使用美国高性能氦氖激光器，结合伺服稳频控制系统，达到高精度

稳频(0.05ppm)

②以光波长(633nm)为测量单位，分辨率可达nm级

③使用高速光电信号采样和处理技术，测量速度可达到4m/s。

④配合有环境补偿单元，在环境变化的情况下，也可以得到较高的测

量精度

⑤分离式干涉镜设计，避免了测量镜组由于主机发热而引起的镜组形

变

2. 应用范围广

①可以实现线性、角度、直线度、垂直度、平面度等几何量的检测

②结合我们的软件系统，可以用于速度，加速度，振动分析以及稳定

度等分析

③可实时监控精密加工机床等机器的动态数据，进行动态特性分析

3.软件界面友好

①使用当前热门的软件界面开发工具，软件界面人性化，操作简单。

②将静态测量和动态测量两种功能合并到一个软件中，更方便用户切

激光干涉仪原理及应用概述

激光干涉仪的原理可以简单介绍为以下几个步骤：首先，激光器产生激光光束，通过光学系统使光束变得平行。然后，光束被分成两束，一束作为参考光束，另一束作为测量光束。参考光束被发送到一个参考反射镜上反射回来，而测量光束则被发送到被测物体上，然后反射回来。参考光束和测量光束在一个光学平台上交汇，形成干涉条纹。通过观察、记录和分析干涉条纹的形态变化，可以得到被测物体的表面形貌或者其他参数。

1.工业制造：激光干涉仪可以用于测量工件的平面度、圆度、直线度等形貌参数，用于质量控制和优化生产过程。

2.精密测量：激光干涉仪可以进行亚微米级的位移测量，被用于精密仪器的研发和生产。

3.表面形貌测量：激光干涉仪可以测量微观表面的凹凸及表面光滑度，广泛应用于材料科学、纳米科技等领域。

4.生物医学：激光干涉仪可以测量生物组织的变形、变量等参数，用于医学研究和医疗诊断。

5.振动分析：激光干涉仪可以对机械部件或振动体进行振动频率、幅度等参数的测量，用于机械工程的研究和调试。

激光干涉仪的应用还在不断拓展和发展，不仅可以实现高精度的测量，还可以配合其他技术如像散斑技术、数码图像处理等进行更精确的测量和分析。此外，随着激光技术的发展，激光干涉仪的体积和成本也在不断降低，有助于其在各个领域的广泛应用。 总之，激光干涉仪作为一种高精度测量仪器，具有广泛的应用前景。它可以实现精确测量、快速响应和非接触测量等特点，被用于各个领域的研究和应用。随着技术的进一步发展，激光干涉仪将会在更多领域得到应用，为科学研究和工业生产提供更多的支持和解决方案。

- 1 - 第一章、前言

一、本次我们主要研究：如何检测机床的螺距误差。因此我们主要的任务在于：

1. 应该使用什么仪器进行测量

2. 怎么使用测量仪器

3. 怎么进行数据分析

4. 怎么将测量所得的数据输入对应的数控系统

二、根据第一点的要求，我们选择的仪器为：Renishaw 激光器测量系统，此仪器检测的范围包括：

1. 线性测量

2. 角度测量

3. 平面度测量

4. 直线度测量

5. 垂直度测量

6. 平行度测量

线性测量：是激光器最常见的一种测量。 激光器系统会比较轴位置数显上的读数位置与激光器系统测量的实际位置，以测量线性定位精度及重复性。

三、根据第二点的解释，线性测量正符合我们检测螺距误差的要求。因此，我们此次使用的检测方法——线性测量。

总结以上我们的核心在于：如何操作Renishaw 激光器测量系统结合线性测量的方法进行检测，之后将 - 2 - 检测得到的数据进行分析，最后将分析得到的数据存放到数控系统中。这样做的目的在于——提高机床的精度。

- 3 - 第二章、 基础知识

2.1 什么是螺距误差？

开环和半闭环数控机床的定位精度主要取决于高精度的滚珠丝杠。但丝杠总有一定螺距误差，因此在加工过程中会造成零件的外形轮廓偏差。

由上面的原因可以得知：

螺距误差是指由螺距累积误差引起的常值系统性定位误差。

2.2 为什么要检测螺距误差？

根据2.1节，检测螺距误差是为了减少加工过程中造成零件的外形轮廓偏差，即提高机床的精度。

2.3 怎么检测螺距误差？

（1）安装高精度位移检测装置。

（2）编制简单的程序，在整个行程中顺序定位于一些位置点上。所选点的数目及距离则受数控系统的限制。

（3）记录运动到这些点的实际精确位置。

（4）将各点处的误差标出，形成不同指令位置处的误差表。

（5）多次测量，取平均值。

（6）将该表输入数控系统，数控系统将按此表进行补偿。

2.4 什么是增量型误差、绝对型误差？