激光干涉儀在機床精度檢測中的應用

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備，雙頻激光干涉儀的應用，借助于自身性能穩定、檢測精確度高以及數據信息可靠等優勢，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果精準度的提升。

關鍵詞：激光干涉儀;機床;精度檢測

近年來各種高精尖數控機床越來越多，其在各個行業和領域中發揮出了非常重要的作用。為確保數控機床和加工中心的穩定運行，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，促進產品質量的提升。

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參考光束，一束直接射到移動反射鏡中產生測量光束，隨后通過分光鏡匯合后干涉。若兩束光相位相反，出現暗條紋;若相位相同則出現明條紋。測量光路長度出現改變后，干涉光束的相對相位出現改變，將反射鏡每移動一個波長的距離即會產生一個明–暗–明的光強度循環，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軌上并和導軌同時運動，對回轉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會導致兩束光的光程出現變化，從而計算得到被測角度值。具體的檢測步驟如下：①對激光器系統進行設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啟動自動環境補償功能同時保證在軟件中輸入準確的材料膨脹系數;④對機床線性誤差實施測量和記錄;⑤對采集的數據信息實施綜合分析。

二、實例分析

任取一臺CKE6163–600數控機床測量其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，將溫度補償系統的溫度傳感器調整到合適位置，借助于調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據測量，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據是20.2μm，補償后定位精度數據為15.0μm，合同要求為12.0μm，測得數據不滿足要求。經過調試后了解到，溫度變化最大為2.6℃，濕度變化最大為0.2%，波長補償中，環境參數以及Edlen公式對最終檢測結果的影響最大為0.23μm，和實際誤差結果比較可以忽略。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致誤差產生的可能是X軸聯接桿件在運行中出現變形。對于磨合過程中的聯接桿，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，對獲得的數據進行對比，發現兩組數據之間差異不大。最大數值為0.15mm，發生了嚴重變形，對測量精度帶來很大影響。所以對該聯接桿進行重新設計，防止連接件出現變形，最終實現精度補償及測量結果的穩定性，經過實際測試，重新調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，其產生的激光束屬于單一頻率，標稱波長0.633μm。雖然實際應用的激光干涉儀目前都嚴格根據JJG739–2005激光干涉儀檢定規程標準實施周期性檢定，然而由于長時間使用和搬動，可能導致激光器的波長存在一定程度的變化，造成誤差的出現[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）環境因素引起的誤差

檢測結果證明，檢測環境溫度每改變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，激光干涉儀環境補償單元在實施環境監測實現數據補償的過程中，若檢測活動中能夠維持外部環境的穩定性，則選擇補償方式時能夠借助于環境補償單位將環境參數導致的誤差降低到±0.7μm之內，若檢測活動過程中所處的環境條件與輸入參數不存在差異，則最終測量得到的參數能夠把精度保持在±0.05μm之內。

（三）數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附加誤差，這一誤差的大小也直接和熱膨脹系數存在明顯聯系。如果材料溫度傳感器精度為±0.1℃，熱膨脹系數為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或機床溫度，歸一化測量必然出現誤差，相應的熱膨脹系數會導致精度變更為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能力較強的計量機構實施量值溯源，保證激光干涉儀檢測結果的準確性。針對結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工作，定期對傳感器連接頭的情況進行檢查，針對老化、重復的激光干涉儀器，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，需要對校準環境予以核查，在相對惡劣例如說高溫、高濕度等環境下，不適合進行機床校準作業，要盡量防止光學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熱，比如說雷尼紹激光干涉儀需要提前預熱5min左右，確保激光頭輸出波長能夠穩定在滿足標準的公差范圍內。

（3）校準過程中需要確保熱膨脹系數的準確輸入，如果允許應當及時向儀器提供商主動溝通，正確編制機床運行程序，其中的核心參數如進給速度、越程量、目標位置、循環次數以及目標點停頓時間等都必須要合理設置。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，時間上應當確保能夠獲得穩定數據信息，要低于機床運行程序中的停頓時間。

五、結語

現階段，即便激光干涉儀表現出測量精度高、環境適應能力強且可以實現動態測量等優勢，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節技巧[J].實驗室科學，2018，21（5）：72–74+78.

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