利用激光干涉仪对机床定位精度的快速检测

收稿日期：2008-03-11

作者简介：曹利波(1972-)，男，河南洛阳人，高级工程师，主要研究方向为几何量计量与测试。Email: caolibo@163.com

利用激光干涉仪对机床定位精度的快速检测

曹利波

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

摘要：简要介绍了双频激光干涉仪的组成和工作原理，并介绍了一种快速调整激光干涉仪准直的方法以及检测机床定位精度时的注意事项。

关键词：激光干涉仪； 定位精度； 光路准直

中图分类号：TH744.3 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2008)增(几何量)-0200-03

Rapid detection of the accuracy of positioning axes

in machine using a laser interferometer

CAO Li-bo

(China Airbone Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Abstract: Principle of the laser interferometer system is introduced in this paper, and a method of straightening the laser interferometer have been given. Finally, some advices about machine testing are recommended.

Key words: Laser interferometer; Accuracy of positioning axes; Straightening the laser

0 引 言

现代机床精密准确，但是由于标尺误差和几何误差，还是会产生较小的定位误差。为了使生产车间达到质量和生产率的目的，就需要对机床进行快速、动态的校准，以求得最好的性能。校准过程必须精确。双频激光干涉仪是当代国际机床标准中规定使用的数控机床精度检测验收的测量设备。线性测量是激光干涉仪最常见的一种测量。激光器系统会比较轴位置上的数显读数与激光器系统测量的实际位置，从而测量线性定位精度和重复性。

1 双频激光干涉仪的组成

采用ML10激光干涉仪。其组成包括：三角架、

ML10激光器、PCM10控制接口卡、光学镜组、EC10环境补偿器、分析软件等。如图1

所示。激光器的波长为0.633 µm ，采用PCM10接口卡与计算机进行数

图1 激光干涉仪系统

Fig.1 Composition of the laser interferometer system

增刊 曹利波：利用激光干涉仪对机床定位精度的快速检测 201

据传输。系统的EC10环境补偿器，用于测量温度、气压、相对湿度这三个关键的环境参数，并把数据传送到PCM10接口控制单元，以补偿波长的综合变化。

2 双频激光干涉仪的工作原理

干涉测量技术的基本原理是把两束相干光波形

合并相干（或引起相互干涉），其合成结果为两个波形的相位差，用该相位差来确定两个光波的光路差值的变化。在评定机床定位精度时，利用线性测量组件，包括1个分光镜、2个反射镜、2

个标靶。1个反射镜通常用紧固螺钉固定在机床的工作台或床身上，从而形成干涉镜，而另一个反射镜放在安装测头或刀具的位置上随机床移动。测量原理如图2所示，从激光头发出的光束在线性干涉镜处为两束相干光束，一束从附加在线性干涉镜上的反射镜反射回激光头，另一束经由另一个线性反射镜反射回激光头，通过激光头的干涉条纹计数电路来确定两个反射镜间的距离变化，并与被测机床的光栅读数相比较来确定定位精度和重复性误差。

图2 测量原理图 Fig.2 Principle of of calibration

测量时的布局如图3所示。通常是将激光头安装在

图3 测量布局图 Fig.3 Layout of calibration

放在车间的地面上的三角架上。干涉镜安装在机床的固定部件上的磁性支架上，通常为主轴或轴座。测量反射镜放置在移动的机床工作台上，干涉镜放置在激光器与反射镜之间的光路上。从激光头发出的光在干涉镜处分为两束相干光束，一束光从附加在干涉镜上的反射镜反

射回激光头，而另一束要透过干涉镜至反射镜处，再反

射回激光头的探测孔，由激光头内检波器监控这两束光的干涉情况。核查软件主显示屏幕左侧的信号表，检测返回信号的强度。

3 快速调整准直的方法

在测试过程中，调整激光器的方向，使激光束与所测机床运动轴的移动方向平行是很重要的一项工作，如果不掌握技巧，将是非常麻烦的一件事。现结合工作经验，介绍一种快速调整准直的方法：

（1）将激光器放置在三角架上，把一个条式水平仪放在激光器上，通过调节三角架使激光器保持水平。由于机床在测试前已基本调平，这样在调整准直时俯仰稍微调一下即可。

（2）调整激光器后方的水平角度偏转旋钮和指型轮使其处于中间位置，目的是保证激光器在以后的调整中不会产生因为螺栓到头而无法调整的情况。目测并调整激光器的水平方向，使激光器的光束在水平方向上与机床工作台移动的方向平行。

（3）旋转激光器的光闸，使激光器发出较小的光束，

便于精确调准直。将机床工作台移动到激光器最近处，在工作台上安装好反射镜，将一个光靶置于前端，白点朝上，调整反射镜的高低和左右位置，使

光束击中光靶上的白点，如图4（a ）所示。

（4）移动机床工作台使反射镜移到离激光器最远处，此时若光束仍在光靶的白点上，则说明已经准直；如果光束偏离白点，如图4（b ）所示，则说明激光束与工作台移动方向不平行。可调整激光器后方的水平角度偏转旋钮和指型轮，使光束移动到以光靶白点为中心的对称位置，如图4（c ）所示，然后整体平移激光器，使光束对准白点。

图4 光靶调试图 Fig.4 Adjusting target

（5）移动机床工作台使反射镜移至离激光器最近处，此时若光束仍偏离靶心，则可重复4.4的步骤，

这样来回两三次，直到在全行程内，光束均保持在靶

（6）去掉光靶，在机床的固定位置上激光器与反射镜之间放入线形干涉镜，并调整使两个光束重合在激光器的靶子中心。

（7）旋转激光器的光闸，看两个光束是否同时反射回激光头并完全重合，如果不重合，可微调线形干涉镜的位置，直至全程范围内都能获得可以用来测试的信号强度，即可进行测试。

4 检测方法

将激光束与被测轴调整平行后，检测过程将变得简单。按照GB/T 17421.2-2000《机床检验通则》的要求，在每一坐标轴的工作行程内均匀选取不少与10个目标位置（测量点），机床按编制好的程序以同一进给速度在目标位置间移动。检测时,机床沿着轴线运动到一系列的目标位置，并在各目标位置停留足够的时间，以便计算机系统自动采集数据，重复测量3次，即可由软件系统计算出测量误差，并给出误差图表，按照所采用的标准评定出定位精度和重复性误差。如果超差，可按误差补偿表进行补偿，再重新测量3次，直至将机床的误差补偿到要求的技术指标范围之内。5 结论

（1）干涉镜一定要安装在机床上牢靠而固定的位置，且靠近反射镜。否则环境因素的影响很大，尤其是振动，会造成测量值的不停跳动，难以稳定采点。

（2）越程量的设定值要大于公差窗口的设定值，否则系统会将越程量当测量数据进行采集；采点时间间隔的设定要小于机床在某一被测量位置停留时间。

（3）考虑到环境补偿系统的要求，要将气压温度传感器靠近测量光束，通常放置在机床立柱的上端。材料温度传感器应放在能代表机床光栅尺或滚珠丝杠地平均温度的安全地方，要避免受局部热源的影响。

（4）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，以保证被测件各部位温度的一致性。

参考文献：

[1] 数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定，GB/T 17421.2-2000国

家质量技术监督局发布.

[2] RENISHAW激光测量系统PC10用户手册.