激光干涉仪在机床精度检测中的应用

激光干涉仪在机床精度检测中的应用

杨明

沈阳机床集团有限责任公司 辽宁省沈阳市 110000

摘要：近年来各种高精尖数控机床越来越多，其在各个行业和领域中发挥出了非常重要的作用。为确保数控机床和加工中心的稳定运行，可借助于激光干涉仪定期对机床实施精度检测，从而确保其加工精度，促进产品质量的提升。

关键词：激光干涉仪；测量误差；产生及消除；

激光干涉仪具有测量速度快、测量精度高、测量范围大、分辨力高等优点。随着数控机床的广泛应用，使用激光干涉仪对数控机床进行定位精度检测，已经成为公认的检测方法。在检测的准备过程中，准直光路通常会占用较长的时间，介绍一种快速准直光路的测量技巧，通过综合规划三轴测量先后顺序，充分利用已经调好的光路准直条件，快速有效地调节有90°光路旋转轴的测量准直工作，节省了工作时间，提高了工作效率。

一、激光干涉仪的基本原理

激光干涉仪实际工作的过程，激光器发出的激光通过分光镜形成两束光，一束直接照射到固定反射镜上出现参考光束，一束直接射到移动反射镜中产生测量光束，随后通过分光镜汇合后干涉。若两束光相位相反，出现暗条纹；若相位相同则出现明条纹。测量光路长度出现改变后，干涉光束的相对相位出现改变，将反射镜每移动一个波长的距离即会产生一个明–暗–明的光强度循环，依靠公式进行计算能够准确测量移动，从而了解机床的位置精度。对数控机床直线运动精度进行检测的过程中，把移动反射镜固定于机床导轨上并和导轨同时运动，对回转运动精度进行检测的过程中，角度反射镜相对角度干涉镜的旋转会导致两束光的光程出现变化，从而计算得到被测角度值。具体的检测步骤如下：（1）对激光器系统进行设置以做好线性测量准备；（2）确保激光束和机床的运动轴保持准直；（3）启动自动环境补偿功能同时保证在软件中输入准确的材料膨胀系数；（4）对机床线性误差实施测量和记录；（5）对采集的数据信息实施综合分析。

二、激光校准系统

1.线性干涉仪的测量原理。我们称为“线性干涉镜”。它的作用是为光束提提供一个路径。光束依照箭头的方向传播。入射光束进入线性干涉镜，分成两道光束，一道为参考光束，另一道为光束。参考光束进入反射镜，测量光束通过分光镜进入另一个反射镜，然后集中汇聚到激光头，酒缸头内部有探测器来监控这两道光束。在测量时，需要保证干涉镜不动，而使反射镜沿着被测量的轴移动。在移动过程中，干涉仪将采集光束路线的变化通过测量结果与待测机床的标尺读数比较，便可测得机床精度的误差。

2.进行线性测量的一般步骤。(1)安装设置激光干涉仪。(2)将激光束与被测量的轴校准。(3)启动测量软件，并输入相关参数（如材料膨胀系数）。(4)在机床上输入测量程序，启动干涉仪测量，并记录数据。(5)用测量软件分析测量数据，生产补偿文件。光束快速准直步骤。1）沿着运动轴将反射镜与干涉镜分开。2）移动机床工作台，当光束离开光靶外圆时停止移动。垂直光束调整 。3）使用激光头后方的指形轮使两道光束回到相同的高度。4）使用三脚架中心主轴上的高度调整轮使激光头上下旋转，直到两道光束都击中光靶中心。水平光束调整。5）用三脚架左后方的小旋钮，调整激光头的角度偏转，使两道光束彼此重叠。 6）用三脚架左边中间的大旋钮，调整激光头的水平位置，使两道光束击中光靶的中心。7）沿着运动轴重新开始移动机床工作台。在看到光束移开光靶时再次停止。重复步骤3)到6)，直到完成整个轴向的光镜准直。8)达到轴的末端时，将机床移回，使反光镜及线性反射镜互相靠近。注：若其中一道光束离开光闸的光靶，是由于反光镜侧向偏移所造成。上下左右移动反光镜，使从反光镜返回的光束与干涉镜的光束在光闸的光靶上互相重叠。重复步骤1)到8)，直到两道光束在整个运动轴长度范围内都保持在光靶的中心。9)保持光束和测量轴准直。将光闸旋转到其测量位置。当反光镜沿着机床的整个运动长度移动时，检查线性数据采集软件中显示的信号强度。

三、测量误差的产生及消除方法

在使用激光干涉仪对数控机床的位置精度检测中，导致测量精度偏差的因素很多，必须采取措施分析消除。外界环境的变化将会对测量数据的准确性参数影响，如空气温度变化1℃、空气压力变化0.3 kPa、相对湿度变化30%。尤其是振动对测量准确性的影响，振动产生的影响主要表现在测量数据的分散，重复测量精度差，甚至导致无法测量。因此，应保证外界环境的稳定性，最好在恒温环境中测量。在外界环境偏离测量要求的标准条件时，可使用相关的补偿参数加以修正，测量软件可自动对温度、压力、湿度等条件进行补偿。尽量减少热源（照明灯、机床工作灯）。尽可能的减少外界的各种振动，可以在下班后比较安静的环境下测量。干涉仪的安装位置尽量靠近机床，并用较短的加长杆固定光学元件。磁力表座应直接吸在机床床身或刀架等表面，避免吸装在机床护罩或护盖较薄弱的部分，确保吸装的表面平坦且没有油渍及尘土。以下具体分析各影响因素及消除方法。（1）机床温度偏离，将导致输入的膨胀系数与材料的实际变化不同，影响测量精度。如果温度传感器的精度为±0.1 ℃,而膨胀系数变化1 0 μm/℃时，将产生±1.0 μm的测量误差；若输入不正确的机器热膨胀系数输入不正确，产生的误差会更多。因此，应保证外界环境温度的稳定性，最好在恒温环境中测量。（2）余弦误差的影响。在激光束的校准过程中，不可能保证光束与运动轴的绝对平行，比如会产生一个夹角θ，我们称为误差夹角，该误差与（1-cos）成正比。该余弦误差就会使得测量距离比实际值小，因此，要减少及消除余弦误差，应在校准光束时，尽可能使干涉仪检测的光束信号强度在运动轴的全程保持恒定，从而余弦误差最小。（3）测量元件的影响。光学元件不清洁会导致信号强度降低，从而难以达到高精度测量结果。特别是在被测量轴的运动距离比较长时。因此，在光学元件的保管和使用过程中，应尽量保证光学元件表面的清洁，若发现光学元件被弄脏的情况，可使用专用的的透镜拭纸和无痕迹清洁液去除灰尘手印等。

四、激光干涉仪在数控机床调试验收中的应用

1.激光干涉仪的组成。Renishaw XL-80激光干涉仪所用激光的波长为633 nm，且其长期波长稳定性（在真空中）高于0.05 ppm，是可对数控设备（加工中心、三座标测量机等）的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（俯仰扭摆角度、直线度、垂直度等）进行精密测量的仪器。Renishaw XL-80激光干涉仪基本系统包括：XL80激光头（带三角架）及相应的光学器件。其中用于线性测量的组件包括一只分光镜、两只反光镜和两只用于光学准直的光靶，线性测

量工作原理如图1所示。

图1线性测量工作原理

激光头发出激光束1经分光镜分成两束光，激光束2经固定反光镜反射，形成参考光束，激光束3经移动反光镜反射，形成测量光束，两束光汇聚于分光镜中相叠加彼此干涉，相位相反时形成相消干涉，产生暗条纹；相位相同时形成相长干涉，产生明条纹。如果测量光路长度改变，干涉光束的相对相位将改变，反光镜每移动316.4 nm就会出现一个明—暗—明的光强变化循环，激光干涉仪通过接收到明暗条纹变化，经过电子细分，从而知道距离的细微和准确的变化，以此来测量移动距离。

2.位置精度的测量。以新进设备ELB SMART BL10数控缓磨为例，其控制系统为SIEMENS 840DSL，被测轴以X轴为例，检测目的是验收检测，检测项目为位置精度检测。（1）机床开机回零后，运行热机程序预热15 min。（2）将激光干涉仪按布置连线图进行安装连接，开启XL-80激光电源，预热约5 min。（3）使用光靶快速准直光束。①沿运动轴方向将工作台推离激光头，直到光束开始移开光靶。当只有一半的光束击中白点时停止移动机床；②使用三角架后方的左、右（上、下）扭摆调节小旋钮，调整激光头的角度偏转，使光束移动到以光靶白点中心对称的位置。使用三角架左右平移（垂直升降）大旋钮，调整激光头，使光束返回光靶白点中心；③沿着运动轴方向继续推离工作台。当看到激光光束移开目标位置时再次停止。重复②光束准直调整步骤，直到到达轴末端。到达末端后，将工作台移回近激光器、轴起点位置。若光束不在光靶白点中心，则水平平移（垂直升降）激光器或通过移动直线轴，使光束回到光靶中心位置；④重复步骤①至③操作，直到光束在整个运动轴范围内都能保持在光靶中心。（4）编制测量运行程序。设置机床工件坐标系G59：X0Y0 Z0，使之与机床机械坐标系一致；依据机床X轴实际测量参数，（5）设置激光干涉仪线性测长软件。进入测量向导，依次完成目标设定、采集数据启动、标题信息、自动采集数据设定4个窗口的设置。其中在自动采集数据设定中的公差窗口及越程量大小设置，依据以往经验，最好设定为机床实际越程的1/2，即公差窗口：0.5 mm，越程量大小：0.5 mm。如两参数大于等于实际越程值，可能造成软件采集错误数据或无法采集。完成上述设置后，进入测量界面，先试运行机床，判断数据方向，由于起点不为零，需先使用将数据手动定义到起点100，启动机床检测程序，进行自动采集数据。

3.机床位置精度的评定。数据采集结束后，保存测量数据，按厂家出厂检测标准（VDI3441标准）进行数据分析。依照公司与机床厂家签订的验收标准要求，VDI3441机床检验标准：定位精度：0.004 mm；重复定位精度：0.002 mm。初次测试结果为：定位精度0.0685 mm，不符合验收标准。

4.螺距误差补偿。查看机床X轴参数MD32700（1）=1可知，该设备X轴位置精度补偿方式为螺距误差补偿，补偿文件为AX1_EEC.INI。使用激光干涉仪数据分析软件分析数据，点击［1分析数据］→［误差补偿图表］，打开“误差补偿表格”窗口，设置图表类型：均值补偿、补偿类型：绝对值、正负符号转换（+/-）：误差值补偿间隔：25 mm（AX1_EEC.INI文件中数据），点击［绘制误差补偿图表］生成补偿数据。点击机床上［MENU SELECT］→［调试］→［系统数据］，拷贝NC数据中的轴1的测量系统错误补偿文件到U盘，可得补偿文件AX1_EEC.INI；依据生成的补偿数据，在计算机上修改补偿文件AX1_EEC.INI；修改机床X轴参数MD32700（1）=0；激活修改后的补偿文件；改回MD32700（1）=1；激活参数设置，补偿数据生效；修改机床X轴参数MD32450（反向间隙）的值，即改为原值与补偿数据中的反向间隙值的和。完成数据补偿后，再次启动激光线性测长软件，采集、分析数据，检测结果为定位精度：0.0019 mm且重复定位精度：0.0014 mm。符合公司与机床厂家签订的验收标准要求。VDI3441机床检验标准为定位精度：0.004 mm且重复定位精度：0.002 mm。

五、激光干涉仪在机床精度检测中应用的测量误差

1.激光干涉仪自身存在的误差。雷尼绍XL–80激光干涉仪安装有二级He–Ne激光器，其产生的激光束属于单一频率，标称波长0.633μm。虽然实际应用的激光干涉仪目前都严格根据JJG739–2005激光干涉仪检定规程标准实施周期性检定，然而由于长时间使用和搬动，可能导致激光器的波长存在一定程度的变化，造成误差的出现，因此激光干涉仪必须严格按周期进行检定，同时在每次使用前进行校正。

2.环境因素引起的误差。检测结果证明，检测环境温度每改变1℃，或者空气压力每改变3.3 mbar，相对湿度超过30%的变化都会造成1μm左右的误差。所以，激光干涉仪环境补偿单元在实施环境监测实现数据补偿的过程中，若检测活动中能够维持外部环境的稳定性，则选择补偿方式时能够借助于环境补偿单位将环境参数导致的误差降低到±0.7μm之内，若检测活动过程中所处的环境条件与输入参数不存在差异，则最终测量得到的参数能够把精度保持在±0.05μm之内。

3.数控机床表面温度引起的误差。对机床精度检测活动过程中一个非常关键的影响因素便是自身热膨胀，一般来说是把标定测量归一到仪器平均温度为20℃的条件。因为选择的材料温度传感器测量精度的影响，归一化测量必然会出现附加误差，这一误差的大小也直接和热膨胀系数存在明显联系。如果材料温度传感器精度为±0.1℃，热膨胀系数为10μm/1℃的情况下，归一化测量可能存在的误差为±1μm。若输入不合理的热膨胀系数或机床温度，归一化测量必然出现误差，相应的热膨胀系数会导致精度变更为10μm/1℃或者更高。

六、激光干涉仪在机床精度检测中的误差补偿

1.针对激光干涉仪必须要定期送往资质能力较强的计量机构实施量值溯源，保证激光干涉仪检测结果的准确性。针对结果确认不合格的仪器，必须要坚决避免其投入检测活动中。同时做好对激光干涉仪的维护保养工作，定期对传感器连接头的情况进行检查，针对老化、重复的激光干涉仪器，必须要第一时间予以维修更换。

2.对机床定位精度实施校准之前，需要对校准环境予以核查，在相对恶劣例如说高温、高湿度等环境下，不适合进行机床校准作业，要尽量防止光学镜组或激光束接近热源，尽量选择适合检测工作的温度、压力与湿度传感器，同时予以一定补偿，确保对环境误差的有效控制。进行校准之前还需要把激光干涉仪予以提前预热，比如说雷尼绍激光干涉仪需要提前预热5 min左右，确保激光头输出波长能够稳定在满足标准的公差范围内。

3.校准过程中需要确保热膨胀系数的准确输入，如果允许应当及时向仪器提供商主动沟通，正确编制机床运行程序，其中的核心参数如进给速度、越程量、目标位置、循环次数以及目标点停顿时间等都必须要合理设置。目标点和定位方式需要和机床运行程序保持相同，越程量尽量不超过机床运行程序的越程量，时间上应当确保能够获得稳定数据信息，要低于机床运行程序中的停顿时间。

七、实例分析

任取一台CKE6163–600数控机床测量其X轴定位精度，让其在正常工作速度下运行磨合0.5 h，安装雷尼绍XL–80激光干涉仪，将温度补偿系统的温度传感器调整到合适位置，借助于调整激光头位置来确保反射光光强符合检测要求，对激光干涉仪归零后实施数据测量，测量方法为等间距（间距值为40 mm）测量法，误差补偿为增量型补偿。补偿前定位精度获得测量数据是20.2μm，补偿后定位精度数据为15.0μm，合同要求为12.0μm，测得数据不满足要求。经过调试后了解到，温度变化最大为2.6℃，湿度变化最大为0.2%，波长补偿中，环境参数以及Edlen公式对最终检测结果的影响最大为0.23μm，和实际误差结果比较可以忽略。进行测量时，激光干涉仪进行了校准保证了测量的准确性，查找各方面原因从而推测导致误差产生的可能是X轴联接杆件在运行中出现变形。对于磨合过程中的联接杆，选择激光干涉仪对其实施变形量的测量，间隔15 min进行记录，运行3 h停机后再测量一段时间，总共测量2次，对获得的数据进行对比，发现两组数据之间差异不大。最大数值为0.15 mm，发生了严重变形，对测量精度带来很大影响。所以对该联接杆进行重新设计，防止连接件出现变形，最终实现精度补偿及测量结果的稳定性，经过实际测试，重新调整后的连接件有效确保了机床的精度。

总之，机床本身精度不佳会带来上述各种误差，但也不能排除在某种情况下激光干涉仪操作不当也是会带来较大误差。伺服电机参数设置不当、电机与丝杆连接误差、检查机床的俯仰和丝杆同轴度。丝杠或传动系统故障、编码器问题或故障都会影响或被放大线性，影响机床精度。

参考文献：

[1］ 张伟.关于激光干涉仪在机床精度检测中的应用.2020.

[2］ 王国琛.数控机床定位误差的激光干涉法检测与补偿.2019.