激光干涉仪概述

　　激光干涉仪是以激光波长为已知长度、利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量工具。激光干涉仪有单频的和双频的两种。单频的是在20世纪60年代中期出现的,*初用于检定基准线纹尺,后又用于在计量室中精密测长。双频激光干涉仪是1970年出现的，它适宜在车间中使用。激光干涉仪在极接近标准状态(温度为20℃、大气压力为101325帕、相对湿度59%、C O2 含量0.03%)下的测量**度很高，可达1×10。单频激光干涉仪从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式[356-11]式中λ为激光波长(N 为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。

　　使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。双频激光干涉仪在氦氖激光器上，加上一个约0.03特斯拉的轴向磁场。由于塞曼分裂效应和频率牵引效应, 激光器产生1和2两个不同频率的**和右旋圆偏振光。经1/4波片后成为两个互相垂直的线偏振光,再经分光镜分为两路。一路经偏振片1后成为含有频率为f1-f2的参考光束。另一路经偏振分光镜后又分为两路：一路成为仅含有f1的光束,另一路成为仅含有f2的光束。当可动反射镜移动时,含有f2的光束经可动反射镜反射后成为含有f2 ±Δf的光束，Δf是可动反射镜移动时因多普勒效应产生的附加频率,正负号表示移动方向(多普勒效应是奥地利人C.J.多普勒提出的，即波的频率在波源或接受器运动时会产生变化)。这路光束和由固定反射镜反射回来仅含有f1的光的光束经偏振片2后会合成为f1-(f2±Δf)的测量光束。测量光束和上述参考光束经各自的光电转换元件、放大器、整形器后进入减法器相减,输出成为仅含有±Δf的电脉冲信号。经可逆计数器计数后，由电子计算机进行当量换算(乘 1/2激光波长)后即可得出可动反射镜的位移量。双频激光干涉仪是应用频率变化来测量位移的，这种位移信息载于f1和f2的频差上，对由光强变化引起的直流电平变化不敏感，所以抗干扰能力强。它常用于检定测长机、三坐标测量机、光刻机和加工中心等的坐标精度，也可用作测长机、高精度三坐标测量机等的测量系统。利用相应附件，还可进行高精度直线度测量、平面度测量和小角度测量。

激光干涉仪在数控机床加工上的6种解决方案

　　1、负坡度

　　负坡度曲线向外运行和向内运行两个测试均出现向下的坡度。在整个轴线长度上，误差呈线性负增加，这表示激光系统丈量的间隔短于机床位置反馈系统指示的间隔。出现负坡度的可能原因有以下两种：

　　(1)光束准直调整不正确。假如轴线短于1m则可能是材料热膨胀补偿系数不正确、材料温度丈量不正确或者波长补偿不正确。

　　(2)俯仰和扭摆造成阿贝偏置误差、机床线性误差。

　　针对以上问题，可采取的措施有：假如轴线行程很短，检查激光的准直情况;检查EC10和丈量头是否已连接并有反应;检查输进的手动环境数据是否正确;检查材料传感器是否正确定位以及输进的膨胀系数是否正确;使用角度光学镜组重新做一次丈量，检查机床的俯仰和扭摆误差。

　　2、正坡度

　　正坡度曲线是指在整个轴线长度上，激光打标加工误差呈线性正递增。这种现象的产生有以下可能：

　　(1)材料热膨胀补偿系数不正确、材料温度丈量不正确或者波长补偿不正确。

　　(2)俯仰和扭摆造成阿贝偏置误差、机床的线性误差。

　　针对这些问题，可采取以下措施：检查EC10和传感器是否已连接并有反应，或者检查输进的手动环境数据是否正确;检查材料传感器是否正确定位以及输进的膨胀系数是否正确;使用角度光学镜组重新做一次丈量，检查机床的俯仰和扭摆误差。

　　3、周期性曲线

　　周期性曲线是整个轴线长度上的重复周期误差。沿轴的俯仰保持不变，但幅度可能变化。导致周期性曲线的可能原因主要是机床方面的题目，如丝杠或传动系统故障、编码器题目或故障、长型门式机床轨道的轴线直线度。

　　针对以上问题，建议采用很小的采样点间隔在一个俯仰周期上再丈量一次，确认俯仰误差。作为一项指导原则，假如你要检查的是机床某元件的周期性影响，可将采样间隔设为预期周期性俯仰的1/8，然后通过比较机床丝杠的螺距、齿条的齿距、编码器、分解器或球栅尺俯仰、长型门式轨道的支撑点之间的间隔等来确认可能的误差来源。例如，假如误差周期是20mm，查阅机床手册我们发现丝杠的导距也是20mm，很显然误差可能与丝杠旋转题目有关，丝杠可能在*近的一次维修或机床移动时被弄弯了，或者丝杠偏心旋转。

　　4、偏移

　　偏移是指往程和回程两次测试之间具有不变的垂直偏移。产生偏移曲线的可能原因主要是机床方面的题目，如反向间隙未补偿或不当补偿、车架与导轨之间存在间隙(松动)等。

　　针对以上问题可采取以下解决措施：丝杠/滚珠丝杆驱动装置;检查球状螺母或丝杠是否磨损;检查丝杠轴承的端部浮动情况;使用角度光学镜组检查轴线反转时的车架角度间隙;检查控制器内设置的反向间隙补偿是否正确;机架和小齿驱动装置;检查牙是否正确啮合;检查齿轮箱是否磨损和线性编码器系统的状况。

　　5、燕尾状

　　在往程测试中出现向下的坡度的情况，回程测试为往程测试的镜像，往程和回程测试之间的偏差(或滞后或反向间隙)随轴线离开受驱动端而逐渐进步。产生燕尾状的可能原因主要是机床方面的题目，如滚珠丝杠扭转、导轨太紧、使用的误差补偿值不正确等。

　　针对以上问题，有以下建议：检查丝杠和导轨润滑;检查在垂直轴上的平衡作用;检查并调节导轨夹条;检查导轨盖是否咬着及检查控制器补偿。

　　6、正反向交叉线

　　正反向交叉线是指正向(向外)运行产生负坡度，而反向(向内)运行则产生正坡度。这是丝杠扭转的一个特殊例子，其中，单向线性误差补偿和单反向值已在控制器中设置。

　　针对这些问题可采取：检查丝杠和导轨润滑;检查在垂直轴上的平衡作用;检查并调节导轨夹条;检查导轨盖是否咬着;检查控制器补偿。

激光干涉仪测量必须考虑的误差源

　　激光干涉仪的开发，给机床工业提供了高精度的标准，适用于各种型号和规格的机床。稳定的氦氖激光代表了当前激光长度测量标准的工艺水平，而且在实际上成为已采用的长度测量标准。

　　激光干涉仪的精度视激光波长而定，其精度较好于0.5PPM(百万分子0.5)。

　　激光干涉仪可以测出单轴六个自由度中的五个：线形定位、水平面内直线度、垂直面内直线度、俯仰角和偏摆角，也可测量两轴之间的垂直度。

　　使用激光干涉仪测量，必须要考虑到的误差源：

　　一、 环境误差。激光干涉仪的**精度取决于周围条件的**程度(或者说环境的稳定程度)。环境温度每产生1℃的变化，**压力每产生2.5mmHg或相对湿度每产生30%的误差时，都将会导致约1PPM(百万分子一)的测量误差。这些误差利用人工补偿或激光干涉仪所配的自动补偿装置可部分克服。因此检测期间保持这些条件的稳定非常重要。

　　二、 机床表面温度。即机床本身温度变化的影响。对于用钢制丝杠定位滑鞍的机床，丝杠理论热膨胀系数为10.8PPM/℃，即温度每升高1℃，他将膨胀近10.8微米/米。

　　三、 死径误差(死行程误差)。它是一种在测量期间与环境条件的变化有关系的误差。它是由于当围绕激光束的大气压力发生变化(引起激光波长变化)时以及当固定有激光干涉仪和目标反射镜的材料温度发生变化(引起干涉仪和反射镜之间的距离变化)时，激光束行程长度得不到补偿而造成。

　　简单的讲，激光测量行程的死行程区是指激光干涉仪与测量复位点(或0点)位置间的距离。激光干涉仪自身的补偿系统仅能补偿测量复位点到测量行程终点的距离，而对于死行程区的距离是不补偿的。

　　四、 余弦误差。激光束路径对应机床运动轴线如未对准，将在测量长度同实际移动长度间产生一个误差。由于这个误差与光束和实际运动间未对准角的余弦成比例，所以未对准误差通常称为余弦误差。余弦误差=1-cosθ，对于较小的θ，余弦误差近似于θ2/2。举例来说，当 =1mrad (3 arcmin)，则余弦误差为0.5ppm。

　　当激光测量系统与机床移动轴线未对准时，余弦误差将使测量长度小于实际长度。消除余弦误差的方法是在安装时确保良好的对准。

　　五、 阿贝误差。阿贝误差原理是长度计量和长度计量仪器设计中*经典的测量原理。被测轴线和测量轴线应在同一直线或其延伸线上，如果在一个偏离的被测位移的位置上进行测量时，部件的任何角运动都将产生一个误差。估算角运动产生的误差的一条有益经验是：每角秒的角运动产生约5um/m的偏移。对于阿贝偏移为200mm，2秒的角运动，其测量位移误差为200mm×5um/m/角秒×2角秒=2um。

激光干涉仪在不同环境的测量结果

　　目前数控机床生产厂家多用激光干涉仪检测机床坐标定位系统精度，很少有人怀疑激光干涉仪的准确性。的确，使用经**校准(分别在标准环境和非标准环境下校准)的双频激光干涉仪，在严格规定的标准环境和熟练操作人员使用等条件下，检测数控机床的坐标定位精度是可以达到国家有关标准规定的准确度要求。但很多生产厂家的现场条件属非标准环境，达不到上述标准环境条件要求，其操作人员的熟练程度和应对条件变化的处置能力也有差距，其检测结果的准确性就值得怀疑了。有些使用者用同一台激光干涉仪检测同一台数控机床，上午检测和下午检测的结果竟相差10μm以上，不知该如何处理。有些计量部门曾用激光干涉仪对测长机、三坐标测量机和数控机床的坐标精度进行检定/校准时，也发现其测量结果与采用实物标准器(如二等标准线纹尺、二等量块、精密步距规等)进行校准时的测量结果有很大差别，数值相差甚至大到10～20μm/1000mm。原因可能是多方面的，既有环境影响因素，如温度变化梯度较大，也有人的操作方式不当等影响因素，甚至还可能有仪器本身的温度传感器不够稳定或帖附位置不恰当等因素影响。所以在激光干涉仪使用中，有必要先用步距规进行校对。校对方法很简单：把步距规当做被检测对象，用激光干涉进行检测，如果测量结果与步距规实际值一致，说明激光干涉仪在本环境条件和使用方式下可准确使用。如果测量结果与步距规实际值相差较大，需对激光干涉仪进行误差修正，然后再用修正过的激光干涉仪再次测量步距规，直至测量结果与步距规实际值一致或误差小到可以忽略。误差修正的方法值得探讨，可采用适当修改初始温度设定值或修改被测对象线膨胀系数设定值等方法，总之，误差修正的目的是使再次校对时，使激光干涉仪的显示值等于或接近等于步距规的实际值。如此，可排除一些意想不到的影响激光干涉仪正确使用的因素，从而显著提高激光干涉仪在现场环境下测量结果的准确度(即减小测量结果的不确定度)。

　　中国测试技术研究院专门从事量块、步距规和激光干涉仪校准的专家曾说过，现场环境下激光干涉仪不宜单独使用，应与经校准过的步距规比对使用，检测结果会比较准确。

　　在使用校准过的步距规与激光干涉仪进行比对时，需另外配备分辨力为0.001mm、示值重复性0.2μm以下的杠杆千分表(步距规生产厂家可配套供应)。校对用步距规宜选用安一公司**生产的防护型步距规，该型步距规可消除使用中因意外碰撞而丧失精度的重大缺陷。为便于外出人员携带，可选用中小规格(500mm以下)防护型步距规即可。校对用步距规总价约为激光干涉仪的十分之一，俗话说“买得起马，配得起鞍”，花小钱，办大事。

　　数控机床的有关标准虽未将步距规列为推荐检测量具，但因现在的机床国家标准已与国际标准接轨，均为推荐标准，并不属于强制执行的国家标准，实际上并不禁止使用其他的检测手段如步距规、量块等传统检测量具，关键是保证测量结果的准确性。