激光干涉仪的应用

摘要： 数控机床在使用过程中会出现机械磨损和各类性能下降的情况，本文着重描述如何利用RENISHAW激光干涉仪，对数控机床的直线度、线性定位及重复定位进行测量，取得数据进行机械调整和螺距补偿。

关键词：数控机床；精度检测；线性测量；直线度测量；系统补偿

中图分类号：TG659文献标识码： A

1.引言

数控机床是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控装置、伺服系统和机床本体四部分组成。数控机床在使用多年之后，随着机械的磨损，各类零部件性能的下降，各数控轴的定位精度会随之下降。在零部件磨损不太严重的情况下，为节约成本，可对数控设备进行系统螺距补偿，可以有效提高设备的定位精度。在更换关键零部件（丝杠、导轨、光栅等）后，也该对设备进行精度补偿，使设备保持较高精度。

直线度是，在对设备进行螺距补偿之前，必须要保证机床轴在A、B两个方向的直线度。此项工作同样可以利用激光干涉仪测量，通过调整机械部件，校准直线度。保证直线度非常重要。只有保证了直线度，线性定位、重复定位才有实际意义。

2.适用范围

本文所述内容，以英国RENISHAW激光干涉仪为例，第一部分介绍直线度测量，适用所有机械设备进行直线度调试。第二部分介绍线性定位及重复定位测量，适合所有具有螺距补偿功能数控系统的数控设备。

3.测量及调试

3.1直线度测量组件及原理

直线度误差是指与运动轴垂直方向的位移。直线度测量镜组可用来测量线性轴的直线度误差。该组件包括下列要件：直线度干涉镜、直线度反射镜。直线度测量有两个镜组： 测量短程从 0.1 m 至 4 m 及测量长程从 1 m 至 30 m。就短程而言，距离指的是直线度干涉镜和直线度反射镜之间的距离，即可被测试的轴长。 就长程而言，距离指的是激光头和直线度反射镜之间的距离。这两种情况下，直线度测量的量程都是 ±2.5 mm。直线度干涉镜和反射镜互相匹配成对。 因此，不能与其它直线度工具交换要件。 每一个直线度干涉镜和反射镜都标明独立的序号。

3.1.1沿水平轴直线度测量

水平轴直线度检测，我们将直线度干涉镜安装在ML10激光器和直线度反射镜之间。激光器发射出来的光束将穿过直线度干涉镜，此时，光束将被分成两束相同频率的光源，通过直线度反射镜，将两束激光反射汇聚到干涉镜，在返回ML10激光器。通过移动直线度反射镜，两束相同光源的光将会发生干涉。ML10激光器将检测干涉的光波，来确定在直线度干涉镜移动的方向上，会产生多少大的偏差。并记录下偏差值，以供设备安装调试使用。

3.1.2沿垂直轴直线度测量

垂直轴直线度检测，我们将引入垂直转向镜，将水平光束转换成垂直光束，检测原理与水平轴直线度检测相同。

3.2线性测量及调试

线性测量可以检测机床轴的多项精度指标，其中包括定位精度、重复定位精度、反向间隙等。用于线性测量的镜组包括两个线性反射镜和一个线性分光镜。要设置线性测量，将一个线性反射镜连接到具有两个紧螺纹的分光镜上。 这个组合要件被称为“线性干涉镜”，可以作为激光束的参考路径。 线性干涉镜位于 ML10 激光器和线性反射镜之间的光束路径，ML10 激光器的光束会射入线性干涉镜，再分为两道光束。 一道光束（称为参考光束）射向连接分光镜的反射镜，而第二道光束（测量光束）则通过分光镜射入第二个反射镜。 这两道光束回再反射回分光镜，重新汇聚之后返回激光头，其中会有一个探测器监控两道光束间的干涉。如下图所示。

在线性测量时，其中一个光学元件保持不变，而另一个则沿着线性轴移动。 定位测量是通过监控测量及参考光束间光路差异的变化来执行的（请注意，两个光学元件间的差分测量与 ML10 激光器的位置无关）。 此种测量可与待测机床的标尺读数比较，获得机床精度的任何误差。

气温、气压及相对湿度等环境因素会对机床的线性定位精度影响非常大。为了减少这些因素的影响，激光干涉仪引入了EC10 环境补偿装置。EC10 最多能够接受来自三个测量机床温度的材料传感器和一个空气温度传感器输入，同时，EC10上带有湿度传感器和气压传感器。 若已将适当的材料热膨胀系数输入 Laser10 软件，则能使测量可按照 20 °C 条件下机床（材料）温度取准。只有在执行线性测量时需要 EC10。 线性测量时若不使用 EC10，空气折射率的变化可能导致严重的测量误差。 若使用 EC10 环境补偿装置，便可使线性位移测量的结果符合线性测量的系统精度范围。下附部分材料膨胀系数。

在RENISHAW 测量软件内，设定测量目标位置，选择测量目标顺序和运行次数，根据需要选择设定自动的数据采集方式。测量和记录机器误差。数据采集的方法如下：将机器沿着测试轴，移到许多不同的位置（或“目标”），然后测量机器的误差。可编写零件程序，以便将机器从一个目标位置移到下一个目标位置，并在每个目标位置暂停几秒钟。在每次暂停过程中进行测量。将采集的数据保存到磁盘中，以便对机器进行数据补偿。

4.系统补偿

在取得测量结果以后，机器的误差将准确的以数据的形式保存在磁盘中。此时，我们将利用数控系统的螺距补偿功能，使机器的定位精度达到更高的水平。这里以西门子系统为例介绍系统误差补偿的方法。

螺距误差补偿是按轴进行的，与其有关的轴参数只有两个：MD38000 最大补偿点数，和MD32700 螺距误差补偿使能（为0时，禁止，可以写补偿值；为1时，使能，补偿文件写保护）。

螺补的方法有两种：

一种方法是：

系统自动生成补偿文件；

将补偿文件传入计算机；

将补偿文件再传入系统。

另一种方法是：

系统自动生成补偿文件；

将补偿文件格式改为加工程序；

通过OP 单元将补偿值输进该程序；

运行该零件程序既可将补偿值写入系统。

将测量的误差值转换成补偿值，生成数控系统可以识别的补偿文件，在数控系统上运行补偿文件后，机器返回参考点，螺距误差补偿生效。再次利用激光干涉仪检测补偿后的机器精度。以验证补偿的效果。

5.结束语

激光干涉仪，作为光学检测仪器，它具有非常多的功能。它可以进行线性测量、角度测量、平面度测量、直线度测量、垂直度测量和平行度测量。我们还能利用它对设备的故障诊断提供检测数据。

参考文献

1.RENISHAW公司ML10、EC10、Laser10 软件及系统附件在线说明7.3版

2.SIEMENS公司SINUMERIK 810D/840D简明调试指南 2002版

第一作者

毛礼建男 （1981-）汉族 浙江温岭现为杭州前进齿轮箱集团股份有限公司数控科科长电气工程师从事集团公司所有数控机床的维修工作