激光干涉仪是精度高的线性位移测量仪器,其光波可以直接对米进行定义,可溯源至国家标准。但是在使用中往往会出现检测偏离值,偏离预估的情况,下面来介绍几个引起激光干涉仪测量误差的原因。
1、阿贝误差
因测量光学镜组的安装高度不在被测设备的运动轴上引起的测量误差称之为阿贝误差。产生的原因是设备移动时存在俯仰、扭摆差,因此光学镜组与运动轴偏置距离越远,引起的阿贝误差越大。
2、环境因素
环境补偿单元能准确采集空气温度、压力、相对湿度信息,基于Edlen公式计算空气折射率,以此对激光波长进行补偿。
同时环境补偿单元中材料温度探头能实时高精度测量被测设备温度,对其进行温度补偿。但是往往因为操作人员将材料温度探头放置在错误的位置,致使采集的数据不能真实反映被测物体温度状态,从而增大测量误差。
正确方式:在线性测量中,需要开启环境补偿单元,并正确设置补偿材料的种类,放置材料温度探头的位置。在高精度的测量中,需要给予环境补偿单元以及被测物充分的恒温时间。
3、余弦误差
激光束路径与被测轴之间存在的任何未准直都会造成测得的距离和实际的运动距离之间有差异,此误差被称为余弦误差。
当激光测量系统与运动轴未准直时,余弦误差会使得测量的距离比实际距离要短。随着未准直角度的增加,误差也跟着显著增加
处理方法:若激光测量出现余弦误差,则激光读数将会小于原本应有的数值。因此,通过“轻微”调整云台的俯仰及偏转旋钮直到取得最大的激光读数,将能消除轴上的余弦误差。
4、死程误差
死程误差是在线性测量过程中与环境因素改变有关的误差,在正常状况下,死程误差并不大,而且只会发生在定标后以及测量过程中的环境改变。
处理方法:在设定定标位置时,固定反射镜和移动镜组应尽量彼此邻接,以此减小死程误差。
5、镜组的安装细节
为了最小化振动作用并加强测量稳定性,镜组应牢靠固定到所需的测量点上;磁力表座应直接吸住机床底座,避免吸装在机床护罩或机床盖等较薄弱的部分;确保吸装的表面平坦且没有杂质。
激光干涉仪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。激光干涉仪有单频的和双频的两种。
激光干涉仪的分类:
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2两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光。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。
激光干涉仪应用:
(1)几何精度检测可用于检测直线度、垂直度、俯仰与偏摆、平面度、平行度等。
(2)位置精度的检测及其自动补偿可检测数控机床定位精度、重复定位精度、微量位移精度等。利用雷尼绍ML10激光干涉仪不仅能自动测量机器的误差,而且还能通过RS232接口自动对其线性误差进行补偿,比通常的补偿方法节省了大量时间,并且避免了手工计算和手动数控键入而引起的操作者误差,同时可最大限度地选用被测轴上的补偿点数,使机床达到较好精度,另外操作者无需具有机床参数及补偿方法的知识。
(3)数控转台分度精度的检测及其自动补偿现在,利用ML10激光干涉仪加上RX10转台基准还能进行回转轴的自动测量。它可对任意角度位置,以任意角度间隔进行全自动测量,其精度达±1。新的国际标准已推荐使用该项新技术。它比传统用自准直仪和多面体的方法不仅节约了大量的测量时间,而且还得到完整的回转轴精度曲线,知晓其精度的每一细节,并给出按相关标准处理的统计结果。
(4)双轴定位精度的检测及其自动补偿雷尼绍双激光干涉仪系统可同步测量大型龙门移动式数控机床,由双伺服驱动某一轴向运动的定位精度,而且还能通过RS232接口,自动对两轴线性误差分别进行补偿。
(5)数控机床动态性能检测利用RENISHAW动态特性测量与评估软件,可用激光干涉仪进行机床振动测试与分析(FFT),滚珠丝杠的动态特性分析,伺服驱动系统的响应特性分析,导轨的动态特性(低速爬行)分析等。
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