PAGEPAGEVI激光干涉儀測量原理分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u28161激光干涉儀測量原理分析概述 1315361.1激光干涉儀組成部分 1283511.1.1XL激光頭 1269961.1.2XC環(huán)境補(bǔ)償單元 3176941.1.3測量鏡組 4109951.1.4LaserXL校準(zhǔn)軟件系統(tǒng) 514953圖2-9LaserXL校準(zhǔn)軟件系統(tǒng) 617551.2線性測量原理 6143261.3角度測量原理 732011.4VMC850E加工中心主要技術(shù)指標(biāo) 71.1激光干涉儀組成部分激光干涉儀由XL激光頭、XC環(huán)境補(bǔ)償單元、測量鏡組等組成。利用激光干涉儀測量線性和角度誤差，就需要把激光頭，環(huán)境補(bǔ)償單元和測量鏡組按一定的順序，利用不同的輔助元件進(jìn)行安裝測量。而在測量過程中最重要的部分就是激光頭與測量鏡組的校準(zhǔn)。下面我將詳細(xì)介紹激光干涉儀的各種組成部分。1.1.1XL激光頭XL激光頭的前面板有一個光閘；當(dāng)不需要使用激光頭時，我們需要將光閘調(diào)到圖2-1位置，將激光遮住來避免激光不小心進(jìn)入眼睛的可能性，以免激光刺激眼睛，對眼睛造成傷害；在運(yùn)輸過程中，也需要把光閘調(diào)至這個位置，這樣會保護(hù)激光頭中的光學(xué)鏡組以免受到傷害；當(dāng)我們需要用激光來準(zhǔn)直測量鏡組時，需要把激光束的尺寸縮小，將光閘調(diào)到如下圖2-2的位置，調(diào)小激光束尺寸，再配合標(biāo)靶，來準(zhǔn)直鏡頭；將光閘調(diào)整到如下圖2-3的位置時，是使用激光束的正常尺寸也可以用來準(zhǔn)直鏡頭，和圖二位置有著一樣的作用；當(dāng)我們開始利用激光束進(jìn)行誤差的測量時，我們將光閘調(diào)整到如下圖2-4的位置上，使從激光頭射出的激光光束經(jīng)過測量鏡組的反射回到探測器光口內(nèi)，接著傳入到電腦中進(jìn)行計算，來得到誤差值。值得注意是XL激光頭屬于二級激光器，在測量過程中不需要佩戴護(hù)目鏡但是一定不要將激光光束射入自己的眼睛中，也不要隨意擺動激光器防止其射入同其他人眼中。在XL激光系統(tǒng)的后面板上有幾個插口、按鈕、旋鈕等，如圖2-5所示。24V直流電源輸入插槽是用來接電源，為激光頭供電；接入電源后，按動電源開關(guān)，為XL激光系統(tǒng)輸送電源。USB插槽是XL激光系統(tǒng)與計算機(jī)溝通的“橋梁”，這樣使XL激光系統(tǒng)收集到的測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，激光狀態(tài)也可以通過USB電纜在電腦上顯示出來；輔助輸入/輸出插槽用于遠(yuǎn)程觸發(fā)輸入、正交輸出和模擬輸出信號；DIP開關(guān)可以用來配置輔助輸出以及將XL激光系統(tǒng)置于短距離或長距離模式；而在后面板上，也是在整個XL激光系統(tǒng)上唯一的一個旋鈕是俯仰調(diào)節(jié)控制旋鈕，旋轉(zhuǎn)這個俯仰調(diào)節(jié)控制旋鈕可以對XL激光系統(tǒng)的俯仰角進(jìn)行微調(diào)。在XL激光系統(tǒng)的上面板上前面有五個LED指示燈，后面有一個LED指示燈，如圖2-6所示。在我們給XL激光頭第一次通電的時候，上面板上的六個指示燈將一直亮紅燈；大概六分鐘后，上面板上的五個LED指示燈開始閃爍亮紅燈，這說明指示加熱器正在對激光頭內(nèi)產(chǎn)生激光的激光管進(jìn)行預(yù)熱；在給激光管預(yù)熱的六分鐘內(nèi)，若在這段時間內(nèi)將光閘打開，從激光頭內(nèi)射出的激光光束會時有時無；當(dāng)這五個指示燈從紅色變?yōu)榉€(wěn)定的黃色時說明激光管完成了預(yù)熱，但此時的激光光束是不穩(wěn)定的；再經(jīng)過幾秒鐘，指示燈開始穩(wěn)定的亮綠燈，這就說明激光可以穩(wěn)定發(fā)射，可以開始進(jìn)行測量。當(dāng)下一次XL激光頭進(jìn)行預(yù)熱的時候，五個LED燈將有不一樣的閃爍方式；當(dāng)激光頭打開電源開關(guān)進(jìn)行預(yù)熱時，激光頭上面板的五個LED指示燈全部亮黃色燈光，隨著五個LED指示燈的逐個熄滅，代表著激光頭目前在預(yù)熱順序中的哪一個步驟，當(dāng)最后一個黃色LED燈熄滅，表示激光頭已經(jīng)預(yù)熱結(jié)束，指示燈也開始有了新的作用——“光束強(qiáng)度”模式。當(dāng)激光開啟并保持穩(wěn)定了之后，上面板上的五個指示燈的作用就是顯示返回光束的強(qiáng)度，這樣可以表示激光與測量鏡組是否在一條直線上（準(zhǔn)直），也是一種不需要通過計算機(jī)就可以檢查返回激光頭的光強(qiáng)的一種簡便方法。圖2-1 激光頭關(guān)閉位置 圖2-2激光頭準(zhǔn)直位置圖2-3激光頭正常直徑準(zhǔn)直位置圖2-4激光頭測量位置圖2-5激光頭后面板圖2-6激光頭上面板1.1.2XC環(huán)境補(bǔ)償單元在極端環(huán)境條件下進(jìn)行測量或者在測量中環(huán)境發(fā)生了變化，會使加工零件精度降低，為了使加工零件誤差減小精度提高，我們就需要使用XC環(huán)境補(bǔ)償器來對激光光束的波長進(jìn)行補(bǔ)償，;如果我們沒有環(huán)境補(bǔ)償單元或者條件不方便使用環(huán)境補(bǔ)償單元,我們也可以手動在電腦上輸入環(huán)境條件,但是使用XC環(huán)境補(bǔ)償單元可以更方便進(jìn)行調(diào)節(jié),環(huán)境補(bǔ)償單元可以每七分鐘進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的更新,再根據(jù)更新過的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新精準(zhǔn)的補(bǔ)償,這樣就會使測量誤差更小。XC環(huán)境補(bǔ)償單元中包括XC補(bǔ)償器、USB輸送電纜、氣溫傳感器和材料溫度傳感器等。而XC補(bǔ)償器是XC補(bǔ)償單元最主要的部分。XC補(bǔ)償器上有前后兩個端面板,在XC補(bǔ)償器的后端面板上有一個USB插槽,還有一個顯示狀態(tài)的LED指示燈。USB插槽是給XC補(bǔ)償器提供電源的插槽,XC補(bǔ)償器通過USB電纜與計算機(jī)相連,再通過計算機(jī)給補(bǔ)償器供電。而在端面上的LED顯示燈會顯示補(bǔ)償系統(tǒng)是否被供電,是否可以正常工作。當(dāng)LED指示燈變?yōu)榫G色則表示補(bǔ)償系統(tǒng)可以正常工作,而如果LED顯示為紅色,這說明環(huán)境補(bǔ)償系統(tǒng)已經(jīng)接通了電源但是不能進(jìn)行測量。空氣壓力傳感器和相對濕度傳感器被安裝在XC環(huán)境補(bǔ)償器內(nèi)部,空氣溫度和材料溫度傳感器要通過電纜吸附在鋼或鑄鐵表面來進(jìn)行對環(huán)境的檢測;在環(huán)境補(bǔ)償器的側(cè)面,這六個指示燈是用來表示空氣壓力、相對濕度、空氣濕度和三個材料溫度傳感器是否可以正常工作的,補(bǔ)償單元在與電源連接后會詢問每個傳感器七秒;被詢問時指示燈變成黃燈;當(dāng)傳感器有效時,指示燈會變成綠燈;當(dāng)傳感器被詢問但無效時,指示燈會變成紅色。因XC補(bǔ)償單元會在極端環(huán)境下工作,所以盡量每年都校準(zhǔn)一次。也要注意的是不要使他們受到?jīng)_擊、震動,也不要使他們受到壓力或者潮濕,這些原因都會使校準(zhǔn)無效。圖2-6XC環(huán)境補(bǔ)償系統(tǒng)1.1.3測量鏡組測量鏡組是線性測量鏡組，角度測量鏡組和線性和角度組合鏡組的統(tǒng)稱。線性測量鏡組由分光鏡，兩個線性反射鏡和兩個光靶組成；角度測量鏡組由角度干涉鏡，角度反射鏡和兩個光靶組成；線性和角度組合鏡組由線性反射鏡及安裝螺釘，角度反射鏡，角度干涉鏡和兩個光靶組成。線性測量鏡組可以用來測量機(jī)床的線性定位精度，如下圖2-7所示。除了鏡組之外，為了使測量更加方便，我們可以使用一組安裝附件來把測量鏡組固定在被測量機(jī)床上。角度測量鏡組可以用于測量機(jī)床的角度位移，如下圖2-8所示，主要是來測量機(jī)床的線性軸之間的偏差，例如：俯仰角度和扭擺角度。本課題中因為線性光學(xué)組件不齊全，所以選用了角度光學(xué)鏡組和線性反射鏡進(jìn)行組合，設(shè)計出了線性誤差測量的光路。圖2-7線性測量鏡組圖2-8角度測量鏡組1.1.4LaserXL校準(zhǔn)軟件系統(tǒng)圖2-9是軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時的瞬間動態(tài)數(shù)據(jù)圖，軟件在采集數(shù)據(jù)前需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。設(shè)置參數(shù)首先要點(diǎn)擊左上角工具欄中顯示有1、2、3三個數(shù)字的標(biāo)號進(jìn)入測量向?qū)АＯ冗M(jìn)行目的設(shè)定，設(shè)置第一定位點(diǎn)（一般以0.000為第一定位點(diǎn)），設(shè)置最終定位點(diǎn)（最終定位點(diǎn)一般為測量距離最遠(yuǎn)點(diǎn)），間距值（間距值是隔多少距離采集一次數(shù)據(jù)），目標(biāo)數(shù)（一共采集多少數(shù)據(jù)）。再將采集數(shù)據(jù)啟動參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，定位方式測量次數(shù)選擇方向和誤差帶等。然后再進(jìn)行包括機(jī)器名稱、系列號、日期等標(biāo)題信息的設(shè)置，最后進(jìn)行采集方式（自動采集和手動采集）、最小停止周期等等的采集數(shù)據(jù)設(shè)定。圖2-9LaserXL校準(zhǔn)軟件系統(tǒng)1.2線性測量原理對機(jī)床的線性誤差進(jìn)行測量需要具有一個光學(xué)元件對于另一個光學(xué)元件進(jìn)行相對運(yùn)動。線性干涉鏡放置于固定的位置，將反射鏡放置于機(jī)床的各個測量軸上，激光從XL激光頭中射出，經(jīng)過線性干涉儀時被干涉儀中的分光鏡分成兩束光，一束光將被引在反射鏡上（反射鏡通過兩個外加螺絲固定安裝在分光鏡上），作為參考光線；而另外的一束光到達(dá)位于固定在測量上的反射鏡，作為測量光路。兩條光路反射回來后再干涉鏡匯合，一起返回到激光頭內(nèi)，再利用激光頭內(nèi)的探測器來測量線性誤差。圖2-10線性測量原理1.3角度測量原理與線性誤差測量相似，角度測量必須是一個光學(xué)組件相對于另一個光學(xué)組件旋轉(zhuǎn)。激光從激光干涉儀中射出后，經(jīng)過角度干涉儀中的分光鏡后被分成兩束，一束進(jìn)入到固定在機(jī)床上的角度反射鏡中，另一束激光通過分光鏡進(jìn)入固定在分光鏡上的反光鏡，通過反光鏡反射到角度反射鏡上，再反射回激光頭內(nèi)；在機(jī)床進(jìn)行線性運(yùn)動后，兩個反射鏡會進(jìn)行相對旋轉(zhuǎn)，相對旋轉(zhuǎn)后，兩束激光的相對位置會發(fā)生變化產(chǎn)生光程差；而光程差會被激光頭內(nèi)的探測器監(jiān)測測量出來