激光干涉仪在机床精度检测中的应用
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摘要：激光干涉仪主要是依靠激光波长作为长度计量单位的高精度测量设备，双频激光干涉仪的应用，借助于自身性能稳定、检测精确度高以及数据信息可靠等优势，逐渐成为高精密机械检测中的重要仪器，在机床精度检测过程中得到了非常普遍的应用。本文主要分析了激光干涉仪的基本原理，探讨了其在机床精度检测中的测量误差及控制策略，以期进一步促进其检测结果精准度的提升。
关键词：激光干涉仪;机床;精度检测
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。
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、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0.5h，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40mm）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15min进行记录，运行3h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0.15mm，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。
三、激光干涉仪在机床精度检测中应用的测量误差
（一）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[1]，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。
（二）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3.3mbar，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。
（三）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。
四、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5min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，其中的核心參数如进给速度、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。
五、结语
现阶段，即便激光干涉仪表现出测量精度高、环境适应能力强且可以实现动态测量等优势，然而在实际检测活动中依旧必须要考虑到各种影响因素，采取有效对策来降低误差，促进检测结果准确度的提升。
参考文献
司立坤，马建伟，贾振元.激光干涉仪测量机床精度的准直调节技巧[J].实验室科学，2018，21（5）：72–74+78.
邓玉湖，王丽红，丘友青.激光干涉仪在数控机床定位精度测量中的误差控制[J].工业计量，2018，28（S1）：12–14.
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