激光干涉仪：机床精度如何测量

• 1
  激光干涉仪测量什么
• 2
  单轴五个自由度
• 3
  毁掉好数据的六类误差源
• 4
  如何做经得起质疑的校准
• 5
  该方法的局限
• 6
  激光干涉仪与其他机床检测对比

激光干涉仪不像卡尺那样直接测位置，它数的是干涉条纹。稳频激光束被分成参考光路和测量光路。测量光束射向装在运动轴上的角锥反射镜，返回后与参考光束重新合束。两束同相时形成亮条纹，相消时形成暗条纹。

激光波长已知且稳定，每穿过一条条纹就对应一段精确的位移。常用氦氖光源波长为 632.8 nm。数出条纹数，再按光束所经空气的折射率修正，就得到位移。原理就这些。

分辨率来自条纹细分，而不只靠波长本身。好的电子系统能把一条条纹细分成数百份，因此系统在 1 m 行程上可读到 1 nm 或更好。

这就是激光干涉仪位于计量链顶端的原因。它不拿会磨损的实物基准比对你的轴，而是拿光来比对。

• 1
  参考光束留在干涉头内它为测量光束提供相位基准。
• 2
  角锥反射镜随轴运动角锥棱镜使回程光束与入射方向平行，轻微失准不会中断信号。
• 3
  条纹计数即位移波长与空气折射率把计数换算成毫米。

单条线性光路可测沿运动方向的定位误差。加装光学件后，同一束光还能读出更多信息。标准配置可测单轴六个自由度中的五个：线性定位、水平直线度、垂直直线度、俯仰和偏摆。滚转通常需要单独的电子水平仪或不同的光路布置。

这对机床很重要，因为各项误差并不独立。长 X 轴上的偏摆会变成刀尖处的直线度误差，俯仰会把轴弯成弧线。只查定位，可能放过一台仍在切出锥度的机床。

对五轴加工中心，情况更复杂。旋转轴会带来自身的角度误差，线性误差与旋转误差叠加。我们的 16 台五轴联动加工中心就是这样校准的，因为试切块上 ±0.005 mm 合格的零件，转台一摆动仍可能超差。

并非每家工厂都需要全部五项。做平面加工的 3 轴铣床，线性定位加直线度往往就够。车铣复合中心或加工长零件的机床通常还需要角度项。

• 1
  线性定位沿运动方向的误差，基础检查项。
• 2
  两个平面的直线度轴相对真实直线的水平和垂直漂移。
• 3
  俯仰和偏摆在垂直面和水平面内的角度倾斜。
• 4
  滚转绕运动方向的转动，需要额外硬件。

仪器本身比周围环境更可靠。多数糟糕的激光干涉仪结果都能追溯到少数几类原因，且大多与温度有关。

空气温度是首要因素。环境温度变化 1 °C 就足以改变折射率，使读数漂移约 1 ppm。在 1 m 轴上约相当于 1 µm 的虚假误差。补偿传感器必须放在光束路径中，而不是机床立柱上，否则修正的是错误的空气。

气压和湿度同理。两小时校准过程中一场锋面过境就会让曲线弯曲。记录环境数据，剔除漂移时段的测量。

机床本身是第二个问题。钢制丝杠热膨胀约 10.8 ppm/°C，1 m 丝杠升温 1 °C，末端就移动近 10.8 µm。未充分热平衡的机床报出的误差其实只是热伸长。开始前让机床过夜热平衡。

第三是死程。即反射镜处于零位时，干涉仪到测量起点之间的距离。死程中的空气变化而光束不动时，计数照样漂移。死程要短，且与测量光路处于同一空气环境。

最后是余弦误差。光束与运动方向不平行时，每个读数都按失准角的余弦缩放。1° 时可忽略，5° 时不行。相信微米级数据前，先用千分表对准光学件。

• 1
  空气温度约 1 ppm/°C。传感器放在光束路径中，不放在铸件上。
• 2
  气压和湿度测量期间天气变化会污染曲线。
• 3
  机床热伸长钢制丝杠约 10.8 ppm/°C。先让机床热平衡。
• 4
  死程漂移光束不动时死程空气变化仍被计为位移。

让机床处于已知的热状态。如果机床刚运行过，让它空转至温度稳定；更好的做法是从冷态开始并记录预热过程。在测量开始、中间和结束时记录环境温度、气压和湿度。如果这些数值有变化，本次测量结果就不可信。

刚性安装光学元件。测量中途位移几微米的磁性底座会在数据中表现为台阶。用千分表将光束对准轴线，并检查靶标上的回光点。

多次测量并对比。单次测量只说明某一次发生了什么。三次测量才能说明哪些是可重复的。如果各次测量之间定位曲线形状发生变化，说明存在热或机械问题，而不是测量问题。

将结果输入机床误差补偿表。大多数现代控制系统接受各轴的螺距、直线度和定位修正。补偿后重新测量以确认修正有效，并在之后再次检查，看机床是否在数月内发生漂移。

对我们自己的车间来说，正是同样的规范支撑着我们报出的 ±0.005 mm 公差。未经校准的机床无法保证这个数值，无论操作员多优秀。

• 1
  环境记录三次开始、中间、结束。数值有变化说明本次测量不可靠。
• 2
  测量前先对准千分表打光学元件，回光点落在靶标上。
• 3
  至少三次测量重复性比一条漂亮的曲线更重要。

激光干涉仪是位移测量仪器。它测量沿光束的运动，而不是成品零件的几何形状。如果你想知道内孔是否圆、平面是否平，需要三坐标测量机或圆度仪。这两种工具回答的是不同的问题。

它也很慢。完整五轴体积校准可能需要一天甚至更久，期间机床不能切削。对于三班倒的车间，这段停机有实际成本，所以要围绕生产来安排校准，而不是反过来。

光束需要通视。带防护罩、导轨防护罩或光路中有转台的大型机床，可能需要移开防护罩或将装夹分段。这会增加时间，也增加光学元件移位的可能。

而且它只反映机床在那一刻、那个热状态下的情况。它是一张快照，不是保证。定期重新测量才能让这个数值保持可信。

• 1
  测位移，不测形状圆度、平面度和位置度用三坐标测量机。
• 2
  测量期间机床停机要围绕生产排期，不要占用生产时间。
• 3
  需要通视防护罩和转台可能迫使装夹分段进行。