激光干涉仪精密测量导轨平行度与垂直度

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  激光干涉仪如何把光变成长度
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  沿导轨测量平行度
• 3
  轴间垂直度与直角性
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  干涉仪不适用的场合
• 5
  信任导轨测量结果前的五项检查
• 6
  激光干涉仪与千分表、花岗岩直角尺对比

激光干涉仪把一束光分成两束。参考光束留在测量头内；测量光束射向安装在运动部件上的反射镜。两束光重新汇合时，按光程差叠加或抵消。每移动半个波长，信号就从亮变暗一次。

这个明暗翻转就是计数单位。633 nm 的氦氖光源每移动 316.4 nm 产生一个条纹，电子部分在条纹之间插值，可分辨到几纳米。读数不是标尺上的位置，而是反射镜移动了多少个半波长的连续计数。

由于计数是差分式的，漂移比绝对精度更重要。空气温度、压力和湿度会改变光束路径的折射率，1 m 路径上温度升高 1 °C，读数约偏移 0.9 μm，除非补偿器进行修正。

用于导轨时，干涉仪通常有三种模式：沿导轨的线性位移、水平面内的直线度、垂直面内的直线度。转台或一对反射镜可把同一光束转换为角度和直角性数据。

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  波长633 nm 氦氖，每移动 316.4 nm 一个条纹
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  分辨率插值可达几纳米
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  主要误差空气折射率，而非激光头
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  补偿光束路径上的温度、压力和湿度传感器

平行度回答一个简单问题：导轨在全行程内与基准线的偏移是否保持一致？基准可以是第二根导轨、主轴轴线或床身基准。你不直接测导轨，而是测移动中的滑座，把它的轨迹与基准比较。

装夹时先把激光头固定在床身上，反射镜装在滑座上。光束必须无遮挡地覆盖全行程。对 4,000 mm 导轨，激光头处 1 mm 的光束偏移到远端仍是 1 mm，所以要先让光束对准导轨轴线，再采信任何数据。

让滑座分步移动，通常每步 50 mm 或 100 mm，每点停留。记录所关心平面内的直线度读数。重复三次。若三条曲线相差超过 2 μm，说明是装夹在动，不是机床在动。

平行导轨副看的是两条曲线的差值，而不是单条曲线。两根导轨同向弯曲 15 μm 是平行的；一根弯 15 μm、另一根弯 3 μm 则不平行。

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  步距沿行程 50–100 mm，每点停留
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  重复次数三条曲线；离散超过 2 μm 说明装夹松动
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  导轨副判断两条曲线的差值
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  温度测量前让机床热稳定 2–4 小时

垂直度比较两条应成 90° 的轴。在加工中心上通常是 X 与 Y 导轨，或立柱对床身。干涉仪在一轴上用直线度装夹测量，再用光学直角尺把光束折转 90° 进入第二轴。

读数是角度，以角秒或微米每米表示。1 角秒约等于每米 4.85 μm。立柱倾斜 10 角秒，在 1 m 行程上偏差 48.5 μm，远超精密机床可接受的范围。

光学直角尺是薄弱环节。它自身的直角误差通常为 1–2 角秒，会直接叠加到结果中。测量前用花岗岩直角尺或已知基准校准，并保持直角尺清洁；安装面下的灰尘会使光束倾斜。

垂直度误差通常来自机床，而非测量。立柱热伸长、导轨磨损，或在温热地面上调平的床身，都会反映出来。调整前应在完整预热循环后重新测量。

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  单位换算1 角秒 ≈ 每米 4.85 μm
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  光学直角尺自身引入 1–2 角秒误差
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  典型目标精密加工中心低于 5 角秒
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  最佳测量时机2–4 小时预热循环之后

干涉仪测量的是沿光束的位移，不测形状。一根弯曲 20 μm 的导轨和一根扭曲 20 μm 的导轨可能给出相似的直线度曲线，因为反射镜在其孔径内取平均。若需要形状，用平尺配灵敏千分表，或轮廓扫描仪。

短行程是另一种不匹配。低于约 300 mm 时，激光测量的装夹时间往往超过数据本身的价值。刚性表架上的千分表，或配塞尺的花岗岩直角尺，几分钟就能给出答案。

脏污环境是实际限制。切屑、切削液雾和焊接烟尘会打断光束并造成信号丢失。在刚切削过的机床上，先清理导轨区域，等油雾沉降后再安装任何东西。

最后，仪器不能修复机床。它只报告一个数值。如果导轨超差，工作就是刮研、加垫片并重新调平床身，然后再次测量。预留两到三次迭代的时间。

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  不用于形状测量弯曲和扭曲用直尺和千分表
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  300 mm 以下通常用千分表更快
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  车间空气脏切屑和油雾会导致信号丢失
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  规划迭代预计两到三次调整与测量循环