激光測量技術(shù)在機床誤差測量與分析中的應(yīng)用比較?

劉海燕，馬小斌

（1.陜西秦川機械發(fā)展股份有限公司，陜西 寶雞 721009；2.陜西寶光真空電器股份有限公司，陜西 寶雞 721006）

0 引言

利用激光技術(shù)可以高速測量零件表面和檢查關(guān)鍵尺寸，可以在零件上測量許多點而不產(chǎn)生變形或留下痕跡，特別在機床制造行業(yè)的應(yīng)用，使其成為提高機床產(chǎn)品精度的有力助手。其中激光干涉儀和激光跟蹤儀是目前機床精度檢測應(yīng)用最廣泛的激光測量設(shè)備。

1 激光干涉儀和激光跟蹤儀的工作原理

1.1 激光干涉儀的工作原理

激光干涉儀是一種所謂“增量法”測長的儀器，它以干涉條紋來反映被測件的信息，將光分成兩路，干涉條紋是兩路光光程差相同點連成的軌跡。其原理是以激光波長為已知長度，利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)測量位移，當被測對象移動時，條紋亮暗交替變化，記錄變化次數(shù)，即求得被測長度。

Renishaw 的新型激光干涉儀（見圖1）能提供最大4m／s的測量速度和50kHz的記錄速率，即使在最高的數(shù)據(jù)記錄速率下，系統(tǒng)準確性也可達到±0.000 5‰（線性模式）和1nm 的分辨率。

1.2 激光跟蹤儀的工作原理

激光跟蹤系統(tǒng)（Laser Tracker System）是工業(yè)測量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測量儀器。激光跟蹤儀與傳統(tǒng)激光干涉儀測量原理的最大不同在于它采用多步法體積定位的測量方法，能對一臺三軸機床的所有21項誤差進行快速高效地測量和捕捉，其分辨率達到1nm，測量長度從幾厘米到十幾米。

圖1 激光干涉儀

激光跟蹤儀由激光跟蹤頭、控制器、用戶計算機、反射器（靶鏡）及測量附件等組成，如圖2所示。其工作基本原理是在目標點上安置一個反射器，跟蹤頭發(fā)出的激光射到反射器上，又返回到跟蹤頭，當目標移動時，跟蹤頭調(diào)整光束方向來對準目標。同時，返回光束為檢測系統(tǒng)所接收，用來測算目標的空間位置。

圖2 激光跟蹤儀構(gòu)造原理

2 測量應(yīng)用

2.1 激光干涉儀測量應(yīng)用

雷尼紹激光干涉儀XL－80系統(tǒng)的基礎(chǔ)組件是一個輕型激光頭（XL80）和一個獨立的補償單元系統(tǒng)（XC80），XL80和XC80可經(jīng)由USB直接與計算機連接，再加上一套測量光學(xué)鏡組，就可對機床做線性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等測量。

使用雷尼紹激光干涉儀XL－80對QMK009磨齒機C 軸重復(fù)定位精度進行測量（共測量10 次），其測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 XL－80激光干涉儀所測QMK009磨齒機C 軸定位誤差曲線

2.2 激光跟蹤儀測量應(yīng)用

應(yīng)用ETALON 激光跟蹤儀對弧齒錐齒砂輪磨齒機QMK009的臺面伺服軸的定位精度進行測量，機床伺服旋轉(zhuǎn)軸的誤差測量配置方案如圖4所示。為了得到精確可信的誤差分量，將跟蹤儀（Tracer）在臺面上布置3個位置，在每個位置上反射鏡（Reflector）在機床直線軸運動空間范圍內(nèi)布置4個測量點。測量時，跟蹤儀隨回轉(zhuǎn)臺面一起作正向和負向轉(zhuǎn)動，一次完整的測量，回轉(zhuǎn)臺面至少需要正向和反向轉(zhuǎn)動各12次。

最后通過軟件TRAC－CAL 的Evaluate模塊對所測量的數(shù)據(jù)進行計算分析，可精確分析出旋轉(zhuǎn)軸在不同相位時空間的6個自由度誤差向量，測量結(jié)果如圖5所示。

3 測量結(jié)果比較

將激光跟蹤儀和激光干涉儀對QMK009臺面C軸定位精度的檢測結(jié)果統(tǒng)一換算單位后可以看出，兩者所測定位精度的誤差曲線相似，測量結(jié)果一致。

圖4 QMK009臺面C 軸誤差測量配置

圖5 激光跟蹤儀所測QMK009磨齒機C 軸定位誤差曲線

激光跟蹤儀采用飛行采樣方式，在測量過程中無須停機采樣檢測，節(jié)約了測量時間和編程時間，測量系統(tǒng)中無須分光鏡，因此對光極其方便。

激光干涉儀配合各種折射鏡、反射鏡等可用來作線性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等的測量工作，并可作為精密工具機或測量儀器的校正工作。

4 結(jié)論

比較激光干涉儀與激光跟蹤儀測量機床誤差的原理與功能，其對同一對象的測量結(jié)果一致。激光測量技術(shù)操作簡單、功能強大、效率高、精度高、補償效果好，能幫助我們高效率、高精度地檢測機床產(chǎn)品的精度，從而制造出高精度、高質(zhì)量的機床產(chǎn)品。