激光干涉儀的一種快速精準(zhǔn)校光方法——等比例偏幅調(diào)整法

史佳兆

(廣州市珠江機(jī)床廠有限公司研究院電氣部，廣東 廣州511450)

隨著高精度數(shù)控機(jī)床行業(yè)的快速發(fā)展，激光干涉儀在機(jī)床行業(yè)的使用越來越廣泛，然而其在使用過程中對(duì)激光光路的準(zhǔn)直調(diào)整卻一直是困擾廣大激光干涉儀用戶的一大問題，因?yàn)榧す飧缮鎯x在使用過程中光路準(zhǔn)直調(diào)整占用了很大一部分時(shí)間。目前大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)的激光干涉儀操作人員的校準(zhǔn)方法都是憑經(jīng)驗(yàn)，來回反復(fù)調(diào)整，也有人提出“高處動(dòng)尾部，低處動(dòng)整體”［1］的方法。其實(shí)后一種方法只是對(duì)前者的一種方法的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，后一種方法是從整體上把握了調(diào)整的方向，可以讓操作人員少走彎路，但并未提出一種定量的調(diào)整方法，所以在光路大體調(diào)整好后，還是靠經(jīng)驗(yàn)感覺反復(fù)進(jìn)行進(jìn)一步精調(diào)，所以光路準(zhǔn)直工作的效率還是亟待提高。本文以美國API 激光干涉儀為例，針對(duì)此問題提出了一種快速精準(zhǔn)校準(zhǔn)光路的方法——等比例偏幅分析法。

1 激光校準(zhǔn)原理

激光干涉儀是根據(jù)光學(xué)干涉基本原理設(shè)計(jì)而成的。具體到API 激光干涉儀，即激光器射出單一頻率波，當(dāng)此光束抵達(dá)偏振分光鏡時(shí)，會(huì)被分為兩道光束(一道反射光束和一道投射光束)，在這兩道光射向其反光鏡，然后透過分光鏡反射回去，在激光頭內(nèi)的探測(cè)器形成一道干涉光束，若光程差沒有任何變化，探測(cè)器會(huì)在每一次光程改變時(shí)，在相長性和相消性干涉的兩極找到變動(dòng)的信號(hào)。計(jì)算處理系統(tǒng)可以通過此變化來測(cè)量兩光程間差異變化。

2 等比例偏幅調(diào)整法基本原理

以數(shù)控立式加工中心比較費(fèi)時(shí)的Z軸光路校準(zhǔn)為例，如圖1，只有光路達(dá)到圖1 粗實(shí)線所示狀態(tài)的時(shí)候激光干涉儀才能正常地進(jìn)行工作，但實(shí)際使用的時(shí)候，我們?cè)诩す飧缮鎯x安裝的時(shí)候不可能一次安裝到位，基本上光路都是會(huì)偏離要求位置，如圖1 中點(diǎn)劃線所示。就此問題我們可以對(duì)圖中點(diǎn)劃線所示偏差光路進(jìn)行分析。如圖2，當(dāng)反光鏡在遠(yuǎn)端的時(shí)候，入射光經(jīng)過O點(diǎn)反射，落在反射鏡的O2點(diǎn)，當(dāng)反射鏡向下移動(dòng)距離d4的時(shí)候，入射光落在反射鏡上的O3點(diǎn)，那么在此過程中，入射光在反射鏡上面落點(diǎn)的偏差減小了d3，通過圖2 所示的幾何關(guān)系我們可得比例關(guān)系為

式中:d3就是偏幅變動(dòng)量;d4就是反射鏡的軸向移動(dòng)距離，具體到數(shù)控機(jī)床即就是裝有反射鏡頭的軸的移動(dòng)距離;d1就是反射鏡在遠(yuǎn)端的理論偏差量;d5就是反射鏡在最遠(yuǎn)端距離轉(zhuǎn)向鏡的距離。

由圖2 分析可知，如果可以求得d1，那么經(jīng)過轉(zhuǎn)向鏡的光路在反射鏡面上的理論落點(diǎn)O1就可知道，也就可以根據(jù)偏差量d1調(diào)整光路落點(diǎn)，使之落在O1點(diǎn)。這就是等比例偏幅調(diào)整法的基本原理。

3 問題分析解決

3.1 d3 的確定

由基本原理可知，d4的移動(dòng)量可以通過機(jī)床坐標(biāo)求得，d5可以通過卷尺測(cè)得，而由于反光鏡面上一般是沒有坐標(biāo)尺的，所以d3無法直觀F 從反射鏡面上取得。但我們可以制作一種輔助工具，我們稱之為“對(duì)光坐標(biāo)尺”，后面簡稱“坐標(biāo)尺”，如圖3 所示。

通過此坐標(biāo)尺，當(dāng)Z軸向下移動(dòng)一定距離，光線落點(diǎn)(如圖4 中所示P1)坐標(biāo)就可以從坐標(biāo)尺上讀出。例如P1點(diǎn)的坐標(biāo)位置為(方向α =142.5°，幅度d3=10 mm)，就可以求得d3的變化量。

3.2 理論坐標(biāo)點(diǎn)P2 的確定

在d3確定后，根據(jù)式(1)就可求得d1，也就可求得P2點(diǎn)的坐標(biāo)(方向α，幅度d1)，注意P2點(diǎn)的方向與P1的方向保持一致。

4 操作方法

(1)光路粗調(diào)

用坐標(biāo)尺替代反光鏡，將坐標(biāo)尺置于行程遠(yuǎn)端，用水平儀調(diào)平，粗調(diào)激光頭和轉(zhuǎn)向鏡安裝支架，使入射光經(jīng)轉(zhuǎn)向鏡后落在坐標(biāo)尺的范圍內(nèi)。

(2)測(cè)量偏差量d3

調(diào)整X、Y軸使光線落在坐標(biāo)尺的中心位置，然后向下移動(dòng)Z軸一定距離d4(移動(dòng)距離以便于計(jì)算和便于坐標(biāo)尺讀數(shù)為原則)，然后觀察光線在坐標(biāo)尺面上的落點(diǎn)，讀取坐標(biāo)位置。

(3)計(jì)算理論偏差量d1

根據(jù)式(1)可以求得坐標(biāo)尺在原位置時(shí)的光線理論偏差量。

(4)光路精調(diào)

將Z軸返回原位置，根據(jù)計(jì)算出的d1，調(diào)整轉(zhuǎn)向鏡頭背部調(diào)整螺釘，使光線落點(diǎn)沿原偏差方向移動(dòng)d1距離，即達(dá)到理論落點(diǎn)，至此光路與Z軸已達(dá)到平行。

(5)安裝反光鏡

完成以上步驟后安裝上反光鏡，用水平儀調(diào)平，然后移動(dòng)X、Y軸至激光點(diǎn)打在要求落點(diǎn)即可。

5 結(jié)語

由以上分析可知，通過等比例偏幅調(diào)整方法，操作人員可以按照一定的規(guī)范和步驟快速、精確地一次性定量地將光路調(diào)整到位，避免工人根據(jù)個(gè)人感覺反復(fù)調(diào)整，極大地提高了工人的工作效率，降低對(duì)工人工作經(jīng)驗(yàn)的要求，可以極大提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

［1］魏純. 激光干涉使用技巧［J］. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2007(10):38-39.