CN108693123A - 激光干涉仪测量导轨直线运动精度的一种快速校准方法 - Google Patents

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任伟达
刘志峰
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
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Abstract

本发明公开了激光干涉仪测量导轨直线运动精度的一种快速校准方法，利用平面镜镜像反射的原理，选取与待测量直线运动单元垂直的平面，放置平面镜，调节激光头倾角，使后期校准更加精密快速。从优化功能和简化结构等方面考虑，在现有的激光干涉仪激光校准规则基础上建立了一种新的更加简单快速的校准方法，该方法避免了长时间反复对准激光光束，能够有效确保激光头的初始位置正确，为后续调光节省时间。

Description

激光干涉仪测量导轨直线运动精度的一种快速校准方法
技术领域
本发明涉及机械工程领域及测试测量技术领域，具体涉及激光干涉仪测量导轨直线运动精度的一种快速校准方法，辅助激光干涉仪在测量导轨直线运动过程中进行激光光束的快速校准。
背景技术
精密数控机床作为机械加工行业的基础设备，其性能直接影响到加工的精度，从而决定了加工产品的品质。而衡量数控机床设计与使用性能的重要指标是数控机床的精度。数控机床的几何误差是构成数控机床加工误差的主要误差源之一，也是影响机床精度和性能最为关键的因素，因此，机床几何精度的检测对于减小误差和误差的补偿就显得尤为重要。目前常用的机床精度测量工具有激光干涉仪、平面正交光栅、球杆仪等测量装置。其中，激光干涉仪以激光波长为载体，其光波波长可以直接对米进行定义，是迄今公认的高精度、高灵敏度的测量仪器，被广泛应用于数控机床的几何精度检测、动态性能检测等高端制造领域。
激光干涉仪通常由外部计算机及其应用软件控制，通过无线收发装置进行信号的收发与传输，可同时测量包括线性误差、水平面直线度误差(XX)、垂直面直线度误差(YY)、水平面内的偏摆角(A)、垂直面内的俯仰角(B)以及绕测量轴旋转的滚摆角(C)在内的6项误差。
激光干涉仪的主要系统组件包括激光头(带有干涉仪)、传感器、滚摆角参考传感器、传感单元无线收发器、五棱镜、转向镜、天线、磁性基座等。
在使用激光干涉仪进行直线运动精度测量时，需要使激光头的射出激光与直线运动单元尽可能平行，否则无法实现正常测量。然而，激光干涉仪使用精度要求极高，需要满足测量量程内最大误差不超过±0.3mm(0,012英寸)的使用条件方可测量，而按照其原有说明步骤进行调整则费时费力，若是初期定位偏差较大，甚至会出现无法使用的问题。
发明内容
本发明提供了一种激光干涉仪测量导轨直线运动精度的快速校准方法，较现有的激光光束校准规则相比增加了实用性和方便性等诸多优点。
激光干涉仪校准激光光束的基本规则为：当激光头和传感单元(即传感器及其支撑部件)距离最近时，通过调整机床床身位置或传感单元位置，来调整传感单元相对于激光头的横向位置；当激光头和传感单元距离最远时，通过调整激光头快速对准夹具上的调整螺钉来改变光束方向。
上述对准方法存在以下缺陷：
1、没有对激光头和传感单元的初始绝对位置进行校准。直接通过调整相对位置来调整激光光束很难确认激光头在竖直方向和水平方向是否有偏移，因此发射出的激光光束很可能在竖直方向有俯仰或水平方向有偏差。
2、耗时过长。很难确保在导轨的直线运动整个行程范围内，激光光束始终能够打在传感单元的光束接收口，反射出的光束也很难进入激光头的光束接收口。
针对以上缺陷，本发明提出激光干涉仪测量导轨直线运动精度的一种快速校准方法。
利用平面镜镜像反射的原理，选取与待测量直线运动单元(如：导轨)垂直的平面，放置平面镜，调节激光头水平和竖直方向的倾角，使其发射的激光光束经镜面反射后恰好射回发射孔，从而确保发射出的激光光束与待测量直线运动单元的快速平行，使后期校准更加精密快速。
附图说明
图1直线工作台模型简图。
图2激光干涉仪测量导轨直线运动精度快速校准原理示意图。
图3初次调光示意图。
图4调准传感单元示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细解释。
激光干涉仪测量导轨直线运动精度的一种快速校准方法，其特征在于利用平面镜镜像反射的原理，选取与待测量直线运动单元垂直的平面，放置平面镜，调节激光头倾角，使后期校准更加精密快速。从优化功能和简化结构等方面考虑，在现有的激光干涉仪激光校准规则基础上建立了一种新的更加简单快速的校准方法，该方法避免了长时间反复对准激光光束，能够有效确保激光头的初始位置正确，为后续调光节省时间。
利用平面镜镜像反射的原理，选取与待测量直线运动单元(如：导轨)垂直的平面，放置平面镜，调节激光头水平和竖直方向的倾角，使其发射的激光光束经镜面反射后恰好射回发射孔，从而确保发射出的激光光束与待测量直线运动单元的快速平行，使后期校准更加精密快速。
S1、预备。根据待测量直线运动单元确定激光干涉仪的激光头和无线收发器的位置，将激光头用水平仪双向尽量调水平，对准待测直线，并完成接线及电脑线缆的连接，启动激光头并完成预热，预热过程需20分钟左右。
S2、取面。观察待测量的直线运动单元(以直线工作台为例，如图1)，横梁的设计结构与待测量直线运动单元垂直，选取横梁表面作为平面镜放置面，选取一块镜面干净平整且厚度一致的平面镜，用粘结或者手压的方式，使其可能紧密地连接在平面镜放置面上，如图2。
S3、初次调光。如图3，平面镜放置好后，使激光头发射出的激光光束在平面镜正中。调节激光头下侧的调节旋钮，使射出的激光光束经镜面反射出的光线所形成的红色光点入射回激光头的激光发射口。
S4、后续调光。初次调光后，将平面镜绕激光束旋转180°，再次将平面镜尽量压平在平面镜放置面上，观察反射回的光点的位置，调节激光头的调节旋钮使反射光点靠近发射口。继续将平面镜绕激光束旋转180°，重复1～2次，直到平面镜旋转180°前后的反射光点连线的中点恰好为激光头的发射点时停止。后续调光的目的是为了消除左右手的力量误差和平面镜前后表面的平行误差。如必要，通过多次平面镜旋转180°和压紧进行调光校准。此步完成后，认为激光头射出激光与直线运动单元基本平行。此时除调节旋钮之外，不再移动或触碰激光头，移走平面镜。
S5、调准传感单元。如图4，将双旋钮垂直于导轨，放置传感器及磁性基座构成的传感单元，使得由激光头下窗口射出的激光光束射在传感器上旋转盖中央的小反射镜上，此时按激光校准规则进行后续调光即可。
由于上述方法的运用，本发明与现有激光干涉仪校准方法相比具有下列优点：
1、更加省时。确保在导轨的直线运动整个行程范围内，激光光束始终能够打在传感单元的光束接收口，反射出的光束也更加容易入射到激光头的光束接收口。
2、通过对激光头和传感单元的初始绝对位置进行校准，确认激光头在竖直方向和水平方向是否有偏移，从而减小发射出的激光光束在竖直方向的俯仰或水平方向的偏差。
3、不需要再设计分光镜，结构简单，成本降低，同时增加了实用性，使得激光对准操作起来更加易于上手。

Claims (1)

1.激光干涉仪测量导轨直线运动精度的一种快速校准方法，其特征在于：利用平面镜镜像反射的原理，选取与待测量直线运动单元垂直的平面，放置平面镜，调节激光头水平和竖直方向的倾角，使其发射的激光光束经镜面反射后恰好射回发射孔，从而确保发射出的激光光束与待测量直线运动单元的快速平行，使后期校准更加精密快速；
S1、预备；根据待测量直线运动单元确定激光干涉仪的激光头和无线收发器的位置，将激光头用水平仪双向尽量调水平，对准待测直线，并完成接线及电脑线缆的连接，启动激光头并完成预热，预热过程需20分钟左右；
S2、取面；观察待测量的直线运动单元，横梁的设计结构与待测量直线运动单元垂直，选取横梁表面作为平面镜放置面，选取一块镜面干净平整且厚度一致的平面镜，用粘结或者手压的方式，使其可能紧密地连接在平面镜放置面上；
S3、初次调光；平面镜放置好后，使激光头发射出的激光光束在平面镜正中；调节激光头下侧的调节旋钮，使射出的激光光束经镜面反射出的光线所形成的红色光点入射回激光头的激光发射口；
S4、后续调光；初次调光后，将平面镜绕激光束旋转180°，再次将平面镜尽量压平在平面镜放置面上，观察反射回的光点的位置，调节激光头的调节旋钮使反射光点靠近发射口；继续将平面镜绕激光束旋转180°，重复1～2次，直到平面镜旋转180°前后的反射光点连线的中点恰好为激光头的发射点时停止；后续调光的目的是为了消除左右手的力量误差和平面镜前后表面的平行误差；如必要，通过多次平面镜旋转180°和压紧进行调光校准；此步完成后，认为激光头射出激光与直线运动单元基本平行；此时除调节旋钮之外，不再移动或触碰激光头，移走平面镜；
S5、调准传感单元；将双旋钮垂直于导轨，放置传感器及磁性基座构成的传感单元，使得由激光头下窗口射出的激光光束射在传感器上旋转盖中央的小反射镜上，此时按激光校准规则进行后续调光即可。
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