CN116661163B - 一种激光干涉仪准直装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光干涉仪调整技术领域，特别是涉及一种激光干涉仪准直装置和方法，所述准直装置包括反射镜工装以及激光发生器辅助板；反射镜工装包括连接件、安装板以及两组检测装置；安装板底部还设有Z轴反射镜，Z轴反射镜下安装有折光镜连接件用于将反射镜工装安装在机床主轴上；每组检测装置都包括反射镜和激光笔；激光发生器辅助板用于安装激光发生器，激光发生器辅助板上还设置有标靶，安装后的激光发生器的光线发射孔与标靶的距离恒定，且该距离与同组检测装置中的激光笔和反射镜之间的间距相等。通过本装置和方法，解决了激光干涉仪光路准直耗时耗力和效率低下的问题。

Description

一种激光干涉仪准直装置和方法

技术领域

本发明涉及激光干涉仪调整技术领域，特别是涉及一种激光干涉仪准直装置和方法。

背景技术

随着机械技术、电气技术及数控技术的快速发展，数控加工中心的加工精度越来越高，数控加工中心的精度是数控加工中心的重要指标之一。定位精度是数控加工中心精度指标中重要的一项，目前定位精度的检测主要使用激光干涉仪测距进行。激光干涉仪，是以激光光波为已知长度，利用迈克尔逊干涉原理进行位移测量的仪器，主要使用稳频氦氖激光为光源，具有测量精度高、使用方便的特点。

激光干涉仪进行正常测量的前提是激光干涉仪的光路准直，为减小阿贝误差和余弦误差，需使光路尽量与测量轴线平行。光路准直是激光干涉仪使用中的难点，且光路准直往往耗费大量的时间，对工程师的经验要求较高。目前激光干涉仪光路的准直主要依靠手动进行调节，工程师先将反射镜安装于待测移动部位上，然后将激光干涉仪安装在固定处，调节激光干涉仪的位置、高度、垂直俯仰角和水平偏摆角，最终保持激光干涉仪发出的激光在全行程内都与反射镜共线。也有部分学者研究了激光干涉仪的各种准直装置及方法。

现有技术中，提出了公开号为CN208125051U，公开日为2018年11月20日的中国实用新型专利文件，该专利文献公开了一种激光干涉仪用光路快速调整装置，可实现激光光路的快速准直，设置有升降机构及纵向滑道，装置体积较大、结构复杂，且需要额外的激光测距仪，安装使用多有不便。现有技术中，提出了公开号为CN108693123A，公开日为2018年10月23日的中国发明专利文件，该专利文献公开了一种快速校准方法，利用平面镜径向反射的原理，选取与待测量直线运动单元垂直的平面放置平面镜，利用反射回来的光线进行光路调整，其调节方法与直接在被测对象上直接架设反射镜并无差别。

激光干涉仪光路准直的难点是激光干涉仪初始位置及姿态的确定以及保证反射镜与被测轴线在水平和垂直两个方向上平行，上述装置及方法没有改变激光干涉仪光路准直的难点，光路准直困难。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种激光干涉仪准直装置和方法，解决了激光干涉仪光路准直耗时耗力和效率低下的问题，减少激光干涉仪光路准直对工程师经验的依赖，减少企业的停工成本和人力成本。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种激光干涉仪准直装置，包括反射镜工装以及激光发生器辅助板；所述反射镜工装包括连接件、安装板以及两组安装在安装板上的、分别用于对X轴和Y轴进行检测的检测装置；所述安装板底部还设有Z轴反射镜，所述Z轴反射镜下安装有折光镜，用于对Z轴进行检测；所述连接件用于将反射镜工装安装在机床主轴上；每组检测装置都包括反射镜和激光笔；所述激光发生器辅助板用于安装激光发生器，激光发生器辅助板上还设置有标靶，安装后的激光发生器的光线发射孔与标靶的距离恒定，且该距离与同组检测装置中的激光笔和反射镜之间的间距相等。

所述连接件包括相连的连接杆和连接板，所述连接杆用于与机床主轴相连；所述安装板上设有螺纹，所述连接板与安装板之间通过螺钉连接。

所述Z轴反射镜通过Z轴反射镜安装位固定在安装板的底部；每组检测装置中的激光笔通过激光笔安装位固定在安装板上，反射镜通过反射镜安装位固定在安装板上。

所述Z轴反射镜安装位上设置有凹槽，所述Z轴反射镜固定在该凹槽内，该凹槽与其中一个反射镜安装位在水平方向的投影重合。

所述安装板为方形板，相邻两边为定位边，所述反射镜安装位和激光笔安装位的边分别与所述定位边平行；所述激光笔的轴线与反射镜的轴线处于同一水平面。

一种激光干涉仪准直方法，包括以下步骤：

X轴和Y轴激光光线的准直：将反射镜工装与机床主轴相连，调整激光发生器使其大致水平，再整体调整激光发生器端的偏摆位置使激光发生器发出光线落在反射镜上的工作位置区域，同时使激光笔发射出的激光落在激光发生器辅助板的标靶上，完成X轴和Y轴激光光线的准直；

Z轴光路准直：将机床Z轴升高，在Z轴反射镜下方架设折光镜，实现Z轴光路准直。

所述 X轴和Y轴激光光线的准直过程中还包括：对反射镜工装的位置进行调整，使得激光笔发出的激光与机床待测轴线平行；具体指：将反射镜工装安装在机床主轴上后，调整安装板的位置使其保持水平，再调整安装板的角度，使得激光笔与机床待测轴线平行。

调整安装板的位置使其保持水平具体指：通过调整螺钉的旋入量，使得安装板保持水平。

调整安装板的角度具体包括：

将安装板调整到初始位置，再通过主轴调整安装板的角度，使得激光笔与机床待测轴线平行；其中将安装板调整到初始位置具体指：利用百分表与安装板的定位边接触，机床、主轴以及反射镜工装一并沿定位边的方向运行，直至每移动100mm百分表的读数稳定在0.01mm以内。

当进行XY轴联动轨迹定位精度检查时，调整安装板的角度具体包括：

根据检测的行程使用三角函数计算出X轴与Y轴的夹角：

其中，表示Y轴检测行程，/>表示X轴检测行程；

在反射镜工装下方的机床工作台上画出与X轴或Y轴平行的一条线，再画出一个夹角为α的角度，得到角度线，调整反射镜工装，使其定位边与画出的角度线平行。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

1、本发明能实现反射镜工装与机床运动轴线平行，同时依靠激光发生器的光线发射孔和激光发生器辅助板上的标靶距离与激光笔和反射镜之间距离相等可获得两束平行光线的原理，避免了反射镜安装的初始误差，节省了大量的光路准直时间，降低了对操作人员的经验要求。

本发明通过平行光路快速对激光干涉仪光路进行准直，解决了激光干涉仪初始安装位置无法准确确定导致的激光干涉仪调整困难的问题。该装置和方法降低了对工程师经验的依赖和要求，提高了激光干涉仪光路准直效率，减少了因精度检测导致的设备停工，具有显著的经济和社会效益。

2、本发明中，安装板上设有螺纹，所述连接板与安装板之间通过螺钉连接，可以通过调节螺钉的旋入长度调节反射镜工装的水平，保证激光笔发出的激光保持水平。

3、凹槽与其中一个反射镜安装位在水平方向的投影重合，保证使用X轴或Y轴反射镜将光路准直后，只需要向上移动Z轴，并安装折光镜即可实现Z轴光路准直。

4、定位边的设置，可以用于调节安装板的方向，保证激光笔发出的激光与机床轴线平行。所述激光笔的轴线与反射镜的轴线处于同一水平面，能提高准直速度。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1是本发明中反射镜工装的结构示意图；

图2是本发明中反射镜工装在机床上的安装示意图；

图3是本发明中反射镜工装的底部结构示意图；

图4是本发明中激光发生器辅助板的结构示意图；

图5是本发明中激光干涉仪光路准直示意图。

图中标记：

1、连接杆，2、螺钉，3、连接板，4、安装板，5、反射镜，6、反射镜安装位，7、激光笔，8、磁铁，9、激光笔安装位，10、定位边，11、标靶，12、Z轴反射镜安装位，13、Z轴反射镜。

具体实施方式

实施例1

作为本发明基本实施方式，本发明包括一种激光干涉仪准直装置，包括反射镜工装以及激光发生器辅助板。所述反射镜工装包括连接件、安装板4以及两组安装在安装板4上的检测装置。所述连接件用于将反射镜工装安装在机床主轴上。所述安装板4底部还设有Z轴反射镜13，所述Z轴反射镜13下安装有折光镜，用于对Z轴进行检测。每组检测装置都包括反射镜5和激光笔7，一组检测装置用于对X轴进行检测，另一组检测装置用于对Y轴进行检测。

所述激光发生器辅助板用于安装激光发生器，激光发生器辅助板上还设置有标靶11。安装后的激光发生器的光线发射孔与标靶11的距离恒定，且该距离与同组检测装置中的激光笔7和反射镜5之间的间距相等。

实施例2

作为本发明一较佳实施方式，本发明包括一种激光干涉仪准直装置，包括反射镜工装以及激光发生器辅助板。所述反射镜工装包括连接件、安装板4以及两组安装在安装板4上的检测装置。所述连接件包括相连的连接杆1和连接板3，所述连接杆1用于与机床主轴相连，具体的，所述连接杆1安装在刀柄后安装在机床主轴上。

每组检测装置都包括反射镜5和激光笔7。激光笔7通过激光笔安装位9固定在反射镜工装上，反射镜5通过反射镜安装位6固定在反射镜工装上。本实施例中，反射镜工装上有两个反射镜安装位6和两个激光笔安装位9，分别用于对X轴和Y轴检测。

所述安装板4底部设置有Z轴反射镜安装位12，用于对Z轴进行检测，Z轴反射镜安装位12上设置有凹槽，该凹槽与用于检测X轴或Y轴的反射镜安装位6在水平方向的投影重合，保证使用X轴或Y轴反射镜5将光路准直后，只需要向上移动Z轴，并安装折光镜即可实现Z轴光路准直。

所述安装板4上设有螺纹，所述连接板3与安装板4之间通过螺钉2连接，可通过调节螺钉2的旋入长度调节反射镜工装的水平，保证激光笔7发出的激光保持水平。本实施例不对螺钉2的数量进行限制，也不对连接板3的形状进行限制。所述安装板4为方形板，相邻两边为定位边10，用于调节安装板4的方向，保证激光笔7发出的激光与机床轴线平行。所述激光发生器辅助板用于安装激光发生器，激光发生器安装在激光发生器辅助板上后再和其它元件相连接，激光发生器辅助板上设置有标靶11，安装后的激光发生器的光线发射孔与标靶11的距离恒定，且该距离与同组检测装置中的激光笔7和反射镜5之间的间距相等。

实施例3

作为本发明另一较佳实施方式，本发明包括一种激光干涉仪准直装置，包括反射镜工装以及激光发生器辅助板。所述反射镜工装包括连接件、安装板4以及两组安装在安装板4上的、分别用于对X轴和Y轴进行检测的检测装置。所述安装板4底部还设有Z轴反射镜13，所述Z轴反射镜13下安装有折光镜，用于对Z轴进行检测。所述连接件用于将反射镜工装安装在机床主轴上。每组检测装置都包括反射镜5和激光笔7。所述激光发生器辅助板用于安装激光发生器，激光发生器辅助板上还设置有标靶11，安装后的激光发生器的光线发射孔与标靶11的距离恒定，且该距离与同组检测装置中的激光笔7和反射镜5之间的间距相等。

一种利用上述准直装置进行激光干涉仪准直方法，包括以下步骤：

X轴和Y轴激光光线的准直：将反射镜工装与机床主轴相连，调整激光发生器使其大致水平，再整体调整激光发生器端的偏摆位置使激光发生器发出光线落在反射镜5上的工作位置区域，同时使激光笔7发射出的激光落在激光发生器辅助板的标靶11上，完成X轴和Y轴激光光线的准直。

Z轴光路准直：将机床Z轴升高，在Z轴反射镜13下方架设折光镜，实现Z轴光路准直。

实施例4

作为本发明最佳实施方式，本发明包括一种激光干涉仪准直装置，包括反射镜工装以及激光发生器辅助板。参照说明书附图4，所述激光发生器辅助板用于安装激光发生器，激光发生器辅助板上还设置有标靶11。参照说明书附图1，所述反射镜工装包括连接件、安装板4以及两组安装在安装板4上的检测装置。每组检测装置都包括反射镜5和激光笔7。激光笔7通过激光笔安装位9固定在反射镜工装上，反射镜5通过反射镜安装位6固定在反射镜工装上。反射镜工装上有两个反射镜安装位6和两个激光笔安装位9，分别用于对X轴和Y轴检测，X和Y轴检测前只需调整好激光发生器的大致水平，然后整体调整激光发生器端的偏摆位置使激光发生器发出光线落在反射镜5上工作位置，同时使激光笔7发射出的激光落在激光发生器辅助板的标靶11上，即可完成X轴和Y轴激光光线的准直。

参照说明书附图3，所述安装板4底部设置有Z轴反射镜安装位12，用于对Z轴进行检测，Z轴反射镜安装位12上设置有凹槽，该凹槽与用于检测X轴或Y轴的反射镜安装位6在水平方向的投影重合，保证使用X轴或Y轴的反射镜5将光路准直后，只需要向上移动Z轴，并安装折光镜即可实现Z轴光路准直。

所述连接件包括相连的连接杆1和连接板3，所述连接杆1为圆杆，安装在刀柄上后安装在机床主轴上。所述连接板3为圆形状，所述连接板3与安装板4之间通过四个螺钉2连接，安装板4上有螺纹，可通过调节螺钉2的旋入长度调节反射镜工装的水平，保证激光笔7发出的激光保持水平。所述安装板4为方形板，安装板4相邻两边为高精度定位边10，用于调节安装板4的方向，保证激光笔7发出的激光与机床轴线平行。为提高准直速度，激光笔7的轴线与反射镜5的轴线处于同一水平面。

所述反射镜5通过设置于反射镜工装上的磁铁8吸附在反射镜安装位6上，反射镜安装位6为高精度边，两个高精度边分别与安装板4的高精度定位边10平行。激光笔7通过设置于激光笔安装位9上的磁铁8吸附在反射镜工装上，两个激光笔安装位9也分别为高精度边，分别与高精度定位边10平行，通过移动机床X轴或Y轴调整高精度边的初始角度保证激光笔7发出的激光与机床轴线平行。

参照说明书附图5，安装后的激光发生器的光线发射孔与标靶11的距离恒定，且该距离与同组检测装置中的激光笔7和反射镜5之间的间距相等，可获得两束平行光线，避免了反射镜5安装的初始误差，节省了大量的光路准直时间，降低了对操作人员的经验要求。

一种激光干涉仪准直方法，包括以下步骤：

X轴和Y轴激光光线的准直：参照说明书附图2，将反射镜工装与机床主轴相连，具体的，将连接杆1安装在刀套上，将整套反射镜工装安装在机床主轴上。对反射镜工装的位置进行调整，使得激光笔7发出的激光与机床待测轴线平行。具体指：将反射镜工装安装在机床主轴上后，在安装板4上放置水平仪，根据水平仪显示的情况调整螺钉2的旋入量，使得安装板4保持水平。再调整安装板4的角度，使得激光笔7与机床待测轴线平行。其中，调整安装板4的角度具体包括：将安装板4调整到初始位置，再通过主轴调整安装板4的角度，使得激光笔7与机床待测轴线平行。其中，将安装板4调整到初始位置具体指：在工作台上架设百分表，利用百分表与安装板4的定位边10接触，机床、主轴以及反射镜工装一并沿定位边10的方向运行，直至每移动100mm百分表的读数稳定在0.01mm以内。

调整激光发生器使其大致水平，再整体调整激光发生器端的偏摆位置使激光发生器发出光线落在反射镜5上的工作位置区域，同时使激光笔7发射出的激光落在激光发生器辅助板的标靶11上，完成X轴和Y轴激光光线的准直。

Z轴光路准直：将机床Z轴升高，在Z轴反射镜13下方架设折光镜，实现Z轴光路准直。

当进行XY轴联动轨迹定位精度检查时，首先按照上述方法将反射镜工装调至水平，再调整安装板4的角度，其中调整安装板4的角度具体包括：

根据检测的行程使用三角函数计算出X轴与Y轴的夹角：

其中，表示Y轴检测行程，/>表示X轴检测行程。

在反射镜工装下方的机床工作台上画出与X轴或Y轴平行的一条线，使用角度仪画出一个夹角为α的角度，得到角度线，调整反射镜工装，使其定位边10与画出的角度线平行。再安装上述方法调整激光干涉仪的位置、高度、垂直俯仰角和水平偏摆角，完成激光干涉仪光路准直。

综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (6)

1.一种激光干涉仪准直装置，其特征在于：包括反射镜工装以及激光发生器辅助板；所述反射镜工装包括连接件、安装板（4）以及两组安装在安装板（4）上的、分别用于对X轴和Y轴进行检测的检测装置；所述安装板（4）底部还设有Z轴反射镜（13），所述Z轴反射镜（13）下安装有折光镜，用于对Z轴进行检测；所述连接件用于将反射镜工装安装在机床主轴上；每组检测装置都包括反射镜（5）和激光笔（7）；所述激光发生器辅助板用于安装激光发生器，激光发生器辅助板上还设置有标靶（11），安装后的激光发生器的光线发射孔与标靶（11）的距离恒定，且该距离与同组检测装置中的激光笔（7）和反射镜（5）之间的间距相等；所述Z轴反射镜（13）通过Z轴反射镜安装位（12）固定在安装板（4）的底部；每组检测装置中的激光笔（7）通过激光笔安装位（9）固定在安装板（4）上，反射镜（5）通过反射镜安装位（6）固定在安装板（4）上；所述Z轴反射镜安装位（12）上设置有凹槽，所述Z轴反射镜（13）固定在该凹槽内，该凹槽与其中一个反射镜安装位（6）在水平方向的投影重合；所述安装板（4）为方形板，相邻两边为定位边（10），所述反射镜安装位（6）和激光笔安装位（9）的边分别与所述定位边（10）平行；所述激光笔（7）的轴线与反射镜（5）的轴线处于同一水平面。

2.根据权利要求1所述的一种激光干涉仪准直装置，其特征在于：所述连接件包括相连的连接杆（1）和连接板（3），所述连接杆（1）用于与机床主轴相连；所述安装板（4）上设有螺纹，所述连接板（3）与安装板（4）之间通过螺钉（2）连接。

3.一种激光干涉仪准直方法，其特征在于：利用上述权利要求1或2所述的准直装置实现，包括以下步骤：

X轴和Y轴激光光线的准直：将反射镜工装与机床主轴相连，对反射镜工装的位置进行调整，使得激光笔（7）发出的激光与机床待测轴线平行；调整激光发生器使其水平，再整体调整激光发生器端的偏摆位置使激光发生器发出光线落在反射镜（5）上的工作位置区域，同时使激光笔（7）发射出的激光落在激光发生器辅助板的标靶（11）上，完成X轴和Y轴激光光线的准直；其中，对反射镜工装的位置进行调整，使得激光笔（7）发出的激光与机床待测轴线平行，具体指：将反射镜工装安装在机床主轴上后，调整安装板（4）的位置使其保持水平，再调整安装板（4）的角度，使得激光笔（7）与机床待测轴线平行；

Z轴光路准直：将机床Z轴升高，在Z轴反射镜（13）下方架设折光镜，实现Z轴光路准直。

4.根据权利要求3所述的一种激光干涉仪准直方法，其特征在于：调整安装板（4）的位置使其保持水平具体指：通过调整螺钉（2）的旋入量，使得安装板（4）保持水平。

5.根据权利要求3所述的一种激光干涉仪准直方法，其特征在于：调整安装板（4）的角度具体包括：将安装板（4）调整到初始位置，再通过主轴调整安装板（4）的角度，使得激光笔（7）与机床待测轴线平行；其中将安装板（4）调整到初始位置具体指：利用百分表与安装板（4）的定位边（10）接触，机床、主轴以及反射镜工装一并沿定位边（10）的方向运行，直至每移动100mm百分表的读数稳定在0.01mm以内。

6.根据权利要求5所述的一种激光干涉仪准直方法，其特征在于：当进行XY轴联动轨迹定位精度检查时，调整安装板（4）的角度具体包括：

根据检测的行程使用三角函数计算出X轴与Y轴的夹角：

其中，表示Y轴检测行程，/>表示X轴检测行程；

在反射镜工装下方的机床工作台上画出与X轴或Y轴平行的一条线，再画出一个夹角为的角度，得到角度线，调整反射镜工装，使其定位边（10）与画出的角度线平行。