激光测量技术在机床误差测量与分析中的应用比较❋

刘海燕，马小斌

（1.陕西秦川机械发展股份有限公司，陕西 宝鸡 721009；2.陕西宝光真空电器股份有限公司，陕西 宝鸡 721006）

0 引言

利用激光技术可以高速测量零件表面和检查关键尺寸，可以在零件上测量许多点而不产生变形或留下痕迹，特别在机床制造行业的应用，使其成为提高机床产品精度的有力助手。其中激光干涉仪和激光跟踪仪是目前机床精度检测应用最广泛的激光测量设备。

1 激光干涉仪和激光跟踪仪的工作原理

1.1 激光干涉仪的工作原理

激光干涉仪是一种所谓“增量法”测长的仪器，它以干涉条纹来反映被测件的信息，将光分成两路，干涉条纹是两路光光程差相同点连成的轨迹。其原理是以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移，当被测对象移动时，条纹亮暗交替变化，记录变化次数，即求得被测长度。

Renishaw 的新型激光干涉仪（见图1）能提供最大4m／s的测量速度和50kHz的记录速率，即使在最高的数据记录速率下，系统准确性也可达到±0.000 5‰（线性模式）和1nm 的分辨率。

1.2 激光跟踪仪的工作原理

激光跟踪系统（Laser Tracker System）是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。激光跟踪仪与传统激光干涉仪测量原理的最大不同在于它采用多步法体积定位的测量方法，能对一台三轴机床的所有21项误差进行快速高效地测量和捕捉，其分辨率达到1nm，测量长度从几厘米到十几米。

图1 激光干涉仪

激光跟踪仪由激光跟踪头、控制器、用户计算机、反射器（靶镜）及测量附件等组成，如图2所示。其工作基本原理是在目标点上安置一个反射器，跟踪头发出的激光射到反射器上，又返回到跟踪头，当目标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标。同时，返回光束为检测系统所接收，用来测算目标的空间位置。

图2 激光跟踪仪构造原理

2 测量应用

2.1 激光干涉仪测量应用

雷尼绍激光干涉仪XL－80系统的基础组件是一个轻型激光头（XL80）和一个独立的补偿单元系统（XC80），XL80和XC80可经由USB直接与计算机连接，再加上一套测量光学镜组，就可对机床做线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量。

使用雷尼绍激光干涉仪XL－80对QMK009磨齿机C 轴重复定位精度进行测量（共测量10 次），其测量结果如图3所示。

图3 XL－80激光干涉仪所测QMK009磨齿机C 轴定位误差曲线

2.2 激光跟踪仪测量应用

应用ETALON 激光跟踪仪对弧齿锥齿砂轮磨齿机QMK009的台面伺服轴的定位精度进行测量，机床伺服旋转轴的误差测量配置方案如图4所示。为了得到精确可信的误差分量，将跟踪仪（Tracer）在台面上布置3个位置，在每个位置上反射镜（Reflector）在机床直线轴运动空间范围内布置4个测量点。测量时，跟踪仪随回转台面一起作正向和负向转动，一次完整的测量，回转台面至少需要正向和反向转动各12次。

最后通过软件TRAC－CAL 的Evaluate模块对所测量的数据进行计算分析，可精确分析出旋转轴在不同相位时空间的6个自由度误差向量，测量结果如图5所示。

3 测量结果比较

将激光跟踪仪和激光干涉仪对QMK009台面C轴定位精度的检测结果统一换算单位后可以看出，两者所测定位精度的误差曲线相似，测量结果一致。

图4 QMK009台面C 轴误差测量配置

图5 激光跟踪仪所测QMK009磨齿机C 轴定位误差曲线

激光跟踪仪采用飞行采样方式，在测量过程中无须停机采样检测，节约了测量时间和编程时间，测量系统中无须分光镜，因此对光极其方便。

激光干涉仪配合各种折射镜、反射镜等可用来作线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等的测量工作，并可作为精密工具机或测量仪器的校正工作。

4 结论

比较激光干涉仪与激光跟踪仪测量机床误差的原理与功能，其对同一对象的测量结果一致。激光测量技术操作简单、功能强大、效率高、精度高、补偿效果好，能帮助我们高效率、高精度地检测机床产品的精度，从而制造出高精度、高质量的机床产品。