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激光干涉仪在数控机床测量的应用

全球的竞争和质量标准的要求，对机床提出了更高的定位精度、更小的公差及更高的进给率。为了达到这些要求并生产出高品质高精度的零件，必须要测量机床的三维体积定位精度。  

二十年前，机床的最大定位误差为丝杆的螺距误差及丝杆的热膨胀误差。但现在上述的大部份误差已被大幅度降低，机床的主要误差转而变成垂直度误差和直线度误差。为了达到高的机床三维空间定位精度，机床上所有的 3 个位移误差、 6 个直线度误差和 3 个垂直度误差都必须得到测量与补偿。用传统的激光干涉仪来测量直线度和垂直度误差是较困难并费时费钱的。通常需要停机数日并要求有经验的行家来进行测量。  

美国光动公司（ Optodyne, Inc. ）已为机床三维体积定位误差测量开发了一种新的、突破性的激光矢量测量技术（美国专利 6,519,043, 2/11/2003 ）。这种测量方法仅需数小时就可以完成而不是传统激光干涉仪的几天。因此，三维体积定位误差测量和补偿变得实用，并可达到更高的精度和更小的公差。  

意大利的一家公司 JOBS S.P.A. 自八十年代以来一直在制造三轴和五轴高速线性马达驱动的标准机床。二年前 JOBS 用光动公司专利许可的激光多普勒干涉仪（ LDDM ）取代了传统的激光校准设备。结合三维体积定位误差测量技术，或者结合光动公司发明的分步对角线测量技术， LDDM 使 JOBS 很容易地做到精确的测量，并可以在生产运作发生危机前就察觉到问题。

如果零件不合格，就将直接影响装配和电气部门的生产。而如果零件加工不能满足规定的公差，则要花更多时间来装配以保证机床能做到加工精度的技术指标。  

用光动公司的三维体积激光校准设备， JOBS 公司花很少时间，几次测量就得到了更完整的数据。使得 JOBS 公司很清楚地了解机床的误差，便及时地校准这些误差，因而以更有竞争性的质量和价格交付用户。  

分步对角线测量方法使用 4 条相同的对角线设置，采集了 12 组数据。在测量得到数据的基础上，所有三个位移误差、六个直线度误差和三个垂直度误差都能确定。测量得到的定位误差可以用来产生三维体积补偿表，此表可以被上载到 Siemens 840D 控制器以校准任何定位误差，从而提高了定位精度。  

JOBS 公司报道了用光动的干涉仪以及分步对角线测量方法只要很少的几次测量就得到了足够多的数据，可以非常清楚地显示出机床的状态。 JOBS 非常容易地解决了一些通常的问题，诸如装配误差、温度变化引起的误差以及结构产生的问题等，并没有增加装配时间。 JOBS 生产的产品质量越来越好。而且，用于三维体积校准的分步对角线测量需要最多 7 次测量，从这 7 次测量中可了解到大部分误差的类型及大小。 JOBS 已经认定使用该方法来替代传统仪器在装配线上作为光学准直仪、直尺以及花岗石平台。  

JOBS 公司使用的光动公司的 LDDM 技术采用了单光束的 MCV-500 及双光束的 MCV-2002 从一个可移动的靶标上反射回调制过的激光束，带有位置信息的光束被探测到并经过处理用来产生查找表，因而能使控制器补偿误差。由于返回光束没有像传统的激光干涉仪那样对偏移有要求，因此设置非常快。仅需调整二个元件：一个单孔的发射和接受激光束的激光头，一个作为靶标的平面镜。  

JOBS 公司报道了单光束的 MCV-500 利用分步对角线测量使得只要中断很少装配时间就可以得到三维体积定位误差，因此大大降低了成本。  

激光和平面镜安置在主轴和工作台上，沿每一轴 X 轴、 Y 轴、 Z 轴分别分步交替移动，这样重复一直走到对角线的对角上。所有三个轴每一步移动后对角线的定位误差就采集到了。这项技术采集了三倍的数据量，并允许可以测量得到每一轴移动时的位移误差。  

靶标移动的轨迹并不是直线，侧向移动是较大的。而传统的干涉仪不允许这么大的侧向移动，测不到数据。而 LDDM 激光干涉仪使用一个平面镜作靶标，平行于镜子的移动不会转移激光束，也不会改变从光源来的距离。因此，测量不会受到影响。 

最多可以有四个工作位置的温度传感器连接到自动温度补偿单元。

自动温度补偿也对诸如环境因素，如空气温度、大气压力以及机床温度的变化提供补偿。