激光干涉测长未对准误差分析

　　0　引言

　　激光干涉仪作为数控装备准确度检测的常用手段,具有检测准确度高、数据可靠及效率高等优点,已列入机床检测方法的相关国际及国家标准[1-2].然而这种检测手段的测量准确性在很大程度上却依赖于测量过程中各种误差诱因的减小或消除,在高准确度测量过程中尤其如此[3-5].定位准确度是数控装备制造、调试及验收过程的一项重要质量指标,在直线轴定位准确度激光干涉测量过程中,影响测量准确度的原始误差可以分为以下两类:与环境变化有关因素和与测量系统安装及光路调整有关因素[6].对于前者中的系统性成分,在商品化的激光干涉仪测量系统中通常由集成在系统中的一个独立补偿单元来进行修正;后者主要包括阿贝误差及未对准误差.阿贝误差的修正可归结为将同一运动在某一坐标系下的描述变换到另一坐标系下;未对准误差是由于激光束与运动轴轴线之间的不平行所造成的测量长度和被测对象实际移动距离之间的差异,是激光测长过程中普遍存在的一种误差.激光测长普遍采用角锥棱镜作为位移检测元件,本文结合Renishaw激光干涉仪,对采用角锥棱镜作为位移检测元件时的未对准误差的进行了详细分析并进行了相关实验.

　　1　激光干涉测长原理分析

　　Renishaw激光干涉仪测长原理如图1,图中反射镜均采用具有平行反射特性的角锥棱镜,激光器包括He-Ne激光光源和干涉信号的光电检测电路.

　　从激光光源发出的光束,经由分光镜分为两路即参考光束和测量光束,并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来经分光镜形成一道干涉光束.测量

光束光程由三部分组成,分别是入射光程D1、角锥棱镜内部光程D2和返回光程D3.当被测对象与固定于其上的可动反射镜一起移动时,测量光束相对参考光束的相对光程就会发生变化从而引起干涉条纹的移动,据此判断运动的方向和测定运动的距离.按图1配置形式进行定位准确度测量时,可认为参考光程不变,因此测量光程相对参考光程的变化量就是测量光程的变化量.被测对象的测量移动量Dt可表示如下:

　　图1中∑S为测量坐标系,固定于激光器上,XS轴平行于出射激光束;∑R固定于移动反射镜上,YR坐标轴通过E点,Z轴平行于.记移动反射镜的实际位移量的大小为Da,则未对准误差e=Da-Dt.

　　2　光线传播的矢量表示

　　如图2,n、n'分别为入射光所在介质的折射率和折射光所在介质的折射率,A、B分别为入射光线和反射光线矢量,N为界面法线单位矢量,C为折射光线矢量,α、β、γ分别为入射角、反射角和折射角,则与A长度相等的反射光线矢量可表示为[7-8]: