高测速双频激光干涉仪及其性能检测

　　1　引　言

　　近年来,机床的切削速度、进给速度不断提高。以加工中心为例,上世纪90年代前期工作台移动速度为30~50 m/min,到90年代后期已经达到60~80m/min。美国汽车巨头Ford公司和机床巨头Ingersoll公司合作研制的HVM800卧式加工中心,其X轴行程达800 mm、主轴功率65 kW,其进给速度达到76.2m/min(1.27 m/s)[1]。日本MAZAK公司的FF660卧式加工中心系列的快移速度高达90 m/min[2]。这对测量仪器提出了很高的要求。测量高速运动物体可以采用单频激光干涉仪和高频差双频激光干涉仪。单频激光干涉仪的测量速度取决于信号接收和处理电路的带宽。但由于单频激光干涉仪存在光路调节要求很高、直流漂移难以消除、信号处理及细分都比较困难等缺点,使其使用受到很大限制。而外差式双频激光干涉仪检测和处理交流信号,没有直流漂移问题,有利于细分,抗干扰能力强,因此在易用性和测量精度上都优于单频激光干涉仪。但是在进行高速测量时,双频干涉仪的最大测量速度取决于双频激光器的频差。目前,HP公司生产的双频激光干涉仪的频差可达到3MHz,理论上可以测量的最高运动速度为750 mm/s,但这也已经无法满足需要。因此提高双频激光器的频差,是现代机械工业发展的要求。为此,我们研制了一种偏振双反射膜双频激光器[3],其双频频差已达到5 MHz,理论测量速度大于1500 mm/s,可以适应目前高速测量的需要。

　　2　高测速激光干涉仪

　　双频激光高测速干涉仪采用迈克尔逊结构,其简单原理[4,5]如图1所示,图中GCG-5M为高频差稳频双频激光器[3,6~9],频差为5.375 MHz,频率分别为f1和f2的双频激光为振动方向相互垂直的线偏振光。输出光经过分光镜BS后,其反射光经检偏器P1后被光电探测器D1所接收,形成参考信号;透射光经偏振分光镜PBS分为两束,一束被反射到固定角锥棱镜Mr,另一束被透射至测量镜Mm,两束光反射后经PBS合成一束,经检偏器P2,被光电探测器D2接收,形成测量信号。参考信号和测量信号经前置放大后,送入外差信号处理系统进行计数,从而得出测量镜的位移。由多普勒原理可知,在双频激光干涉仪中,多普勒频移Δν与测量镜的移动速度v的关系由下式决定:

式中,λ为双频激光波长。光电接收器接收到的信号频率为f=f1-f2+Δν,为避免低频噪声,f不能接近于0,其下限值由接收器的带宽决定,通常为几kHz到几百kHz。

　　为了便于计算,设定干涉仪下限频率为0.375MHz,由于双频激光器频差为5.375 MHz,所以最大多普勒频移为Δν=5 MHz,则最大测量速度为:

　　即理论上激光干涉仪的测量速度最大可以达到1580 mm/s。但实际的测量速度还会受到信号处理电路带宽的影响。