金京陳攀李鵬偉/ .武漢計(jì)量測(cè)試檢定研究所；.中船重工第7研究所

激光干涉儀在大型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差快速測(cè)量中的應(yīng)用

金京1陳攀1李鵬偉2/ 1.武漢計(jì)量測(cè)試檢定研究所；2.中船重工第722研究所

提出一種使用激光干涉儀快速測(cè)量大型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差的方法。描述了校準(zhǔn)方法原理，建立了測(cè)量模型，探索了試驗(yàn)程序和試驗(yàn)方法，并給出對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差校準(zhǔn)的具體方法和步驟，使測(cè)量過(guò)程中激光干涉儀引入的誤差盡可能減少，最后給出校準(zhǔn)結(jié)果。分別采用激光干涉儀與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)量塊得到的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果表明，激光干涉儀在大型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差的校準(zhǔn)中更加準(zhǔn)確、可靠。

激光干涉儀；三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；示值誤差；校準(zhǔn)

0 引言

儀器的校準(zhǔn)是產(chǎn)品控制的重要一環(huán)。隨著三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的不斷發(fā)展[1]，傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法已經(jīng)無(wú)法滿足一些大型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的校準(zhǔn)工作。JJF 1064-2010《坐標(biāo)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范》是我國(guó)各計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)及校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)的唯一技術(shù)依據(jù)[2～3]。JJF 1064-2010中規(guī)定，在實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器無(wú)法滿足測(cè)量要求時(shí)，可使用激光干涉儀進(jìn)行位置示值誤差測(cè)量，并且測(cè)量可以只在使用尺寸實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器不能滿足要求的軸向進(jìn)行。關(guān)于尺寸實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器的要求中有“在尺寸實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器的最大長(zhǎng)度無(wú)法達(dá)到空間對(duì)角線的66%時(shí)，可以增加測(cè)量位置或使用激光干涉儀進(jìn)行位置示值誤差測(cè)量”的規(guī)定[4]。實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中，校準(zhǔn)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的主要實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器通常為標(biāo)準(zhǔn)量塊或是步距規(guī)，而標(biāo)準(zhǔn)量塊或步距規(guī)的測(cè)量范圍均小于或等于1 000 mm，然而大型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量范圍均大于1 000 mm，無(wú)法使用該類標(biāo)準(zhǔn)實(shí)物量具進(jìn)行有效校準(zhǔn)[5]。但在該規(guī)定中又未給出使用激光干涉儀進(jìn)行位置示值誤差校準(zhǔn)的具體實(shí)施步驟。本文分析激光干涉儀作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器所引入的誤差[6]，給出使用激光干涉儀對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)的具體方法和步驟，將該方法所得數(shù)據(jù)與其他方法所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，驗(yàn)證了該方法所得數(shù)據(jù)的可信度。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 激光干涉儀測(cè)量三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

本文以英國(guó)RENISHAW公司的XL80雙頻激光干涉儀為例，因其具有極高的測(cè)量準(zhǔn)確度、廣泛的用途和對(duì)環(huán)境的不挑剔程度，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位、距離測(cè)量、重復(fù)性測(cè)量等任務(wù)，普及程度相當(dāng)高，占激光干涉儀市場(chǎng)份額的90%以上。作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，激光干涉儀的示值誤差直接影響對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差的校準(zhǔn)結(jié)果，因此要嘗試各種不同的校準(zhǔn)試驗(yàn)方法，盡量避免或減少由激光干涉儀的激光發(fā)生器（以下簡(jiǎn)稱激光器）、XC80 環(huán)境補(bǔ)償系統(tǒng)、夾持器組、線性長(zhǎng)度測(cè)量鏡組、重負(fù)荷三腳架等引入的測(cè)量誤差。

1.1.1 測(cè)量系統(tǒng)的建立

選擇工作狀態(tài)良好、穩(wěn)定、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為被測(cè)對(duì)象，其測(cè)量范圍為X軸方向0～900 mm；Y軸方向0～1 600 mm；Z軸方向0～800 mm。在穩(wěn)定的溫度、濕度和大氣壓測(cè)量環(huán)境中，選用雙頻激光干涉儀對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)。校準(zhǔn)試驗(yàn)過(guò)程如下：確立試驗(yàn)方法和步驟，建立測(cè)量模型（包括如何減小激光干涉儀引入的各項(xiàng)誤差），通過(guò)線位移法，按照試驗(yàn)流程圖1進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，最后得到測(cè)量結(jié)果。

校準(zhǔn)過(guò)程中首先對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)X、Y、Z坐標(biāo)軸上的移動(dòng)距離進(jìn)行測(cè)量，并將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的示值與激光干涉儀的示值進(jìn)行比對(duì)，得到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的示值誤差。因?yàn)樵谌齻€(gè)坐標(biāo)軸方向上的測(cè)量過(guò)程類似，而在Y方向的測(cè)量范圍為0～1 600 mm，是本次試驗(yàn)對(duì)象中測(cè)量范圍最大的一個(gè)方向，用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)物量具無(wú)法有效測(cè)量Y軸全量程的示值誤差，所以Y軸是本次試驗(yàn)中最有效的一個(gè)測(cè)量軸方位。本次試驗(yàn)僅對(duì)Y軸的測(cè)量進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

圖1 激光干涉儀對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差校準(zhǔn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程

1.1.2 激光干涉儀測(cè)量三坐標(biāo)機(jī)的測(cè)量過(guò)程及步驟

首先需要對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，以減少系統(tǒng)誤差，降低其對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)準(zhǔn)確度的影響，保證三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，使該三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)滿足試驗(yàn)對(duì)象的要求。

標(biāo)定過(guò)程中，需確定儀器或系統(tǒng)的輸入與輸出之間關(guān)系；給予儀器以及測(cè)量系統(tǒng)分度值；獲得儀器以及測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性，以此減小系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度。

1.1.3 測(cè)量模型

采用激光干涉儀作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)的測(cè)量模型如式（1）所示。

式中：Δi—— 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)各校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差，μm；

Bi—— 各校準(zhǔn)點(diǎn)上三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的示值，mm；

Si—— 激光干涉儀在該校準(zhǔn)點(diǎn)上的示值，mm

1.1.4 鏡組及環(huán)境補(bǔ)償系統(tǒng)架設(shè)

選用激光干涉儀的主要測(cè)量元件和線性長(zhǎng)度測(cè)量元件。主要測(cè)量元件包括分激光器、環(huán)境補(bǔ)償系統(tǒng)、元器件夾持器組；線性長(zhǎng)度測(cè)量元件包括測(cè)量線性長(zhǎng)度干涉鏡、測(cè)量線性長(zhǎng)度反射鏡。

將反射鏡固定在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭上，對(duì)激光束進(jìn)行校直。對(duì)干涉鏡和基準(zhǔn)反射鏡組與探頭連接的牢固程度進(jìn)行檢查，對(duì)儀器的軟硬件進(jìn)行必要的設(shè)置。將環(huán)境補(bǔ)償系統(tǒng)架設(shè)到有效測(cè)量空間內(nèi)，并與激光干涉儀和儀器軟件連接，確定該系統(tǒng)運(yùn)行正常。

將所有硬件如圖2所示完成接線及架設(shè)。

圖2 激光干涉儀對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)接線及架設(shè)元器件設(shè)計(jì)圖

1）先空跑Y軸的全量程行程，找到Y(jié)軸在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置，再架設(shè)鏡組。架設(shè)鏡組之前，通過(guò)鎖定X軸方向和Z軸方向的電機(jī)伺服系統(tǒng)提高導(dǎo)軌運(yùn)行的直線度，從而避免三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在測(cè)量Y軸時(shí)測(cè)量路徑跑偏，避免阿貝平移誤差對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

2）干涉鏡與反射鏡架設(shè)得越近越好，這樣可以有效避免和減少死徑誤差對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

3）干涉鏡和反射鏡組需架設(shè)于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)機(jī)臺(tái)的主軸上。因其是相對(duì)移動(dòng)物體，對(duì)焦時(shí)避免反射回來(lái)的激光打在激光出射口處，對(duì)焦時(shí)近端調(diào)平移、遠(yuǎn)程調(diào)角度。激光器要與干涉鏡和反射鏡成一條直線，激光光束路徑與運(yùn)動(dòng)軸線之間要校直，光束與預(yù)定校準(zhǔn)軸線要校對(duì)平行，從而避免余弦誤差對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

4）水平軸向測(cè)量鏡組架設(shè)：干涉鏡需置于激光頭與測(cè)量反射鏡之間，而當(dāng)中有一塊基準(zhǔn)反射鏡鎖在干涉鏡上，如圖3所示。

圖3 干涉鏡置于激光器與反射鏡之間

5）將環(huán)境補(bǔ)償系統(tǒng)架設(shè)到有效測(cè)量空間內(nèi)并等溫，并與激光干涉儀和儀器軟件連接，直到環(huán)境補(bǔ)償系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，確定該系統(tǒng)運(yùn)行正常，從而避免環(huán)境引入誤差對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

6）垂直軸向測(cè)量鏡組架設(shè)：當(dāng)需要測(cè)量三坐標(biāo)Z軸，即垂直軸向的示值誤差時(shí)，因采用垂直軸向測(cè)量鏡組的架設(shè)方式，將圖4的干涉鏡與基準(zhǔn)反射鏡組旋轉(zhuǎn)90°，使激光經(jīng)過(guò)干涉鏡和反射鏡組的反射之后，豎直沿Z軸方向射出，再將測(cè)量反射鏡置于Z軸上方激光的方向，將測(cè)量光束反射回干涉鏡。1.1.5 鏡組、校直激光束調(diào)整

1）將激光出射口旋轉(zhuǎn)至對(duì)焦用的較小光束孔位置，如圖4所示。

圖4 激光出射口旋轉(zhuǎn)至較小光束孔位置

2）當(dāng)反射鏡及干涉鏡調(diào)整完畢后，將要測(cè)量的Y軸回歸起點(diǎn)位置或移動(dòng)到與起點(diǎn)位置相反的終點(diǎn)位置。

3）將干涉鏡及測(cè)量反射鏡架設(shè)到Y(jié)軸及另一輔助軸上。

4）盡量將干涉鏡及測(cè)量反射鏡之間的距離縮小，越靠近越好，避免死徑誤差。

5）兩鏡組靠近時(shí)可直接移動(dòng)反射鏡組使光點(diǎn)重疊，再利用腳架上升，平移機(jī)構(gòu)將重疊光點(diǎn)移到標(biāo)靶位置，將圖4所示激光出射口順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，重疊光點(diǎn)會(huì)被接收孔接收，此時(shí)檢查接收光線的強(qiáng)度，如圖5所示。

圖5 激光出射口順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°之后的位置

6）將反射鏡移動(dòng)至測(cè)量距離的極限，將偏離測(cè)量反射鏡中心位置的激光束，用上下左右角度調(diào)整調(diào)到測(cè)量反射鏡上。

7）檢視反射回來(lái)的光點(diǎn)重疊度。若光點(diǎn)不重疊，在近端不重疊時(shí)是兩鏡組上下或左右沒(méi)有在相同之位置高度，必須調(diào)整干涉鏡或測(cè)量反射鏡使之重疊，在遠(yuǎn)程不重疊時(shí)是因有角度偏差，必須調(diào)整激光器的偏擺及傾斜角度使光點(diǎn)重疊。

8）將重疊的光點(diǎn)利用腳架平移或上下調(diào)整，使光點(diǎn)落在接收孔內(nèi)（原標(biāo)靶位置）。

1.1.6 檢查光路并復(fù)位清零

單向運(yùn)行坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，觀察激光干涉儀和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的讀數(shù)，檢驗(yàn)光路是否正確。

1）重復(fù)1.1.5鏡組、校直激光束調(diào)整過(guò)程，直至反射鏡近端和遠(yuǎn)程的光線強(qiáng)度相同，并且當(dāng)光線強(qiáng)度超過(guò)50%即可測(cè)量。

2）分別操作激光干涉儀和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，使之復(fù)位清零。

本次試驗(yàn)采用線位移方式。操作三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)單向移動(dòng)，使測(cè)頭沿Y軸向單方向移動(dòng)。當(dāng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的示值為20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm、1 100 mm、1 200 mm、1 300 mm、1 400 mm、1 500 mm，1 600 mm時(shí)讀取激光干涉儀的示值，將兩數(shù)據(jù)比對(duì)，得到坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在Y軸上各點(diǎn)的示值誤差。將所有目標(biāo)測(cè)量完畢后回零位進(jìn)行第二次測(cè)量，兩次的測(cè)量結(jié)果取平均值。

1.2 量塊測(cè)量三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

為了驗(yàn)證激光干涉儀對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差校準(zhǔn)方法所得到的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確有效，該方法是否可行并且可靠，需采用不同的校準(zhǔn)方法進(jìn)行分析和對(duì)比，分析用激光干涉儀對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差校準(zhǔn)數(shù)據(jù)是否有效，該方法是否可行并且可靠。按照三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定，使用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)物量具對(duì)本次試驗(yàn)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)做一次校準(zhǔn)，得到此次參考性校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

1.2.1 量塊對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差校準(zhǔn)過(guò)程

按照三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范，在滿足要求的溫、濕度環(huán)境下，選用標(biāo)準(zhǔn)量塊對(duì)作為試驗(yàn)對(duì)象的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)量塊在實(shí)驗(yàn)室等溫4 h之后，將其依次固定在量塊架上，擺正位置，由操作員操作三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量軟件對(duì)量塊組建立測(cè)量坐標(biāo)系，并進(jìn)行Y軸方向測(cè)量。重復(fù)測(cè)量三次，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的示值平均值與量塊的標(biāo)準(zhǔn)值之差的最大值即為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)Y軸的示值誤差。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 激光干涉儀測(cè)量三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)分析

利用激光干涉儀校準(zhǔn)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 激光干涉儀對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

校準(zhǔn)結(jié)果得知，使用激光干涉儀測(cè)量該三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)Y軸的最大示值誤差在1 500 mm校準(zhǔn)點(diǎn)，示值誤差為8.9 μm，而1 000 mm內(nèi)校準(zhǔn)點(diǎn)的最大示值誤差為6.2 μm。隨著校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)值的增大，示值誤差呈線性放大。

2.2 量塊對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析

標(biāo)準(zhǔn)量塊對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)量塊對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

使用量塊作為計(jì)量校準(zhǔn)器，測(cè)得該三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)Y軸的最大示值誤差在1 000 mm校準(zhǔn)點(diǎn)，示值誤差為+6.4 μm。

3 結(jié)語(yǔ)

將激光干涉儀對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果與量塊對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差校準(zhǔn)所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)得知，在量塊的最大測(cè)量范圍1 000 mm校準(zhǔn)點(diǎn)處，量塊校準(zhǔn)所得的示值誤差為6.4 μm，而激光干涉儀在1 000 mm校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)得的示值誤差為6.2 μm，兩種方法所得校準(zhǔn)結(jié)果基本一致。但由于受量塊支架的限制，使用量塊校準(zhǔn)每次只能測(cè)量5個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，得到5個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。相比激光干涉儀而言，量塊屬于分散測(cè)量，而激光干涉儀是一個(gè)連續(xù)的測(cè)量系統(tǒng)，可以測(cè)量更多的校準(zhǔn)點(diǎn)，得到的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)量比使用量塊的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)多，有利于做最后的數(shù)據(jù)分析。

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Application of laser interferometer in rapid indication error measurement of large scale three coordinate measuring machine

Jin Jing1，Chen Pan1，Li Pengwei2
（1.WuHan Institute of Metrology and Veri fi cation；2.China Shipbuilding Industry Co.,Ltd.）

A rapid measuring method for the indication error of large scale three coordinate measuring machine with laser interferometer is presented in this paper.The principle of calibration method is described, measurement model is established, test procedure and test method are explored, and the speci fi c calibration method and steps of the indication error are provided, which could reduce the measuring error aroused by laser interferometer as much as possible.At last, the calibration results are given.The comparison results of calibration data obtained respectively by laser interferometer and traditional standard gauge blocks show that laser interferometer is more reliable and accurate for the indication error calibration of larger scale three coordinate measuring machine.

laser interferometer; three coordinate measuring machine; indication error; calibration