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激光干涉仪原理介绍

激光干涉仪原理介绍. 基本概念 – 激光干涉仪. 什么是激光干涉仪： 利用激光作为长度基准，对数控设备 ( 加工中心、三座标测量机等）的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（俯仰扭摆角度、直线度、垂直度等）进行精密测量的精密测量仪器。. 基本概念 — 机床精度的 21 项误差. For Linear measurement (3): xdx ydy zdz For Angular measurement (9): Ax Bx Cx Ay By Cy Az Bz Cz For Straightness measurement (6):

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激光干涉仪原理介绍

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Presentation Transcript

  1. 激光干涉仪原理介绍

  2. 基本概念 – 激光干涉仪 • 什么是激光干涉仪： 利用激光作为长度基准，对数控设备(加工中心、三座标测量机等）的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（俯仰扭摆角度、直线度、垂直度等）进行精密测量的精密测量仪器。

  3. 基本概念—机床精度的21项误差 For Linear measurement (3): xdx ydy zdz For Angular measurement (9): AxBx Cx AyByCy Az BzCz For Straightness measurement (6): xdy xdz ydx ydz zdx zdy For Squareness measurement (3) XZ, XY, YZ

  4. Wavelength 基本概念 – 激光及其特点 • 激光输出可视为一束正弦波.雷尼绍XL-80所用的激光的波长是633nm. • 激光具有三个重要特性： • 激光波长非常稳定，可以精密测量测量的要求。 • 激光波长非常短，可以用于高精度测量。 • 激光具有干涉特性。

  5. 基本概念 – 激光的产生

  6. 相长干涉 相消干涉 + + = + - = • 如果两束光相位相同，光波会叠加增强，表现为亮条纹。 • 如果相位相反，则光波会相互抵消，表现为暗条纹。 基本概念— 激光的干涉特性

  7. 线性测量原理 安装方式：

  8. 线性测量光路图 固定反射镜和分光镜 移动反射镜

  9. B (固定反射镜) C (移动反射镜) A (分光镜) 测量光 汇合光 输出光 反射光 线性测量原理 • 激光头 • 从激光头发出的激光被分光镜（A)分为2束光。 • 一束光经过固定的反射镜形成参考光. • 另一束激光经过移动的反射镜(C) 形成测量光. • 反射光和测量光经过分光镜后汇合，并且彼此干涉.

  10. 移动反射镜 线性测量原理 参考光：固定不动 测量光：随着反射镜的移动而移动 相长干涉 相消干涉 • 如果两束光相位相同，则光波会叠加增强，表现为亮条纹。 • 如果相位相反，则光波会相互抵消，表现为暗条纹。

  11. + + = + - = 线性测量原理 激光干涉仪通过接收到的激光的明暗条纹变化，再通过电子细分，从而知道距离的细微和准确变化。

  12. 线性测量

  13. 激光干涉仪测量与国际标准 • ISO 230-2 (1997)- International • ASME B5.54 - U.S.A. • BS 3800 - U.K. • JIS B6330 - Japan • GB 10931-89 - China • VDI 3441 - Germany • E60-099 - France

  14. 角度测量 安装方式

  15. 角度测量 移动反射镜 固定干涉镜

  16. 角度测量 • 激光头 移动反射镜 固定干涉镜

  17. 角度测量

  18. 直线度测量

  19. 直线度测量

  20. 直线度测量 Wollaston 棱镜 光线 1  光线 2 直线度反射镜 激光头

  21. 直线度测量 Wollaston 棱镜 光线1 (加长)  光线2 (缩短) 直线度反射镜 激光头 移动方向

  22. 直线度测量 • The easiest way to understand how the system detects straightness deviations is to imagine what happens to the relative path lengths of Beam 1 and Beam 2 if the straightness reflector moves sideways • As the reflector is moved upwards, Beam path 1 gets longer and Beam path 2 gets shorter • This change in the relative path lengths causes a change in the interference signal intensity as the interference cycles between constructive and destructive interference. • The detection unit detects these changes and converts them to a reading that is proportional to the change in relative path length. • This is then multiplied by the appropriate factor to give the amount of sideways motion of the reflector. Straightness reading Change in path length 2 x Sin (  / 2 )

  23. 垂直度测量

  24. 垂直度测量 • 分别测量2个轴的直线度，然后将两者进行运算，得出垂直度 Step 1: Step 2:

  25. 平面度测量

  26. 平面度测量 平面度测量方法 -网格法 测量原理 对角线法

  27. 回转轴测量 - RX10 Unlimited Range Accuracy ±1 arc sec Resolution 0.2 arc sec 30rpm (step <10deg) 2rpm (step >10deg) Max velocity Operating temperature: 0 to 40 degC Remark

  28. 回转轴测量- RX10

  29. 为什麼需要补偿？ • 激光波长是高测量精度的基础。 • 然而…..激光的波长会受到空气折射率的影响。 • 空气折射率又受到大气压、温度和湿度的影响。 • 虽然空气折射率对激光波长的影响不大，但是在高精度测量的情况下，补偿是非常必要的。

  30. 环境补偿单元 湿度 Accuracy: ±6% 空气压力 Accuracy: ±1.0 mbar • Renishaw XC80环境补偿单元的高性能可以保证在0-40度环境温度范围内，和650-1150 mbar的环境大气压范围内得到最高的测量精度。 材料温度 Accuracy: ±0.1 °C 空气温度 Accuracy: ±0.2 °C

  31. System Accuracy XL-80 System 7 Linear Measurement accuracy ± 0.5ppm Material expansion normalisation accuracy 6 5 4 3 2 Accuracy ppm 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Environmental temperature (deg c) 环境补偿单元 • 监控4个参数: • 空气温度 \ • 空气压力> 波长补偿 • 相对湿度 / • 材料温度 - 材料补偿

  32. 20 Error source 18 Altitude (100m) 16 Air temperature (25°C) 14 Air humidity (70%) 12 Air pressure (970mbar*) Error ppm Laser frequency (0.05ppm) 10 8 6 4 2 0 Uncompensated Compensated 如果没有补偿会产生哪些误差? - 如下的变化会带来1ppm的变化: 空气温度1 degree Celsius 空气压力 3.3 mbar 相对湿度 (at 20 degree Celsius) 50% 相对湿度 (at 40 degree Celsius) 30%

  33. 材料温度补偿 • 在没有温控的环境下，最大的一个误差来源于机床的膨胀和收缩。 • 标准长度的控制温度是 20ºC, 所以需要一个修正，即： 热膨胀补偿，或标准化。 例如: • 钢的热膨胀系数是12ppm/ ºC • 在20 ºC下，一支1000 mm 的钢棒, 在28 ºC下，其长度将是1000+1000x12x8x10-6 = 1000.096 mm. • 但是激光的读数 (热补偿后)将是 1000.000 mm

  34. 材料的热膨胀系数

  35. 交流与答疑。

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