本白皮書詳細(xì)介紹了雷尼紹激光干涉法直線度測(cè)量光學(xué)鏡組的工作原理;然后解釋了如何使用這些光學(xué)鏡組來測(cè)量移動(dòng)工作臺(tái)的直線度;特別著重說明了，當(dāng)直線度干涉鏡是移動(dòng)鏡組時(shí)與當(dāng)反射鏡是移動(dòng)鏡組時(shí)，這兩種設(shè)置之間的測(cè)量值差異。

　　直線度測(cè)量光學(xué)鏡組概述

　　圖1是測(cè)量移動(dòng)工作臺(tái)的X軸水平方向直線度的典型設(shè)置。所用的三個(gè)關(guān)鍵組件是：

　　? 激光頭(如圖所示安裝在三腳架上)

　　? 直線度干涉鏡(如圖所示，安裝在主軸上)

　　? 直線度反射鏡(如圖所示，安裝在移動(dòng)工作臺(tái)上)

　　當(dāng)工作臺(tái)沿箭頭方向(X軸)移動(dòng)時(shí)，激光頭和光學(xué)鏡組可測(cè)量工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)與一條完美直線之間的任何水平(左右)方向偏差。圖2是光學(xué)鏡組和穿過它們的激光光束路徑的近距離視圖。

　　此外，還可以將直線度干涉鏡和反射鏡旋轉(zhuǎn)90°(見圖3)并重復(fù)上述測(cè)量過程，便可測(cè)量工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)與一條完美直線之間的垂直方向偏差，即垂直方向直線度。

　　為簡(jiǎn)單起見，下文中的所有示意圖和描述均指在立式主軸 (Z) 機(jī)床上測(cè)量水平軸 (X) 的垂直方向直線度。不過，本文中闡述的這些原理同樣適用于坐標(biāo)系適當(dāng)旋轉(zhuǎn)后的其他機(jī)床布局。

　　為了理解激光系統(tǒng)如何測(cè)量直線度，最簡(jiǎn)單的方法是，首先看一看當(dāng)反射鏡是移動(dòng)鏡組時(shí)，將會(huì)發(fā)生什么，如簡(jiǎn)圖圖4所示。從激光頭射出的激光光束到達(dá)直線度干涉鏡時(shí)，將被分成兩條光束，二者之間的發(fā)散角為2θ(原理請(qǐng)?jiān)斠娤挛闹械摹爸本€度干涉鏡詳解”章節(jié))。這兩條光束到達(dá)直線度反射鏡后，將被原路反射回來(原理請(qǐng)?jiān)斠娤挛闹械摹爸本€度反射鏡詳解”章節(jié))。它們穿過直線度干涉鏡后將重新合為一條光束并返回到激光頭，經(jīng)過相互干涉后產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)。最后，激光系統(tǒng)將通過檢測(cè)被干涉鏡分開的兩條光束之間的光程長(zhǎng)度相對(duì)變化來測(cè)量直線度誤差。如果直線度反射鏡在X軸方向上沿一條完美直線移離干涉鏡(如圖4中的黃色箭頭和虛線新位置所示)，那么光束1和光束2的光程會(huì)增加相同的長(zhǎng)度，因此激光系統(tǒng)的直線度測(cè)量值不會(huì)發(fā)生變化。

　　但是，如直線度反射鏡在Z軸方向上移動(dòng)了距離S(如圖5中的黃色箭頭和虛線位置所示)，那么光束被干涉鏡分開照射到反射鏡上，再被反射回干涉鏡上之后，光束1的光程長(zhǎng)度將增加2.S.sin(θ)，而光束2將縮短2.S.sin(θ)。因此，光束1和光束2之間的光程長(zhǎng)度相對(duì)變化為4.S.sin(θ)。在直線度模式下，激光系統(tǒng)的軟件將系統(tǒng)測(cè)出的光程長(zhǎng)度相對(duì)變化轉(zhuǎn)換為直線度讀數(shù)，然后除以4.sin(θ)，最后得出垂直方向直線度讀數(shù)S。θ的值是根據(jù)所使用的直線度測(cè)量光學(xué)鏡組(長(zhǎng)距離或短距離)預(yù)定義的。

　　現(xiàn)在再看一下，如果反射鏡扭轉(zhuǎn)(傾斜)一個(gè)小角度α，將會(huì)發(fā)生什么，如圖6所示。(請(qǐng)注意，為使表述清楚，本例中夸大了傾斜角度。)這時(shí)，光束1和光束2的光程長(zhǎng)度再次發(fā)生相對(duì)變化。如果α較小(例如，可能是因移動(dòng)線性軸的俯仰誤差引起的)，則可以看到光束1的光程長(zhǎng)度縮短約2.L.sin(θ).tan(α)，其中L是光學(xué)鏡組之間的間隔;同時(shí)，光束2的光程長(zhǎng)度增加了2.L.sin(θ).tan(α)。因此，光束1和光束2之間的總光程長(zhǎng)度相對(duì)變化為4.L.sin(θ).tan(α)。然后，激光系統(tǒng)的軟件將該總光程長(zhǎng)度相對(duì)變化除以4.sin(θ)，最后得出直線度誤差讀數(shù)L.tan(α)。

　　因此，如果直線度反射鏡的角度改變，那么直線度讀數(shù)也會(huì)改變.

　　由于發(fā)現(xiàn)了反射鏡的角度變化似乎會(huì)“影響”直線度讀數(shù)，因此人們通常認(rèn)為直線度反射鏡必須始終處于靜止?fàn)顟B(tài)。然而，事實(shí)并非如此，因?yàn)橛袝r(shí)我們可以反過來利用這種影響。

　　我們可以將這些光學(xué)鏡組與千分表和精密直尺進(jìn)行類比(見圖7)。直線度反射鏡和直尺的應(yīng)用原理類似。如果反射鏡或直尺沿Z軸方向移動(dòng)，則激光干涉測(cè)量結(jié)果或千分表會(huì)直接記錄移動(dòng)距離。

　　如果反射鏡圍繞一個(gè)點(diǎn)傾斜了小角度α，且該點(diǎn)與干涉鏡之間的距離為L(zhǎng)，則直線度讀數(shù)會(huì)改變L.tan(α)。同樣地，如果直尺圍繞一個(gè)點(diǎn)傾斜了角度α，且該點(diǎn)與千分表測(cè)頭之間的距離為L(zhǎng)，則直線度讀數(shù)也會(huì)改變L.tan(α)。因此，我們可以把直線度干涉鏡想象成相當(dāng)于千分表，而直線度反射鏡相當(dāng)于精密直尺。直線度反射鏡可在空間中沿其中心線有效生成一條虛擬直尺。然后直線度干涉鏡會(huì)“顯示”工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)與該虛擬直尺之間的偏差。在決定哪個(gè)直線度測(cè)量光學(xué)鏡應(yīng)該移動(dòng)，而哪個(gè)應(yīng)該靜止不動(dòng)時(shí)，這個(gè)形象的類比非常有用(如圖8直觀所示)。我們稍后再詳細(xì)討論。

　　直線度反射鏡詳解

　　圖4-圖7以示意圖的形式展示了一種簡(jiǎn)單的直線度反射鏡，由兩個(gè)彼此成一定角度的平面鏡組成。而圖1-圖3所示的是雷尼紹的反射鏡，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。它由一塊實(shí)心玻璃制成，具有兩個(gè)折射面和兩個(gè)反射面，如圖9所示。(請(qǐng)注意，為使表述清楚，圖中修改了頂角。實(shí)際上，短距離直線度反射鏡的頂角接近177°。)

　　圖10展示了反射鏡周圍及其內(nèi)部的光束路徑。當(dāng)激光光束射入玻璃時(shí)，由于折射率提高，光束經(jīng)過折射后會(huì)靠近法線。然后，被兩個(gè)互成90°的反射面逆向反射出去。最終，當(dāng)激光光束離開玻璃時(shí)，由于折射率降低，光束經(jīng)過折射后會(huì)偏離法線。

　　這種設(shè)計(jì)雖然比較復(fù)雜，但比簡(jiǎn)單的雙平面鏡設(shè)計(jì)具有更多優(yōu)點(diǎn)。

　　? 逆反射設(shè)計(jì)可確保射出光束和返回光束不會(huì)重疊，從而在光束準(zhǔn)直過程中可以輕松跟蹤光束路徑。

　　? 逆反射還意味著，反射鏡無需繞其長(zhǎng)軸進(jìn)行精確的滾擺準(zhǔn)直，因?yàn)槟娣瓷淇纱_保將光束反射回干涉鏡上。這樣使得光束準(zhǔn)直更加容易。

　　? 使用實(shí)心玻璃可以確保尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。詳細(xì)的光學(xué)模擬表明，如果實(shí)心反射鏡圍繞一個(gè)點(diǎn)傾斜了小角度α，且該點(diǎn)與干涉鏡之間的距離為L(zhǎng)(如圖7所示)，則直線度讀數(shù)仍會(huì)如前所述改變L.tan(α)。因此，我們依然可以想象，這種較為復(fù)雜的實(shí)心玻璃直線度干涉鏡在空間中沿其中心線有效生成一條虛擬直尺，如前文所述。

　　直線度干涉鏡詳解

　　直線度干涉鏡(又稱Wollaston棱鏡)由三個(gè)楔形雙折射晶體組成，如圖11所示。與折射率恒定的各向同性材料不同，雙折射材料的折射率隨晶軸方向及入射光束的偏振而變化。光透過這種材料時(shí)，將以平行和垂直于晶體的光軸這兩個(gè)線性偏振方向進(jìn)行傳輸。其中一個(gè)偏振方向的折射率稍高，光傳播得較慢;而另一個(gè)偏振方向的折射率較低，光傳播得較快。晶體的兩個(gè)外楔形的光軸呈垂直方向，內(nèi)楔形的光軸則呈水平方向(如圖11中的雙頭箭頭所示)。

　　圖12顯示了Wollaston棱鏡內(nèi)的光束路徑。請(qǐng)注意，為使表述清楚，圖中將圓偏振入射光束分成了兩條獨(dú)立光束(通常情況下它們是重疊的)，光束發(fā)散角也有所夸大。

　　一旦圓偏振激光光束照射到雙折射材料的第一個(gè)楔形上，它就會(huì)被分成兩條線性偏振光束，其中一條光束垂直偏振(即與第一個(gè)楔形的晶軸平行偏振)，而另一條光束水平偏振(即與第一個(gè)楔形的晶軸垂直偏振)。由于這種材料的雙折射特性，垂直偏振光束的折射率 (H) 略高于

　　水平偏振光束的折射率 (L)，如圖所示。兩條光束沿相同方向穿過第一個(gè)楔形。

　　當(dāng)垂直偏振光束(上方)到達(dá)第一個(gè)和第二個(gè)楔形之間的交界面時(shí)，由于折射率降低，光束經(jīng)過折射后會(huì)偏離法線。然而，當(dāng)水平偏振光束(下方)到達(dá)該交界面時(shí)，由于折射率提高，光束經(jīng)過折射后會(huì)靠近法線。因此，光束從這個(gè)點(diǎn)開始發(fā)散。

　　當(dāng)垂直偏振光束到達(dá)第二個(gè)和第三個(gè)楔形之間的交界面時(shí)，由于折射率提高，經(jīng)過這次折射后，光束會(huì)靠近法線。同時(shí)，當(dāng)水平偏振光束到達(dá)該交界面時(shí)，由于折射率降低，經(jīng)過這次折射后，光束會(huì)偏離法線。由于第二個(gè)和第三個(gè)楔形之間的交界面與第一個(gè)和第二個(gè)楔形之間的交界面的傾斜方向相反，因此兩條光束的發(fā)散角增大。

　　最終，當(dāng)這兩條光束穿過第三個(gè)楔形回到空氣中時(shí)，由于折射率降低，它們都會(huì)進(jìn)一步偏離法線，因而發(fā)散角進(jìn)一步增大。直線度測(cè)量光學(xué)鏡組按照嚴(yán)格的公差制造，因此Wollaston棱鏡折射出的兩條光束之間的發(fā)散角 (2θ) 能夠與直線度反射鏡的名義角相匹配，偏差控制在幾角秒內(nèi)。

　　正是因?yàn)閃ollaston棱鏡內(nèi)部的差分折射會(huì)使光束發(fā)散，所以它可用于測(cè)量直線度。我們來看一看，如果Wollaston棱鏡沿Z軸方向移動(dòng)了距離S到達(dá)新位置，如圖13中的虛線所示，將會(huì)發(fā)生什么。顯然，上方(垂直偏振)光束會(huì)穿過較多具有較低折射率 (L) 的材料，而下方(水平偏振)光束會(huì)穿過較多具有較高折射率 (H) 的材料，因此光程長(zhǎng)度會(huì)相應(yīng)地發(fā)生改變。由于穿過Wollaston棱鏡的光程長(zhǎng)度差異也是產(chǎn)生光束發(fā)散角2θ的原因之一，因此我們可以很明顯地看出，當(dāng)Wollaston棱鏡側(cè)向移動(dòng)距離S之后，(形成干涉測(cè)量光束1的)上方光束的光程長(zhǎng)度會(huì)縮短 2.S.sin(θ)，而(形成干涉測(cè)量光束2的)下方光束的光程長(zhǎng)度會(huì)增加2.S.sin(θ)。因此，光束1和光束2之間的總光程長(zhǎng)度相對(duì)變化為-4.S.sin(θ)。激光系統(tǒng)的軟件將光程長(zhǎng)度相對(duì)變化轉(zhuǎn)換為直線度讀數(shù)，然后除以4.sin(θ)，最終得出直線度誤差讀數(shù)-S。

　　請(qǐng)注意，這與當(dāng)直線度反射鏡側(cè)向移動(dòng)距離S時(shí)(見圖5)得出的結(jié)果完全相同，只是符號(hào)相反。

　　現(xiàn)在我們看一下，如果Wollaston棱鏡圍繞其幾何中心傾斜了小角度α，將會(huì)發(fā)生什么(為使表述清楚，圖14中的傾斜角度有所夸大)。通過對(duì)激光系統(tǒng)的光束路徑進(jìn)行詳細(xì)的光學(xué)模擬，結(jié)果表明：光束1和光束2之間的光程長(zhǎng)度差異(以及由此得出的直線度讀數(shù))不會(huì)因Wollaston棱鏡的小角度移動(dòng)而明顯改變。將直線度干涉鏡比作千分表時(shí)，這個(gè)結(jié)論同樣適用，也不會(huì)受到小幅角度變化的影響。

　　圖15展示了，如果在X軸方向上沿一條完美直線移動(dòng)Wollaston棱鏡(如黃色箭頭和虛線新位置所示)，將會(huì)發(fā)生什么。光束1和光束2的光程會(huì)增加相同的長(zhǎng)度，因此激光系統(tǒng)的直線度測(cè)量值不會(huì)發(fā)生變化。將千分表沿一條準(zhǔn)直直尺移動(dòng)時(shí)，這個(gè)結(jié)論同樣適用。

　　最后我們看一下，如果再次在X軸方向上沿一條完美直線移動(dòng)Wollaston棱鏡，將會(huì)發(fā)生什么;但是這次我們將直線度反射鏡略傾斜一個(gè)小角度α，如圖16所示(有所夸大)。如果移動(dòng)了距離L，則激光系統(tǒng)的直線度讀數(shù)將改變L.tan(α)。請(qǐng)注意，如果直尺也傾斜了同樣的角度，則千分表的讀數(shù)也會(huì)發(fā)生完全相同的改變。在直線度測(cè)量過程中，如果反射鏡或直尺與運(yùn)動(dòng)軸之間存在準(zhǔn)直偏差，那么測(cè)量值會(huì)出現(xiàn)“斜率誤差”。軟件通常會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行端點(diǎn)擬合或最小二乘法擬合，以消除這項(xiàng)誤差。然而，最好盡可能減小斜率誤差(通過調(diào)整直尺或反射鏡)，以降低由于測(cè)量時(shí)在X軸方向上的定位偏差，而對(duì)直線度測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響;對(duì)于激光頭來說，可確保在整個(gè)軸方向上保持高信號(hào)水平。

　　激光準(zhǔn)直的影響

　　前文中，我們的分析側(cè)重于直線度干涉鏡和反射鏡的操作，并將它們與千分表和直尺進(jìn)行類比。然而，激光系統(tǒng)執(zhí)行測(cè)量還需要用到第三個(gè)組件，即激光頭。我們通過詳細(xì)的分析確定了激光頭位置的相對(duì)重要性，以及準(zhǔn)直偏差對(duì)直線度測(cè)量值的影響。

　　首先看一個(gè)簡(jiǎn)單的情況，將激光頭沿Z-軸方向移動(dòng)距離S，如圖17所示。這時(shí)激光光束照射到干涉鏡上的位置向下移動(dòng)了距離S，與干涉鏡向上移動(dòng)距離S的情況完全相同(見圖13)。如所述，這樣的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致光束1和光束2在干涉鏡附近發(fā)生-4.S.sin(θ) 的光程長(zhǎng)度相對(duì)變化。但是，激光光束照射到反射鏡上的位置也向下移動(dòng)了距離S，與反射鏡向上移動(dòng)距離S的情況完全相同(見圖5)。這樣的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致兩條光束在反射鏡附近發(fā)生+4.S.sin(θ) 的光程長(zhǎng)度相對(duì)變化。這兩個(gè)變化長(zhǎng)度相等，一正一負(fù)，剛好抵消。因此，如果激光頭只是平移，那么激光系統(tǒng)的直線度讀數(shù)并不會(huì)改變。

　　如果激光頭傾斜小角度α(圖18中所示有所夸大)，將會(huì)發(fā)生什么，這一點(diǎn)并不好理解;因此，我們進(jìn)行了詳細(xì)的光學(xué)模擬，以進(jìn)一步研究這種情況。結(jié)果表明，光束1和光束2之間的光程長(zhǎng)度差異(以及由此得出的直線度讀數(shù))不會(huì)因激光頭的小角度俯仰移動(dòng)而明顯改變。

　　然而，各種準(zhǔn)直誤差組合的模擬分析表明，如果Wollaston棱鏡沒有在滾擺方向(繞X軸)上相對(duì)于直線度反射鏡精確準(zhǔn)直，那么激光頭容易產(chǎn)生扭擺(繞Z軸旋轉(zhuǎn))誤差(見圖19)。

　　模擬分析表明，如果Wollaston棱鏡與反射鏡之間的滾擺準(zhǔn)直誤差為θ弧度，則激光頭會(huì)產(chǎn)生α弧度的扭擺誤差，再結(jié)合光學(xué)鏡組之間的間隔為L(zhǎng)米，那么直線度讀數(shù)(以米為單位)將改變L.α.θ。這個(gè)公式同樣適用于短距離和長(zhǎng)距離直線度測(cè)量光學(xué)鏡組。

　　轉(zhuǎn)換測(cè)量單位后則是，如果Wollaston棱鏡與反射鏡之間的滾擺準(zhǔn)直誤差為θ度，則激光頭會(huì)產(chǎn)生α角秒的扭擺誤差，再結(jié)合光學(xué)鏡組之間的間隔為L(zhǎng)米，那么直線度讀數(shù)(以微米為單位)將改變約L.α.θ/11.818。

　　例如：

　　如果Wollaston棱鏡與反射鏡之間的滾擺準(zhǔn)直誤差為1°，且光學(xué)鏡組之間的間隔為1米，那么激光頭與光學(xué)鏡組之間將產(chǎn)生10角秒的準(zhǔn)直誤差，最終的直線度讀數(shù)將改變0.846微米。

　　因此，建議在測(cè)量開始前，務(wù)必確保Wollaston棱鏡和直線度反射鏡在滾擺方向上精確準(zhǔn)直。這樣一來，激光頭與光學(xué)鏡組之間的小幅準(zhǔn)直誤差將不會(huì)對(duì)直線度讀數(shù)產(chǎn)生明顯影響。由此可以認(rèn)為，利用激光干涉法得出的直線度讀數(shù)僅取決于直線度反射鏡(直尺)和直線度干涉鏡(千分表)之間的相對(duì)位置。請(qǐng)注意，這與利用非激光干涉法測(cè)量直線度的工作原理截然不同;對(duì)于非激光干涉法而言，保持激光源的指向穩(wěn)定性至關(guān)重要。

　　移動(dòng)工作臺(tái)的直線度測(cè)量

　　下面，本白皮書將探討在立式主軸機(jī)床上利用兩種不同的設(shè)置(A和B)測(cè)量X軸的垂直方向直線度的差異，即使用激光干涉儀系統(tǒng)或者千分表和直尺。為了著重說明這種差異，我們先看一下這樣一種情況：由于移動(dòng)工作臺(tái)的重心轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致其在X軸方向上產(chǎn)生俯仰誤差。本例中假設(shè)工作臺(tái)鑄件如同一個(gè)剛體，如果發(fā)生任何彎曲，則均來自于底層支撐導(dǎo)軌和軸承。為使表述清楚，下面的示意圖中夸大了俯仰誤差。

　　設(shè)置A — 直線度干涉鏡(或千分表)安裝在固定式主軸上，而反射鏡(或直尺)安裝在移動(dòng)工作臺(tái)上(見圖20和21)。

　　設(shè)置B — 直線度反射鏡(或直尺)安裝在固定式主軸上，而干涉鏡(或千分表)安裝在移動(dòng)工作臺(tái)上(見圖22和23)。

　　設(shè)置A(干涉鏡或千分表固定)

　　下面的圖20中顯示的設(shè)置包括：安裝在三腳架上的激光頭、安裝在主軸上的直線度干涉鏡、安裝在移動(dòng)工作臺(tái)上的直線度反射鏡。圖中顯示了利用該設(shè)置得出的直線度結(jié)果，表明工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)呈一條直線。這是由于當(dāng)X軸移動(dòng)時(shí)，反射鏡生成的虛擬直尺與直線度干涉鏡始終在同一個(gè)位置相交，因?yàn)榉瓷溏R的角度變化會(huì)被反射鏡與干涉鏡之間逐漸增大的距離所補(bǔ)償。

　　這個(gè)結(jié)果乍看好像并不精確，因?yàn)楹苊黠@工作臺(tái)沿一條曲線移動(dòng)，而直線度結(jié)果圖中顯示的卻是一條直線。我們稍后再詳細(xì)討論。

　　現(xiàn)在我們看一下，如果把激光系統(tǒng)換成在移動(dòng)工作臺(tái)上安裝直尺，并在主軸上安裝數(shù)字千分表，將會(huì)發(fā)生什么，如下方圖21所示。

　　利用該設(shè)置得出的結(jié)果圖再次表明，工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)呈一條直線。這是因?yàn)楫?dāng)工作臺(tái)在主軸下方移動(dòng)時(shí)，主軸與安裝在工作臺(tái)上的直尺之間的垂直距離保持不變。

　　使用激光系統(tǒng)并將反射鏡安裝在移動(dòng)工作臺(tái)上時(shí)獲得的直線度結(jié)果，與使用千分表并將直尺安裝在移動(dòng)工作臺(tái)上時(shí)獲得的結(jié)果一致。

　　我們現(xiàn)在看一下，如果將這兩個(gè)組件調(diào)換位置，將干涉鏡(或千分表)安裝在移動(dòng)工作臺(tái)上，將會(huì)發(fā)生什么，如設(shè)置B所示。

　　設(shè)置B(干涉鏡或千分表移動(dòng))

　　圖22中顯示的設(shè)置包括：安裝在三腳架上的激光頭、安裝在主軸上的反射鏡、安裝在移動(dòng)工作臺(tái)上的干涉鏡。利用該設(shè)置得出的直線度結(jié)果圖表明，工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)呈一條曲線。顯然，這與將反射鏡用做移動(dòng)鏡組時(shí)獲得的結(jié)果大不相同。

　　最后我們看一下，如果把激光系統(tǒng)換成在主軸上安裝直尺，并在移動(dòng)工作臺(tái)上安裝數(shù)字千分表，將會(huì)發(fā)生什么，如下方圖23所示。

　　利用該設(shè)置得出的結(jié)果圖再次表明，工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)呈一條曲線。

　　使用激光系統(tǒng)并將干涉鏡安裝在移動(dòng)工作臺(tái)上時(shí)獲得的直線度結(jié)果，與使用安裝在移動(dòng)工作臺(tái)上的千分表并將直尺安裝在主軸上時(shí)獲得的結(jié)果一致。

　　顯然，當(dāng)直線度干涉鏡(或千分表)移動(dòng)時(shí)獲得的結(jié)果，與當(dāng)反射鏡(或直尺)移動(dòng)時(shí)獲得的結(jié)果大不相同。但是，哪個(gè)結(jié)果才“正確”呢?

　　干涉鏡移動(dòng)還是反射鏡移動(dòng) — 哪種“正確”?

　　為了找到答案，我們來看一下這種情況：機(jī)床沿X軸在工件上銑削一排尺寸和深度均相同的5個(gè)孔，如圖24中的截面所示。然后，將工件放在坐標(biāo)測(cè)量機(jī) (CMM) 上，檢查孔的精度。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)會(huì)測(cè)量出，所有孔的深度相同，并且底部中心都在一條直線上。它還會(huì)測(cè)量出，每個(gè)孔的角度均不相同。

　　從工件的角度看，X軸似乎呈一條直線，只存在俯仰誤差。這與使用激光系統(tǒng)并將反射鏡安裝在移動(dòng)工作臺(tái)上時(shí)獲得的直線度結(jié)果一致，與使用千分表并將直尺安裝在移動(dòng)工作臺(tái)上時(shí)獲得的結(jié)果也一致。

　　根據(jù)這個(gè)結(jié)果，并且將激光系統(tǒng)類比為千分表和直尺，我們可以深入理解究竟應(yīng)該將直線度干涉鏡還是反射鏡安裝在移動(dòng)工作臺(tái)上。

　　設(shè)置A(干涉鏡或千分表固定)— 當(dāng)檢查工件夾具與主軸之間的相對(duì)移動(dòng)精度時(shí)，通常應(yīng)使用這種設(shè)置。通過這種設(shè)置可測(cè)量出主軸相對(duì)于工件坐標(biāo)系的位置誤差，從而幫助我們預(yù)先了解工件的加工精度。在檢查移動(dòng)工作臺(tái)時(shí)，ASME B5.54國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)推薦使用這種設(shè)置。

　　設(shè)置B(反射鏡或直尺固定)— 當(dāng)檢查機(jī)床上單個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)誤差時(shí)，通常應(yīng)使用這種設(shè)置。例如，跟蹤移動(dòng)工作臺(tái)上某個(gè)點(diǎn)相對(duì)于機(jī)床坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)軌跡。這樣可以反映機(jī)床的裝配質(zhì)量，但不一定能反映機(jī)床的加工精度。

　　結(jié)論

　　本白皮書詳細(xì)闡釋了激光干涉法直線度測(cè)量的工作原理;說明了如何將直線度干涉鏡(Wollaston棱鏡)比作千分表，將直線度反射鏡比作精密直尺;還證明了利用激光干涉法測(cè)量直線度時(shí)，為何激光頭的位置并不十分重要。隨后還通過這個(gè)類比闡釋了，利用不同的設(shè)置在移動(dòng)工作臺(tái)上執(zhí)行測(cè)量會(huì)產(chǎn)生的重要差異。經(jīng)證明，為了正確評(píng)估切削刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)直線度，應(yīng)按照設(shè)置A所示和ASME B5.54標(biāo)準(zhǔn)中的建議，在刀架上安裝直線度干涉鏡(或千分表)，并將直線度反射鏡(或直尺)安裝在工件夾具(移動(dòng)工作臺(tái))上。而設(shè)置B(干涉鏡移動(dòng))更適合評(píng)估機(jī)床的裝配質(zhì)量，以及用于故障診斷。

　　無論選擇哪種測(cè)量設(shè)置，下列技巧都有助于優(yōu)化測(cè)量精度。

　　激光干涉法直線度測(cè)量技巧

　　當(dāng)使用直線度干涉鏡時(shí)，為了提高測(cè)量精度，我們建議：

　　? 如果軸長(zhǎng)允許，始終使用短距離直線度測(cè)量光學(xué)鏡組。短距離光學(xué)鏡組比長(zhǎng)距離光學(xué)鏡組的精度更高，并且不易受到環(huán)境的影響。

　　? 盡可能降低空氣擾動(dòng)噪聲的影響。當(dāng)暖氣流或冷氣流穿過激光光束時(shí)，它們會(huì)短暫改變光程長(zhǎng)度，進(jìn)而干擾直線度讀數(shù)。通過在激光系統(tǒng)的軟件中啟用“長(zhǎng)期平均”功能，以及改變局部環(huán)境，可以減少這種噪聲。

　　°撤除或遮擋局部熱源，避免陽(yáng)光照射。

　　°還可以打開風(fēng)扇大力攪動(dòng)空氣，這樣有助于使空氣均勻化，同時(shí)提高噪聲頻率，從而通過“長(zhǎng)期平均”功能可以更有效地消除噪聲。如圖25中的示例所示，使用風(fēng)扇吹動(dòng)空氣穿過光束，可減少空氣擾動(dòng)噪聲。

　　? 調(diào)整直線度反射鏡，避免斜率誤差過大;對(duì)于手動(dòng)機(jī)床，這一點(diǎn)尤為重要。

　　? 確保反射鏡安裝牢固，并且達(dá)到熱穩(wěn)定。請(qǐng)記住，反射鏡會(huì)在空間中生成一條虛擬直尺，延伸數(shù)米。避免因熱膨脹效應(yīng)或振動(dòng)造成反射鏡的角度不穩(wěn)定。最好用一塊布蓋住反射鏡的外殼，使其免受環(huán)境中熱變化的影響。

　　? 確保直線度干涉鏡與反射鏡在滾擺方向上精準(zhǔn)準(zhǔn)直。這樣可以確保激光頭相對(duì)于光學(xué)鏡組的小幅角度準(zhǔn)直變化不會(huì)影響直線度測(cè)量值。請(qǐng)?zhí)貏e注意，當(dāng)距離較短時(shí)，如果對(duì)激光頭安裝組件或機(jī)床本身(如機(jī)床裝有防震裝置或地基不牢)的角度穩(wěn)定性存在顧慮，那么僅確保返回的光束精確重疊可能并不能滿足要求。如果一直存在顧慮，則應(yīng)考慮將激光頭牢牢地固定在機(jī)床上。