XL80激光干涉仪操作手册汇总.doc

镭射干涉仪操作手册手 册 内 容一.RENISHAW 公司简介1二.镭射干涉仪原理 2(1)波的速度 3(2)干涉量测原理 3(3)镭射干涉仪 4(4)镭射干涉仪一般量测项目 4三.注意事项 5四.镭射干涉仪防止误差及保养 5(1)镭射干涉仪防止误差 5(2)镭射干涉仪保养方法 6五.安全及注意事项 6六.镭射光原理及特性 7七.镭射硬件介绍 8八.镭射架设流程图 15九.定位量测原理及操作 16(1)线性定位量测原理 16(2)量测方式 17十.镭射易发生之人为架设误差 20(1)死径误差 20(2)余弦误差 21(3)阿倍平移误差 21十一.镭射操作之步骤 22(1)软件安装之步骤 22(2)执行量测软件 22(3)定位量测硬件架设之操作 23(4)镜组架设前之注意事项 24(5)镜组架设之步骤 24十二.定位量测之程序范例 29十三.定位量测之软件操作步骤 30 热漂移量测 38 快速功能键 44十四.动态软件量测之操作 45(1)动态量测硬件之架设 45(2)执行量测之软件 46 (3)位移与时间 48 (4)速度与时间 49 (5)加速度与时间 50十五.角度量设之操作52(1)注意事项 52(2)镜组架设的种类 53(3)镜组架测之步骤 54(4)角度量测之软件操作步骤 57十六.RX10旋转轴之量测 62(1)说明 62(2)硬件配件之介绍 62(3)硬件操作之步骤 64(4)软件操作之步骤 67十七.直度量测之操作 75(1) 直度之分类 75(2) 直度量测之硬件架设 75(3) 镜组架设之步骤 75(4) 直度软件之操作步骤 80十八.Z轴直度镜组织架设方法 85十九.垂直度量测之操作 89(1) 垂直度镜组架设之步骤 89(2) 软件操作之步骤 95二十.平面度量测之原理与操作 101(1) 硬设备 101(2) 操作之原理 102(3) 镜组架设之步骤 102(4) 软件操作之步骤 110RENISHAW 公司简介RENISHAW为一家英国公司,产品营销全世界,主要产品有三次元量床之测头、测针、BALLBAR循圆测试仪、镭射干涉仪等等及产品经NPL(英国国家标准)认证为ISO 9001之合格厂商RENISHAW公司为机器设备制造商提供量测检验系统的仪器,提供各种用于机器精度检定的量测设备进而改善机器的精度RENISHAW XL80 高性能镭射干涉仪是机床、三次元坐标量床及其它定位装置精度校准用的高性能仪器,由于最新电子技术的应用,使其镭射波长非常稳定并保持了低成本高效率的工作流程RENISHAW 产品介绍： 镭射干涉仪量测系统 循圆测试仪器(BALLBAR)量测系统 三次元测头测针系列 黏贴式光学尺系列镭射干涉仪量测原理MICHELSON E0 干涉原理 两个频率振幅波长相同的镭射光波因相位变化而发生不同程度的干涉a. 相长干涉(建设性干涉)b. 相消干涉(破坏性干涉)相长干涉相消干涉1.波的速度 Vf 若f， const . 则 V const2.干涉量测原理3.镭射干涉仪： 一般镭射干涉仪均为氦氖镭射,其镭射光为红色波长0.6329m 长期稳定误差0.05ppm以下(10个波长相差0.5个波) 其优点：a. 测量范围大b. 简化以往光学仪器结构c. 测量速度快 缺点： 易受大气环境影响因波长常会随温度、气压、湿度而变化 (因镭射光以空气为传递介质)4.镭射干涉仪一般量测项目： (一)定位精度、距离量测、重复性 (二)速度、加速度、动态量测 (三)角度量测：a.垂直方向角度(pitch) b.水平方向角度(yaw) (四)真直度量测：a.垂直方向 b.水平方向 (五)直角度量测 (六)平面度量测 (七)平行度量测(八)旋转角度量测注意事项：(1) 三脚架置于待测物适当位置,地基稳固不可摇晃及避免人员和机器碰触的地方 (2) 三脚架之水平气泡调至中央位置固定(3) 信号线之插头,红点表示向上,各线接头缺口部份确实吻合方可插入(4) 各电源线、信号线连接或拔除时,各仪器需均在OFF状态,否则会对仪器造成伤害(5)给予稳定独立电源,确实不漏电环境中使用(6)短距离量测(50mm内)亦产生余弦误差,先校直度再作定位(6)对焦时避免反射回来的镭射光打在镭射光射出口处(7)镭射先热机稳定后,再做镭射量测(8)操作中确认XC80(环境补偿系统)是监控中,每7秒各侦测一项,以42秒为一次循环(9)镭射干涉仪设备存放地点尽量保持干燥镭射干涉仪防止误差及保养1镭射干涉仪防止误差(1) 量测周围环境应尽量避免太阳光直接照射或突然流动的风产生扰流现象(2) 装设干涉镜及反射镜在被测机台上时,必须牢固,否则机台移动会造成不可预期的量测误差(3)环境侦测感应器与材料温度感应器是否作动,必须于量测前确实检查, 以免造成不必要的误差(4)要获得最佳精度并减少误差,建议遵守下列规定：a在校验环境条件中执行量测b激光束需作确实校直c需注意量测时的周围条件d牢固地装设镜组(3) 在量测执行中不可因其它因素而中断,量测必须一次完成检验,若发生量测中断情形,必须重新执行检验2镭射干涉仪保养方法(1) 使用时应防止碰撞及震动(2) 工作完毕应循操作方法反顺序逐一拆卸并且擦拭干净置回仪器盒内(3) 金属平台在使用完后应擦拭干净(4) 干涉镜及反射镜片应使用光学镜片专用擦拭纸做圆形回转擦拭(注意严禁使用酒精或具有挥化性及腐蚀性之清洁液擦拭,请干擦,因镜面有镀一层蓝色薄墨,而激光束是靠此薄墨产生折射与反射,如果使用具有挥化性或腐蚀性之清洁液会将此薄墨破坏,如果镜面没有薄墨折射率既减弱而影响光强,且无法再镀上此薄墨,请注意小心使用)(5) 应小心搬运尤其对镜片类应有适当防护与防震,暂不用时以干净东西覆盖安全注意事项1.镭射光属二级镭射,建议勿长时间直视镭射光2.镭射预热时可将镭射光闸暂时关闭,镜组对焦时再予以打开3.对焦时尽量避免反射之镭射光打在镭射头的镭射发射出口处,以免镭射造 成不良影响4.架设镜组前,先将机器欲测轴全行程来回移动,观察机器移动空间并决定镜组架设位置,当镜组架设至机台后,使用手动慢速移动机器确定移动空间无 其它干涉物后,机器才可改为自动移动 5.架设或操作镭射干涉仪时,闲杂人等避免靠近,以免拌到电源线或传输线6.确认电压伏特是否正确,并且所使用的电力来源尽量能够独立,并加稳压器.镭射光原理及特性1. 光的相关原理 光为一种无质量的微粒子(牛顿) 光为一种电磁波(马克士威尔) 光具有粒子与波动的性质2.光的特性 方向性 直线性 波动性3.波的基本物理量 频率f、周期T、振幅A、波长、其中波长是长度单位4.何谓镭射光 对某种元素施予能量,使其原来稳定的基态(低能阶)变为不稳定的 激态(高能阶),元素会由激态(高能阶)释放出能量后变回原来的基态 (低能阶) 再释放能量的过程中会产生一种光,我们谓之镭射光 5.镭射光之特性 A.高单频性： 光的频率即是色,高纯频率即是高单色,一般可见光包含 红、澄、黄、绿、蓝、靛、紫、频率纯度较低 B.高方向性： 镭射光配合聚光镜的发散角度非常小,而一般光线其扩散 角度都非常大 C.高亮度性： 其光线亮度比一般光线亮度大数倍(视镭射而定) 硬件介绍 XL80 镭射头XC80 环境补偿系统8XC80 环境补偿系统插槽示意图夹持器组线性定位量测镜组角度量测镜组Z轴直度量测镜组及附件垂直度量测镜平坦度量测镜组旋转轴量测系统镭射头微调平台重负荷三脚架镭射架设联机流程图1镭射架设及量测流程表15定位量测原理及操作1线性定位量测原理：(一) 架设方式： 干涉镜不动,移动反射镜 反射镜不动,移动干涉镜(二) 何谓线性定位精度：CNC机器执行时,程序之坐标点未必是机器的坐标点,程序坐标点为理想值,机器坐标点为实际值,两者之间差为机器的定位精度(三) 线性定位误差原因：误差原因可能是导程误差、控制器误差、机器几何误差及震动等原因(四) 线性定位量测的目的：量测出机台可能因零件和组装所造成的误差,可利用机器参 数补偿或重新组装改进机器加工机精度,确保机器加工的质量(五) 镭射干涉仪定位量测发生误差的原因： a空气、温度、湿度、气压等影响 b待测物之热膨胀系数 c电子误差 d死径误差(图一) e阿倍(ABBE)误差(图二) f余弦(COS)误差(图三) g震动误差 h镜组热膨胀飘移 镭射干涉仪量测数据是以数值方式显示,并没有一般量测时 有人为读值判定所产生的误差162量测方式 a线性(linear)方式-单向-2次 b线性(linear)方式-双向-2次17 C朝圣(pilgrim)方式-单向-2次 d朝圣(pilgrim)方式-双向-2次18 e钟摆(pendulum)方式-单向-2次 f钟摆(pendulum)方式-单向-2次 镭射架设易发生之误差1死径误差(如图一所示)死径误差是一种与使用 XC80 自动补偿的线性量测过程中的环境因子变化有关的误差。在正常情况下,死径误差很小并且仅在恢复为基准值之后和量测期间发生环境变化时出现。镭射光波经过干涉镜后开始计算位移量,故干-反镜组间隙越大,光波暴露大气环境越多,受外在因素影响越大,如果干涉仪与反射镜之间没有移动,并且激光光束周围的环境条件发生变化,则波长（在空气中）将在整个路径（LI + L2）上发生变化,但是镭射量测系统仅在 L2 距离上得到补偿。因此将引进死路量测误差,因为光束路径 L1 没有得到补偿。图一 死径误差但是,如果在恢复为基准值时固定光学镜组和移动光学镜组彼此相接,则死路误差可以忽略不计,如下图所示。2余弦误差(如图二所示)架设镭射头没有真正与干-反射镜成一直线所造成的误差,即激光光束路径与运动轴线之间有校直的偏差,而导致量测距离与实际移动距离之间有差异。图二 余弦误差3阿倍平移误差(如图三所示)激光束轴线不在行程轴在线,意即当光束与预定校准轴线平行但有一个偏移距离,进行测量时会因俯仰或偏角引致 Abbe 偏置误差。图三 阿倍平移误差镭射操作之步骤(一)软件安装步骤：(1)将原厂Laser光盘软件放入磁盘驱动器中,即会自动执行安装AUTORUN完成安装,若计算机无法执行自动安装,请点选软件中Setup.exe执行安装,软件安装完成后,计算机会要求重新开 机,请点选稍后重新开机(2)接着安装Laser在线辅助说明,软件安装完成后,计算机会要求 重新开机,请点选重新开机 (3)软件安装完成后请将XL80连结到计算机上,此时会出现找到 新硬件,请选择自动安装软件(先确认XL80之镭射软件光盘有在计算机内),开始安装驱动程序(4)XC80只要有安装镭射软件即可自动搜寻到驱动程序注:适用WIN XP,WIN Vista操作系统.(二)执行量测软件：(1)由开始工具列中选择Renishaw LaserXL进入(如图一所示)(2)点选欲执行之软件:有线性测长(定位量测)、角度测量、长距 离直线度测量、短距离直线度测量、回转轴分度精度测量、 平面度测量、动态测量、双轴线测量、数据分析(如图二所示) 以上所有软件均附上:但测量时须搭配镜组.(3)除上述方法之外,亦可将快捷方式至于Windows桌面上,直接点 选即可 (图一) (图二)(三)定位量测系统架设操作： 步骤一：将所有硬件依图所示,完成接线及架设 镜组架设前之注意事项 (1) 先空跑预量测轴的行程,确实了解机床起点与终点,再架设镜组(2) 减低死径误差,干涉镜与反射镜架设越近越好(3) 干-反镜组需架于机台的床台与主轴上,因其是相对移动物体(4) 对焦时避免反射回来的镭射光打在镭射光射出口处(5) 对焦时近端调平移、远程调角度步骤二：镜组架设之步骤(1) 干涉镜需置于镭射头与反射镜之间,而当中有一块反射镜是锁在干涉镜上(如图一所示)图一(2) 注意干涉镜上所画的箭头,必须两个箭头分别指向两个反射镜 上(如图二所示)图二(3) 水平轴向量测镜组架设(4) 垂直轴向量测镜组架设(5) 斜背式车床量测镜组架设旋转镜图 1 旋转镜旋转镜可以与线性、角度或真直度光学镜组结合使用，量测机器的对角线或倾斜轴线。它可以安装在光学镜组上，使设定快速、简便。旋转镜用于使激光光束在垂直面上偏转 0 至 135 度。它的主要应用是量测或校准斜床式车床或机器对角线。 以下两个图显示在斜床式车床上使用旋转镜进行线性量测的方法。图 2 显示的配置用于轴线与水平面的夹角大于 45 度的量测。旋转镜与斜轴之间的准直误差应调整在 ±2 度以内。可以使用量角器量测行程的斜角，并设定旋转镜与该斜角平行。图 2 -斜轴与水平面的夹角大于 45 度时使用的旋转镜。图 3 所示的配置用于 X 轴与水平面的夹角小于 45 度的车床。图 3 - 斜轴与水平面的夹角小于 45 度时使用的旋转镜步骤三：镜组调整(1)将镭射光射出口转至对焦用小孔射出口位置(如下图)(2)当反射镜及干涉镜皆准备好后,将要量测的轴回归原点(起点)或移 动到与原点相反的极限位置(终点)(3)将干涉镜及反射镜架到量测轴及另一辅助轴上(4)尽量将干涉镜及反射镜之间的距离缩小,越靠近越好(避免死径误 差,如下图)(5)两镜组靠近时可直接移动反射镜组使光点重迭,再利用脚架上升,平移机构将重迭光点移到接收孔,此时检查计算机里接收光线的强度(6)将反射镜移动至量测距离的极限,将偏离标靶白点的激光束,用上下左右角度调整调到白点上(如下图) (7)将反射镜标靶取下检视反射回来之光点的重迭度,若光点不重迭,在近端不重迭时是两镜组上下或左右没有在相同之位置高,必须调整分光镜或反射镜使之重迭,在远程不重迭时是因有角度偏差,必须调整镭射头的偏摆及倾斜角度使光点重迭(如下图) (8)将重迭的光点利用脚架平移或上下调整,使光点落在镭射头对焦孔上 (9)将镭射头对焦孔转至接收孔位置上(如下图),检视光线的强度(10)将反射镜移到近端的位置,检视光线强度和远程的光线强度一样即可(11)需注意光线强度超过50%即可量测,但近距离与远距离时光线强度需相同才可做量测 控制器程序范例X轴方向（例如X轴行程总共500mm，每20mm取一点，共25次）主程序0001 子程序0002（镭射去的行程）O0001； O0002；G91G28X0.； G91G01X-20.F5000.；M98P0250002； G04X3.；G01X-3.F500.； M99；X3.； 子程序0003（镭射回的行程）M98P0250003； O0003；M30； G91G01X20.F5000.； G04X3.； M99；Y轴方向（例如Y轴行程总共500mm，每20mm取一点，共25次）主程序0001 子程序0002（镭射去的行程）O0001； O0002；G91G28Y0.； G91G01Y-20.F5000.；M98P0250002； G04X3.；G01Y-3.F500.； M99；Y3.； 子程序0003（镭射回的行程）M98P0250003； O0003；M30； G91G01Y20.F5000.； G04X3.； M99；Z轴方向（例如Z轴行程总共400mm，每20mm取一点，共20次）主程序0001 子程序0002（镭射去的行程）O0001； O0002；G91G28Z0.； G91G01Z-20.F5000.；M98P0200002； G04X3.；G01Z-3.F500.； M99；Z3.； 子程序0003（镭射回的行程）M98P0200003； O0003；M30； G91G01Z20.F5000.； G04X3.； M99； (四)进入定位量测软件(1)由开始工具列中选择Renishaw LaserXL进入(如图一所示)(2)点选欲执行之软件:线性测长(定位量测) (如图二所示) (图一) (图二)(3)点选线性测长，进入定位量测软件窗口(如图三所示)图三30工具列 (4)点选档案,开新文件选择欲设定模式：自动设定模式 手动设定模式 随机设定模式选择:自动设定模式或按工具列中方块(5)选择确定后,自动进入目标设定,输入目标设定：如下图31(6)完成后按进入抓取数据启动(7)完成后按输入数据标题(8)按后进入自动数据抓取设定(9)设定完成后定进入数据抓取(11)数据抓取结束后按完成跳出,点选档案另存新檔或工具列中方块(12)设定储存路径后,输入文件名称： (五)资料分析(1)按数据点选分析进入数据分析或按工具列中方块下图为进入分析系统画面(每次进入分析都会先显示所有数据曲线)下图为进入分析系统画面中的快速工具列(2)选取分析规范镭射误差补偿图表之范例下图为VDI 3441之分析规范,此规范为德国针对机床的运行和定位精度校正的基本原理,为目前工具机产业常用之规范(仅供参考)U:反转背隙(reversal error),通称背隙Ps:定位散布度(positional scatter),表示沿测试轴各个位置随意的偏差对定位误差之影响,可能被视同方向重复性之测试P:定位不确定度(positional uncertainty),沿测试轴之总偏差由定位偏差值,反转误差和在每一标的点定位散布度计算得来Pa:定位偏差(positional deviation)沿测试轴各量测点间平均定位误差之最大差异镭射误差补偿图表操作之流程与范例镭射误差补偿图表之范例(由上图之误差补偿表设定完成后点选绘制误差补偿图表即会进入补偿数值如下图所示)(六)热漂移下图为量测热漂移之最典型的图形(锯齿状),以时间取点,每趟来回为5分钟,所以前5分钟其误差值比较大上图量测是以设定点数用时间抓取(共500点每2秒抓一点),其方法如下:(1) 选择目标点手动设定模式设定定位目标数编辑目标值设定抓取数据启动自动数据抓取设定开始量测(七)数据打印(1)按档案选择打印机设定(2)打印机设定中选择所安装的打印机(3)按打印印出所选择的数据或按工具列中方块(八)其它功能设定说明(1)配置系统说明(2)窗口功能切换设定说明警告信号及消除A：XL80 NOT RESPONDING镭射无反应,表示电源无送入检查镭射ON/OFF及不断电器之ON/OFF及最初之外接电源插座 ON/OFF是否在开的位置B：SIGNAL LOW镭射光线讯号太低表示对焦动作没做好1重新做对焦动作2请无相关人员离开C：HEATER FULL ON镭射加热器正在运作表示目前无法做量测,等待十分钟再看其是否消失恢复正常D：BEAM OBSTRUCTED镭射光线被阻隔表示曾被遮到或主轴头滴油及工作台附近之无尘纸,报纸等飘起遮住光线1请无关人员离开2将主轴附近漏油擦干净3清除工作台附近之报纸及无尘纸4按归零键消除AlarmE：XL80 NOT ON但( I )为绿灯镭射机不正常表示计算机连接信号有问题1将镭射头隔10秒后再启动2离开本系统再重新启动3检查与镭射头相关之信号线4若仍无法消除,则请与RENISHAW公司技术人员联络F：XC80 FAUL环境补偿装置失效检查USB连结是否正常G：HIGH SPEED ERROR高速度误差表示镭射在撷取数据时,镜头移动太快或光线瞬间被挡到 MOVE OVERRUN过行程移动镜头移动距离须超过OVERRUN设定,检查程序是否有消除背隙H：PREHEAT镭射正在预热中表示刚开机之状态,大约6分钟左右可恢复正常,与C之不同为量测中可能出现但仍可执行量测动作(不过不见得准确),归零消除再等待10分钟,若仍无法消除,将镭射OFF后再ONI：LASER UNSTABLE镭射光线未达稳定状态此时光线忽有忽无,待6分钟左右镭射之LED指示灯由红转黄并变绿灯时,即自动消除1经6分钟左右若无消除,以归零强制消除,若长期处于黄灯,请检查电源线是否正常,再启动2检查镭射反射之光点是否打在镭射光出口处快速功能键键盘按Ctrl+H会出现1干涉仪控制键,如图一所示键盘按Shift Ctrl 不要放接着按U+H会出现2用户附加控制键,如图二所示动态软件量测操作(一)动态量测系统硬件架设：将所有硬件依图所示,完成接线及架设 (镜组架设方式请参考定位量测操作)注：1. 若机台无移动时,则可量测机台震动2. 当机台移动时,则进行机台动态量测(距离/速度/加速度)(一)执行量测软件(1)由开始工具列中选择Renishaw LaserXL80进入(图一)(2)点选欲执行之软件：动态软件 (图一) (图二)(3)进入软件点选档案,开新檔选择设定或按工具列上方块 (4)进入抓取数据启动(5)选择取点速率与输入预触发时间及触发后时间(6)完成后按标题输入数据标题(7)确定后按下空格键触发 (此时计算机画面会暂时停止作动,待触发时间完成后即会恢复)(8)数据抓取结束后按完成跳出,点选档案/另存新檔或工具列方块(9)设定储存路径后,输入文件名称：*.rtp(10)按数据点选分析进入数据分析或按工具列方块 (11)选择Renishaw动态(*.rtd)47(12)选择分析形式1.选择位移与时间之变化:量测机器动态定位位移之变化,上图范例在0.4秒时镭射侦测到机器开始移动,于3.5秒移到定位点210mm之位置的变化2.选择速度与时间之变化:动态量测机器速度之变化,主要是测量机器移动之速度与程序下的指令是否一样,上图范例为速度在0.3秒时镭射侦测到机器开始移动,于0.7杪时达到最高速而稳定,于3.5秒开始减速至3.8秒时机器停止,此测量控制器程序4000mm/min,其测量结果为最大速度为67.03685mm/s(约4022mm/min),发生之时间在3.195秒3.选择加速度与时间之变化:动态量测机器加速度之变化,主要是测量机器移动之瞬间加速度,上图范例为机器在全行程来回移动量测其加速度之状况,如图示第一个高峰为去程,而第二个高峰为回程,期去程最快加速度在0.32秒为954.9968mm/sec/sec,回程在3.47秒为815.3592mm/sec/sec注意：若软件无法进行量测时,请更改相关设定抓取/模式选择速度量测(如图一)抓取/触发设定选择键盘抓取数据(如图二) (图一) (图二)