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激光干涉仪线性读数的环境补偿2 | 白皮书

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发表时间:2024-05-11 16:07

激光干涉仪线性读数的环境补偿2

传感器位置

本节针对环境传感器的放置位置给出了建议。

空气温度传感器 — 将空气温度传感器放在靠近激光测量光束的地方,最好在光束的中间位置。避开电机、电源等产生的暖气流,避免阳光直射。

气压和湿度传感器 — 这些传感器都位于XC-80内部,XC-80应该水平放置,并且与激光测量光束的高度差不超过3米。

材料温度传感器 — 在激光校准过程中,材料温度传感器应该放置在机床的什么位置,这一直是个争议颇多的话题。首先要确定材料膨胀补偿的主要目标。

这通常是标准ASME B89.1.8-2011之附录C(见参考文献6)所述的四个目标之一,如下表所示:

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图18

这些目标之间通常存在明显的差异,尤其是,如果在机床运行期间,位置反馈系统(例如滚珠丝杠)

变热;或者,如果工件与位置反馈系统的膨胀系数相差明显,例如在配用玻璃栅尺直线光栅的机床上

加工铝制工件。下文根据所选目标,针对材料温度传感器的位置和材料膨胀系数的选择给出了建议。

目标1 — 按照国家或国际标准校准机器的精度。请按照标准中规定的步骤进行校准,包括如何放置

材料传感器、采用哪种膨胀系数和执行什么机床预热循环等。如果标准中还规定了热变化测试,也应

运行测试。

目标2 — 估算当机床在20°C的环境温度下运行时可实现的精度。这通常是在机床制造、签核、调试

或重新校准过程中的目标。在很多情况下,此目标与目标1相同。为了实现这一目标,材料温度传感器

应放置在机床工作台上或不靠近热源(例如电机、齿轮箱等)的其他大结构机床部件上。材料膨胀系数

应设定为与反馈系统相同。注:有一种常见的误解是,一定要将材料温度传感器放置在滚珠丝杠或反馈

系统上。虽然针对目标3来说确实如此,但对于目标2来说通常并非如此,如下例所示。

假定对机床进行校准时,车间的温度是25°C,但由于机床运行产生的热量,滚珠丝杠的温度高5°C,

即30°C。如果材料温度传感器放置在滚珠丝杠上(或附近),则需要对激光读数进行补偿,以估算当

滚珠丝杠在20°C下运行时可能得到的激光读数。但是,如果机床在20°C的环境温度下运行,则滚珠丝

杠的温度不是20°C。由于螺杆和电机运行而产生的热量仍然存在,因此滚珠丝杠的温度仍将比环境温度

高大约5°C(即25°C)。因此,将材料温度传感器放置在滚珠丝杠上会导致过度补偿。比较理想的方法

是,将传感器放在机床的大结构部件上,以获得与过去几个小时内机床周围平均环境温度相关的温度

读数。

目标3 — 估算当机床反馈系统在20°C时可能实现的精度。这对于诊断机床位置反馈系统的故障尤其

有用。如果机床校准无法实现目标1或2,那么就需要验证反馈系统在20°C时的精度。为了实现此目标,

应准直激光光束,使其尽量靠近反馈系统所在轴线(以尽量降低阿贝偏置误差)。如果存在阿贝偏置

误差,那么还应检查轴的俯仰和/或扭摆误差。材料温度传感器应放置在反馈系统上(或附近),膨胀

系数应设定为与反馈系统相同。

目标4 — 估算当机床制造的工件回到20°C时的工件检测精度。这个过程对于优化在非温控车间

生产的加工件的尺寸精度尤其有用;在这些应用场合,机床位置反馈系统的膨胀系数与工件的膨胀系数相差非常大。材料热膨胀系数应设定为与工件相同。材料温度传感器应放置在温度与工件预期温度近似的位置上。(这个位置通常是在机床工作台上,但还需要考虑其他因素,例如所使用的冷却系统类型和金属切削速度。)还应注意的是,必须在典型条件下进行此类校准,而且只有在各个工件的温度和膨胀系数相对稳定的情况下才真正有效。

其他注意事项 — 必须保证材料温度传感器与被测材料之间具有良好的热接触。材料表面最好平整、

裸露。

如果空气温度与机床温度有明显差异,那么很可能材料的表面温度与中心温度也存在较大差异。在这种情况下,应仔细安排材料温度传感器的位置,使其能够测量到中心温度。

在机床运行过程中,机床的温度通常会升高。建议您在开始校准前执行移动的预热步骤,以确保校准中包括这种影响。


死程误差

为了通过公式1(见第10页)有效补偿在不稳定环境中获得的线性测量结果,N(条纹计数)名义上必须反映激光干涉仪的测量光束上光学镜组之间的间隔。举个例子,如果间隔加倍,则N名义上也应加倍;当N = 0时,光学镜组应彼此紧靠。如果当光学镜组彼此紧靠时将激光干涉仪清零(即,将N设为0),就可以轻松做到这一点。

如果将激光干涉仪系统清零时,线性光学镜组不是彼此紧靠,而且环境随后发生变化,那么基准

位置的激光读数会出现小幅偏移。这个偏移通常由两个部分组成,即空气死程误差和材料死程误差。


空气死程误差

以图19所示为例。假设将激光干涉仪系统清零,光栅读数为0.000 mm,但测量光束上的光学镜组之间存在“死程”间隔D。在此位置,如果N = 0,则激光位置读数也是0.000 mm。现在,假设空气的折射率改变了+1 ppm。这会导致激光波长缩短1 ppm,并且光学镜组之间的间隔D中的波数将随之增加1 ppm。条纹计数N将相应增加,并且激光位置读数将从零偏移1 ppm × D。这就是“空气死程误差”。即使环境补偿单元正确计算了新的激光波长,由于N几乎为零(而不是2D/λ空气),因此应用空气折射补偿几乎没有任何效果。实际上,系统并不能“看到”测量光束中的额外空气,因此不会补偿这部分光束中的激光波长变化。

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图19

空气死程误差的一般公式如下:

EADP = D × (λ空气 - λ0) / λ0

其中,EADP是空气死程误差,D是当清零时光学镜组之间的间隔(即死程),λ空气是当前激光波长,λ0是当系统清零时的激光波长。如下所示,利用此公式,并假设当前空气相对于标准空气的变化,就可以估算每米空气死程的死程误差。

自清零后,气压变化误差为0.27 μm/mbar。

自清零后,气温变化误差为0.96 μm/°C。

自清零后,相对湿度变化误差为0.1 μm/10%。

这表明,空气死程误差通常非常小;如果将系统清零时测量光束上光学镜组之间的间隔D小于

10 mm,则空气死程误差可以忽略不计。

请注意,有些激光系统配有软件,当用户手动输入空气死程之后,软件会进行额外修正。雷尼绍的

LaserXL软件不提供这种功能,这是因为两个原因:

1) 用户可能会弄错符号规约。根据移动的正向方向和光学镜组的布局,用户可能需要为死程输入

正值或负值。如果输入的符号不正确,那么误差将加倍,而不是消除。

2) 比较好的测量方式就是,将光学镜组彼此紧靠,直接固定在关注点上,从而尽量减小无关的

空气和材料的“死”程。如下一节所示,事实上,材料死程误差通常更为重要。因此,不提供

软件修正功能可以鼓励用户采用更好的测量方式。


材料死程误差

同样以图19所示为例。再次将激光干涉仪系统清零,光栅读数为0.000 mm,但测量光束上的光学镜组之间存在“死程”间隔D。在此位置,如果N = 0,则激光位置读数也是0.000 mm。现在,假设机床温度上升了1°C,且材料膨胀系数约为10 ppm/°C。这时发生的膨胀会导致测量光束上的光学镜组进一步分离约10 ppm × D,而且光学镜组之间的间隔D中的波数将随之增加10 ppm。条纹计数N将相应增加,并且激光位置读数将从零偏移10 ppm × D。请注意,此“材料死程误差”是因气温变化1°C而产生的空气死程误差的10倍。即使环境补偿单元正确计算了新的环境系数EF,由于N几乎为零(而不是2D / EF),因此应用材料膨胀补偿几乎没有任何效果。实际上,系统并不能“看到”测量光束中的额外材料,因此不会补偿其热膨胀或收缩。

材料死程误差的一般公式是:EMDP = D × α ×T

其中,EMDP是材料死程误差,D是当清零时光学镜组之间的间隔(即死程),α是死程中材料的线性膨胀系数,T是自系统清零后的材料温度变化。例如,如果材料膨胀系数为10 ppm/°C,那么死程误差为:10 μm/每米材料死程/自系统清零后材料温度每变化1°C。

这清楚地说明了,材料死程误差可能比空气死程误差更为重要。由于“死程”中的材料可能与被测物体不同,而且它们的温度各自独立变化,因此无法进行简单的软件修正。最好的方法是采取合适的测量方式,即:

• 将光学镜组彼此紧靠,直接固定在关注点上,从而尽量减小材料死程。

• 保持温度稳定和/或快速完成测量,尽量减少测量过程中的材料温度变化。

• 如下面两节所述,使用预设读数或者使用分光镜作为移动光学镜组,以尽量减小将系统清零时

光学镜组之间的间隔。


通过预设激光读数来消除死程


我们看一看图19所示设置的一种变体。如图20所示,在这种设置中,直线光栅的参考零位在最远端。但是,由于空间限制,无法重新调整激光干涉仪和光学镜组的位置。为了处理这种情况(机床或光栅的零位不在激光干涉仪的光学镜组彼此紧靠的位置上),雷尼绍的LaserXL软件中使用的材料和空气补偿公式中包含一个额外的“预设”项。

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图20

L = P + ((1 - αT) × λ空气× N / 2) ……………………………………………公式2

其中,P是用户输入的“预设”值,用于将线性激光读数偏置一个指定的量。请注意,未对预设值进行补偿,它只是一个固定的偏置量,用于在补偿后的激光位置读数显示之前添加到其中。

在图20所示的示例中,将激光干涉仪清零和应用预设值的正确方法如下:

1. 将滑架移至光栅的500 mm位置。

2. 调整光学镜组安装座,使其彼此紧靠(如图20所示)。

3. 检查激光读数的符号规约是否与光栅的符号规约一致。

4. 将激光干涉仪系统清零。这样即可满足在激光干涉仪清零时光学镜组彼此紧靠的要求。

注:此时,激光读数为0.000 mm,光栅读数为500 mm。

5. 将滑架移至光栅的参考零位。

注:此时,光栅读数为0.000 mm,激光读数约为-500 mm(比如,我们假设它为-500.0011 mm)。

6. 在激光干涉仪软件中输入一个预设值,使激光读数和光栅读数一致。

(在此例中,用户应在激光干涉仪软件中输入预设值+500.0011。然后,激光读数将跳至0.0000 mm,与光栅读数一致。)

7. 现在开始校准。此时,环境中的任何其他变化都将被正确补偿,从而避免由于将激光干涉仪清零时光学镜组相距500 mm而出现空气和材料死程误差。


通过互换光学镜组的位置来消除死程


将系统清零时使光学镜组彼此紧靠的另一种方法是,当轴的参考零位位于激光干涉仪的最远端时,将移动光学镜组和固定光学镜组的位置互换,如图21所示。在此设置中,分光镜(而不是角锥反射镜)固定在移动滑架上,而角锥反射镜固定在工作台的最远端。如图21所示,滑架位于基准位置,且光学镜组彼此紧靠,从而消除了空气死程。(不过,在此图示中,光学镜组固定点与光栅读数头和光栅零位之间的偏置略有增加;如果温度发生变化,并且机床工作台和移动滑架发生不同程度的膨胀,就会导致出现材料死程误差。)请注意,对于较长的轴(10米以上),这种布局可能更难准直,因为由于光学制造公差,分光镜的输出光束可能与输入光束不完全平行。

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图21


结论

本白皮书阐释了空气折射补偿和材料膨胀补偿对于确保激光干涉仪的线性测量精度的重要性。本文详细介绍了与气温、气压、湿度和材料膨胀的未补偿变化相关的潜在误差;说明了雷尼绍XC-80环境补偿系统的原理,并就如何充分利用该系统提供了建议。如需延伸阅读,请参阅下文的参考文献和附录。附录1和2简要说明了环境补偿的其他方法。附录3解释了为什么激光干涉法角度和直线度测量通常不需要环境补偿。


附录1 — 环境补偿的其他方法

本白皮书介绍了如何使用雷尼绍XC-80环境补偿单元自动补偿空气折射和材料膨胀。本附录简要介绍了其他方法。

手动补偿 — 如果有适合的环境数据,雷尼绍LaserXL软件(请参见图22)允许手动(通过键盘)输入气温、气压、湿度、材料温度和膨胀系数。每当用户输入一项新的环境数据,对激光读数应用的补偿都会更新。这种方法的缺点是无法频繁更新补偿,因此只适用于稳定的环境。雷尼绍XC-80系统的优点在于,每7秒钟获取一个新的传感器读数以自动更新补偿。XC-80系统还在一个紧凑型封装中提供了所有需要的传感器,并且具有适当的高精度水平。

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图22

空气折射计 — 空气折射计是一种高度专业化的仪器,可直接测量空气折射率的变化。空气折射计通常包含一个非常稳定且长度固定的参比腔,该参比腔通常由零膨胀玻璃制成,两端都装有镜子。利用平面镜线性激光干涉仪可直接测量参比腔内的激光波数变化。参比腔内的气温、气压和湿度与周围环境相同。空气折射计有两种基本类型。跟踪式折射计只测量折射率变化,而绝对式折射计可以测量绝对折射率和各种变化。折射计可以非常迅速地高精度测定折射率的变化,但折射计既昂贵又笨重,并且需要另一条激光光束用于折射计。通常只在标准实验室,以及半导体晶圆加工机械上的激光位置反馈系统中使用。它们的响应速度比传统的气温、气压和湿度传感器快很多。不过,这可能会增加补偿后激光读数中的噪声,因为折射计附近的空气折射率局部变化会立即应用于线性测量的整个长度。传统传感器的响应速度较慢,不会对突然的局部变化做出响应,因此能够在补偿过程中起到平滑作用。雷尼绍的激光系统不支持来自于折射计的环境输入。

平衡式光学设计 — 如果将系统清零时光学镜组无法彼此紧靠,则可以考虑采用平衡式光学布局。如果激光干涉仪的参考光束和测量光束的长度相似,并且暴露在一样的空气中,那么空气折射率的变化将对两条光束产生一样的影响。图23显示了一种可能的布局。上图中的系统没有使用常规的线性分光镜,而是使用角度干涉镜进行分光,产生两条相互平行的参考光束和测量光束。长参考光束由因铟钢(以确保热稳定性)或机床的其他部分提供支撑,用于产生一条与测量光束光程相似的局部参考光束。

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图23

在受控环境中测量 — 如果在高度受控的环境中进行测量,则可能不需要环境补偿。这种情况可能包括:

• 在真空中测量。

• 在气温、气压和湿度受控的空气中测量。


附录2 — 使用NIST空气折射公式

上文中提到,NIST的Metrology Toolbox提供了一个精度略低但更加简单的公式,它堪称“便携式计算器”,可替代Edlén和Ciddor公式,而且适用于0.633 μm氦氖激光:

n空气 = 1 + ((7.86e-5 × P)/(273 + T)) - 1.5e-11 × H × (T² + 160)

其中,n空气 = 空气折射率,T = 气温 (°C),H = 相对湿度%,P = 气压 (mbar)。尽管这个公式不如Edlén修正公式或Ciddor公式精确,但NIST指出,在0-35°C、500-1200 mbar、0-100% RH、CO2含量为450 ppm ±150 ppm的范围内,精度应该在±0.15 ppm以内。

因此,这个公式对于估算在各种气温、气压和湿度条件下的环境补偿误差非常有用。此外,也可以用于对未补偿的激光读数应用空气折射补偿,如下所述:

如果不应用空气折射补偿,雷尼绍激光系统的软件将假设在“标准空气”条件下进行线性激光测量,

即;气压为1013.25 mbar,气温为20°C,相对湿度为50%。

将这些条件代入NIST公式,即可获得“标准空气”的折射率。

n标准空气 = 1 + ((7.86e-5 × 1013.25)/(273 + 20)) - 1.5e-11 × 50 × (20² + 160) = 1.00027139

不过,如果实际上是在另一种气压、气温和湿度条件下进行激光测量,则当前的空气折射率表示为:

n空气 = 1 + ((7.86e-5 × P)/(273 + T)) - 1.5e-11 × H × (T² + 160)

然后可以利用下面的公式乘以两个折射率之间的比率,对未补偿的线性激光读数 (L) 进行补偿。

L补偿后 = L未补偿× n标准空气/ n空气 = L未补偿 × 1.00027139 / n空气

请注意:上面的公式不会修正空气死程误差;在不稳定的环境中,如果在清零时光学镜组不是彼此紧靠,就会出现这种误差。


附录3 — 激光干涉法角度和直线度测量的环境补偿


直线度干涉测量 — 图24所示为直线度测量光学镜组的示意图。如图所示,激光干涉仪的光束1和光束2的长度几乎相同。因此,空气折射率的任何变化对两条光束的影响几乎相同。当测量较大的直线度误差时,可能会出现细微失衡,这在一定程度上容易受空气折射率变化的影响。不过,折射率的最大预期变化约为155 ppm (请参见图4、图5和图6),相当于0.015%。与雷尼绍直线度测量光学镜组规定的测量精度0.5%(短距离光学镜组)或2.5%(长距离光学镜组)相比,这种影响微不足道,相当于当测量1 mm的直线度误差时,误差只有0.15 μm。

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图24

角度测量 — 图25所示为角度测量光学镜组的示意图。如图所示,当反射镜与光束垂直时,激光干涉

仪的光束 1 和光束 2 的光程长度相当。当测量轴的俯仰或扭摆角度时,通常会出现这种情况。当测量

较大的角度(最大为10°)时,可能会出现细微失衡,这在一定程度上容易受空气折射率变化的影响。不过,折射率的最大预期变化约为150 ppm (0.015%)。与雷尼绍角度测量光学镜组规定的测量精度0.6%(标准精度角度测量光学镜组)或0.2%(高精度角度测量光学镜组)相比,这种影响微不足道。最后,当使用角度测量光学镜组结合雷尼绍XR20-W基准分度器测量回转轴时,光学校准循环会自动包含当前的空气折射率。关于这一点,详情请参阅《雷尼绍白皮书TE327 — 回转轴的干涉测量校准》(参考文献7)。

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图25


自由容器
 
 

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