（测试计量技术及仪器专业论文）激光跟踪系统的设计.pdf

摘要 基于多边法原联的激光跟踪干涉坐标溯壁系统桑有灞爨范滏大、精度掰、柔 性、动态、可现场测量等特点，具肖非常广阔的应用前景。目前其、用已经延伸 到各个工业和高科技领域，可广泛地应用于航空、航天、造船、重型机械、大型 桃缀安装等大尺寸测量。此外，多边法测爨蹑理还疑霄系绕参数自标定、丢光信 息囱恢复、测量信息高精度提取、误差分离和补偿、干涉仪的迁移和再标定、系 统羹缀等系剜重襄功链，已经雩 逛了毽器各国蔫疫重视，蓑= 投入了鞠当躲久力 和物力进行这方面的研究。我们也首次在国内研制激光跟踪干涉鬃性坐标测量系 统，并受鲻闺家自然羁学麓金翡资助，项黧编号5 9 8 7 5 0 6 4 。 所谓多边法，鼹用多台激光干涉仪共同跟踪测凝一个目标镜，计算动点坐标 时强利用测量得到的长度改变量信息，丽不是角度信息，阂此具育很高的耩度潜 力。本课题主要围绕测量系统的一个关键部分一激光跟踪系统一进行研究，论文 的主要工作及创造性研究包括以下几个方面： l 、设诗了基于童线度测量的激光跟踪于涉溅燮党路 激光干涉仪测擞线性位移时，需要将返回的干涉光进行平移，使其能进入接 收貉中。一种方法楚改变舞帮毙路，采瘸傣振分光镜分寒，裁霸杉滚片敬变竞 线德振念，达到平移光路的目的。但是这种方法光学元件多、调整复杂、丽且对 杉波片的要求高。在综合分析了h p 5 5 2 9 激光干涉仪测量线性位移和测鬣直线 叶 菠鞭理酌鏊醚上，筏粕嗣萎l 了激巍干涉仪测量壹线凌敬模式遗芎亍线性位移测量， 使得外部光学元件大为减少，干涉光强大，调整简单。 2 、激光跟踪头的设计 激光跟踪头是测量系统的关键部件，根据现有的激光干涉仪，设计了荦转镜 独立式跟踪头，结构简单，运动灵活，动态性能好，实现了对三维露标的跟踪测 髦。经过改进的蹑踪头，潮量轹您差为o + 4 9 t m 。 3 、激光跟踪头误差分析 激竞舔踉头是带寒潮鏊误差黪主要采灞之一。影响溅爨羲度的差要甏围寅竞 束入射偏心、镜面偏心、旋转中心点跳动等。提出了等效撼点的概念，分析得出t 毙泰入瓣褊心辩系统的测璧影嘲不夫，当入戮璃心夸0 + 5 r a m ，它繁条静误差会小 于1 p m 。械小镜錾绱心秘爨涯旋转“一l l , z 稳定一i 动楚提高潮藿= 精震瓣主要臻楚。 4 、激光跟踪头的涧节 对于改避瓣激光繇踩头 伐，详鲡叙述了它鹃调节过程，提高了一荦 对镜箍 蕊心避霸+ 测爨瓣方法。 s 、伺服控制系统的设计 叙述了控制系统躲工 乍蹶鼹，光斑位爨僚号的撼敷、电机驱动方式的选择。 设计了基于电流环、速度环、位置环控制的伺服控制电路。实验证明，此控制系 绩魏鼹凉速度撬予0 4 m s 。 6 、赢绫标定法静探索 粕嗣冗余技术，系统可邈行参数浆自标定。然黼，受猫蔟酌接救翔范强、澈 光跟踪头媸角范围簿的限制，系统的自标定很难在最优的方案下进行；同时由于 激光跟踪干涉仪存在测量谈麓+ 实验表蹭，囱系统参数鲁标定测量带柬的误差可 裹运卡凡令徽岽。为势援溅鬟误差翁起銎+ 并蠹戮究薪翡藤定方法抒下萋辩，我 们摊出了嗣激光干涉仪直线法来标定测量系统的蕊点坐标，分桥了巅线法标定基 点瓣优诧穷鬟，拓建误差黪采澡，从蠢为避一步掇裹标定精度提供方囱。 论文列懒光跟踪头的设计、跟踪控制系统、激光跟踪头的测量谈藏来源、误 差稔测、辘点括定等透露了诗嚣壤铸囊窝实验磅变，势取鼹了一囊姻避爨。这些 磋究工作为迸步穗高系统舱：【佟麓力、测爨精发打下了蒸穑。 关键词：参边法激光照踪坐括测量伺服误差分桥标怒 科 a b s t r a c t t h el a s e rt r a c k i n gs y s t e mf o r3 dc o o r d i n a t em e a s u r e m e n tb a s e d0 nm u l t i 1 a t e r a t i o np r i n c i p l e p o s s e s s e sm a n ya d v a n t a g e s 。s u c ha sh i g ha c c u r a c yl a r g em e a s u r i n gr a n g e a n dc a p a b i j i t y o t f l e x i b l ea n dr e a l t i m em e a s u r e m e n t ，o v e rt r a d i t i o n a m e t h o d s r e c e n t l y , i t sa p p l i c a t i o n sh a v eb e e n e x t e n d e dt om a n yi n d u s t r yf i e l d s ，e s p e c i a l l yf o rl a r g ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o nm e a s u r e m e n ti n a e r o s p a c e ，a e r o n a u t i c s ，v e s s e lm a n u f a c t u r i n g ，a n dl a r g e s c a l e m a c h i n e a s s e m b l y t i r e m u l t i l a t e r a t i o np r i n c i p l ea l s oh a so t h e ra d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gt h ec a p a b i l i t i e so fs e l f - c a l i b r a t i o n 、 s e l f - r e c o v e r i n go fl o s ti n f o r m a t i o n ，e r r o rs e p a r a t i o na n dc m n p e n s a t i o n ，a n ds y s t e mr e a r r a n g e m e n t c o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l dh a v ei n v e s t e dt r e m e n d o u sr e s o u r c e sa n dm a n p o w e rt os t u d yt h e s e t o p i c s 。a st h e 受r e m o s tw o r ko nt h i sr e s e a r c hi nc h i n a t h es t u d yo nt h ed e s i g na n dt e s tf o rt h i s s y s t e mh a sb e e ns t a r t e di no u rr e s e a r c hg r o u p t h i sp r o j e c ti ss p o n s o r e db y h en a t i o n a ts c i e n c e f o u n d a t i o no f c h i n a ( n s f c ) ，u n d e rp r o j e c tc o n t r a c tn o 5 9 8 7 5 0 6 4 t h em u l t i l a t e r a t i o np r i n c i p l ec a rb ee x p r e s s e da sf o i l o w sm u l t i p l ei a s e ri n t e r f e r o m e t e r sa r e u t i l i z e dt ot r a c kt h ep o s i t i o no f al a r 2 e t t h ec o o r d i n a t e so f t h et a r g e ta r ed e t e r m l n e db a s e do nt h e l a t e l a ld i s p l a c e m e n t sm e a s u r e db yt h e s e n t e r f e r o m e t e r s ，r a t h e rt h a nt h ea n g u l a rd i s p l a c e m e m si n s o m eo t h e rm e t h o d s t h ep r i m a r ya d v a n t a g e so ft h i sp r i n c i p l ea r ei t sh i g hm e a s m e m e n ta c c u r a c y a n dc a p a b i l i t yo fs e l f - c a l i b r a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h es t u d yo fo p t i c a lt r a c k i n g s y s t e m ，t h ek e y e l e m e n ti nt h em e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h ed i s s e r t a t i o nc o v e r st h ef o i l o w i n ga s p e c t s c o n c e r n i n gt h em a i nw o r k a n dc r e a t i v er e s e a r c hi nt h ep r o , e c t t h ed e s i g no fo p t i c a l d i a g r a m o ft r a c k i n gl a s e ri n t e r f e r o m e t e rb a s e do n t h el a s e r i n t e r f e r o m e t e rf o rs t r a i g h t n e s sm e a s u r e m e n t w h e n1 a s e rj n t e f f e r o m e t e r sa r en s e df o rm e a s u r i n gl i n e a rd i s p l a c e m e n t ，t h er e t u r n e d l a s e r b e a ms h o u l db ed i r e c t e dt ot h eo p t i c a lr e c e i v e r1 0 c a t e da ta no t i s e tw i t hr e f e r e n c et oo u t g o i n gl a s e r b e a m t h et r a d i t i o n a ls o l u t i o n i s u t i l i z i n g a p r o p e ro p t i c a ld i a g r a m o u t s i d et h el a s e rh e a d ， i n c l u d i n gt h eu s a g eo fp o l a r i z e db e a ms p l i u e ra n d t 4 p l a t e h o w e v e r ，t h i sm e t h o dn e e d sal a r g e n u m b e ro f o p t i c a le l e m e n t s w h i c h a r ed i f f i c u l tt og e tw e l la d j u s t e d ，a n dr e q u i r e sh i g hq u a l i t y d 4 p l a t e s a f t e ra c o m p r e h e n s i v es t u d y o nt h eh p 5 5 2 9l a s e ri n t e r f e r o m e t e r f o r s t r a i g h t n e s s | n e a s u r e m e n t i tw a sp r o v e dt h a tt h i st y p eo fi n t e r f e r o m e t e rc a nb ee a s i l y u s e dt om e a s u r et h e l a t e r a ld i s p l a c e m e n t ，i nt h i sm a n n e r , t h eo p t i c a ld i a g r a mi sg r e a t l ys i m p l i f i e d 2 t h e d e v e l o p m e n t o f l a s e rt r a c k i n gh e a dw i t hd u a l a x i si n d e p e n d e n td r i v e b a s e rt r a c k i n gh e a di st h ek e ye l e m e n to f t h ei n e a s u r e m e n ts y s t e m at r a c k i n gh e a d 州f l 、 d u a l a x i s i n d e p e n d e n t d r i v eh a sb e e nd e v e l o p e dw h i c h i s c o m p a t i b l e t ot h e c m m n e r c i a l l y a v a i l a b l e1 a s e fi n t e r f e r o m e t e r s 。i ti ss i m p l e ，v e r s a t i l e ，a n dc a p a b l eo f 3 - dt r a c k i n gm e a s u r e m e m w i t ht h ei m p r o v e dt r a c k i n gh e a d t h es t a n d a r dd e v i a t i o no ft h e m e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t y “ r e d u c e dt o04 9l t i l l 3ad e v i la c c u r a c ya n a l y s i so ft h el a s e rt r a c k i n gh e a d e r r o r so ft h el a s e rt r a c k i n gb e a dh a v e s i g n i f i c a n te f f e c t so nt i l ef i n a lm e a s h f e m e n t * l c e r t a i n t ￥ o f t h es y s t e m 、t t t em a j o re r r o rs o u r c e si n c l u d et h ee c c e n t r i c i t yo f t h ei n c i d e n tb e a mw i t hr e f e r e n c e t ot h et o t a t i o n a fc e n t e ro ft h et r a c k i n gm i r r o r d e p a r t u r eo ft h er o t a t i o n a lc e n t e rf r o mt h em i r r o r s u f 蠢c e ，a n dt h ee r r o rm o t i o n 西t h er o t a t i o n a ic e n t e r , t h ec o n c e 嫩o f e q u i v a l e n tb a s ep o i n t s p l o p o s e di n t h ed i s s e r t a t i o n a t i e rc a r e f o la n a l y s i s ，i ti sf o u n dt h a te c c e n t r i c i t yo ft h ei n c i d e n t b e a ml e s st h a no 5 m mh a sn e g l i g i b l ee f f e c to nm e a s h r e l y l e n ta c c u r a c y t t o w e v e rd e p a r t u r eo ft h e r o t a t i o n a lc e n t e rn o n lt h em i r r o rs l i t f a e e ，a n dl h ee r r o l m o t i o no f t h er o t a t i o n a ic e n t e ra r ev i t a t o | 1 i g ha c e t , t r a c ) , , 4 r h ea d j u s t m e n to fl a s e rt r a c k i n gh e a d a sf o rt h ei m p r o v e dg e n e r a t i o n1 tl a s e rt r a c k i n gh e a d ，gn o v e lm e t h o df o rl e n ss u r f a c e o f f - c e n l e rm e a s l , i r a m e o li s b r o t g b * 。u i d e t a i l e d a 崩u s t m e n t p r o c e d u r e sa r ep r e s e n t e d i nt i l e c o n t e x i 5t h ed e v e l o p m e n to f s e l v ot r a c k i n gs y s t e m as e r v ot r a c k i n gc i r c u i ti n d u d i n gc u f 院n l o o p , s p e e dl o o p , a n dp o s i t i o nl o o ph a sd e v e l o p e d t oa s s u r eh i g ha c c u r a c ya n dd y n a m i cp e r f o r r n a n c eo ft h et r a c k i n gs y s t e m e x p l a n a t i o n so nt h e l o o po p e r a t i o np r i n c i p l e ，b e a ms p o tp o s i t i o ns i g n a le x t r a c t i o n ，a n d s e l e c t i o no fm o t o rc o n t r o l m o d e 、a r ep r e s e n t e da c c o r d i n gt ol h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h en a c k i n gs p e e do f t h es y s t e mi sb e t t e r t h a n0 5m s 6 ，t h e e x p l o r a t i o no f c a l i b r a t i o nm e t h o d b a s e do i ll i n em e a s u r e m e r d t h em e a s t l t e m e n ts y s t e mc a nb es e l f - c a l i b r a t e db yu s i n gt h er e d u n d a n c ye x i s t i n gi n t h e s y s t e m h o w e v e r d u et ot h el i m i t a t i o n o fa n g l e a n g e so fc a t e y er e c e i v e ra n dt r a c k i n gl l e a d r o t a t i o n ，t h es e l f - c a l i b r a t i o n i sh a r dt or e a c ho p t i m u mc o n d i t i o n s m o r e o v e r , b e c a u s eo ft h e m e a s l 1 l e n i e n te r r o r so fl a s e ri n t e r f e r o m e t e r s ，e r r o ri n t h es e l f - c a l i b r a t i o i lm i g h tr e a c ht e n so f m i c r o m e t e r s 1 no r d e rt of i n do u tt h ee r r o rs o u r c e sa n dt h e e r r o rp r o p a g a t i o nl a w s ，an e w c a l i b r a t i o nm e t h o db a s e do nl i n em e a s u r e l n e n ti se x p l o r e d t h eo p t i m a ia r r a n g e m e n to fp o i n t s u s e df o rc a l i b r a t f o nl sa n a l y z e d ， 峨t h ed i s s e r t a t i o n ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lw o r kw e r ec a r r i e do u tf o rt h el a s e r t r a c k i n g h e a d s e r v ot r a c k i n gs y s t e m ，e r r o rs o u r c ea n a l y ss ，e r r o rd e t e c t i o n ，a n d a c h i e v a b l e a c c u r a c v 。f t h en e wc a l i b r a t i o nm e t h o d t h ea c h i e v e t r l e n t so nt h o s et o p i c sw o u l ds u r e l yc o n t r i b u t e t ot h es u c c e s s f k dd e v e l o p m e n to fl a s e rt r a c k i n gs y s t e m 岱r 3 - dc o o r d i n a t em e a s u r e m e n t k e y w o r d s ： n u l t i 。l a t e r a t i o n 。l a s e rt r a c k i n g ，c o o r d i n a t er a e a s u r e n l e n t , s e r v o a c c u r a c ya n a l y s i s , c a l i b r a t i o n 独刨性声明 本人声明所晕交的学位论文是本人在导师指导下避行的研究工作和取得的 研究成袋，豫了文中蒋翳加以标注饔致滚之楚并，蹬文中石包含其毽入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗蠢茎或其他教育机构的学位或证 书丽傻耀过豹耪謇喜。与我一目工幸# 嚣鞫恚辩奉磷究所锻敬任何贡簸均曩在淦文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文 擘者签名：签字羁期：年月h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盔蠡茎可以穗学位论文的全部或部分内容编入有关数纂痒进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 自藿家有关韶门或辊稳送交论文盼菱露纷帮磁焱。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名 签字f i 期：年 月f = _ i麓字日期：年 月1 第一章绪论 激光跟踪三缍坐标测量是在机器入计量学蕊礤j 发展越来的静新毯大范 围坐标测量方法【1 4 j 。超初，机器人手臂做简单的“拿起放下”操作，对于它的 定位精度和运动学性熊要求不毫，但随著机器人应用于装配、缝焊、检测、钠孔 等，对其性能要求大大她提高了。掰前，机器入终端执行祝翰的位置是通过荚苒 位置信息得到的。这里存在着几个严重的问题。首先，机器人机架的刚度必须很 高，匿为 量侮劈的弯曲都烤导致控制器对于机器人手譬位置的错漠判断。其次， 即使采蠲精密编码器和剐度高的组件，大型机器人的精度还怒一个闷题，对一个 工作空间为2 m 的可搬运不同负载的机器人来说，1 2 r n m 的绝对精度是比较热型 熊。运馒褥大部分孛且嚣人不适合那烂对定位精度器求较高的场合。为绘出机器人 终端手鹫的高精度位溪信惠，国内矫研究人员提溺了许多灏鬣方法，这些力琵：按 原理及采用的技术可分为：电容式传感器法，机械耦合法、摄影测量法、球坐标 测量法、三角法和多边法等。其中，属三群都应瘸了激光自动跟踪技术。美国国 家标准简的k l a u ( 剃锦潮) 等人予1 9 8 5 年首次介绍了基于球坐标测量聪理的 激光跟踪干涉仪设计思想p “。 激光绿踪测量系统虽然交褪器人发展蔚来，缀它的应雳不局鞭于对褫器大撬 行终端的位置测量，遮可以广泛应用于宏观犬尺寸的精密测爨，例如飞机外形轮 廓曲线、导弹发射架组装精度，重测机械装配等等。随着科学技术的发展，人们 对宏鼹大尺寸测量豹矮求越来越麓，妇范露大、精度赢、现场、动态、实时等。 三坐标测量机是一类常用的大型精密测量仪器嘲，测量范围大，精度高。但是， 很多大型工程测量需要进行现场操作，即需要在1 ：程现场构筑起坐标测量系统， 不霹以搬剩三坐标搬上寒测量。钱统的三坐标测爨撬潢足不了现场测量的蒺求t 近二十年来，人们建立了许多新型的无导轨柔性坐标测量系统t 如多视觉传感器 的坐标测量系统f 0 。，光电跟踪电子经纬仪测摄系统f 1 引，激光跟踪测量系统 等。这塑测量系统不仅霹隧测量爨繇豹3 - 6 个整由度，两且测量范固可以达到j l 卜米，能够方便的组德测量系统，进行现场测鬣。 嚣一睾缝孳会 溺前，大尺寸溺量中应爝壤为广泛驹溯童工其是电子羟纬役测登系统 降 翳。 电子缎筛仪操作麓单、量程大、自动化程度离，而且安装移动十分的方便。在几 米一几一 寒翡测量范围内躲秘瓣精菠为2 1 0 。秘用经纬纹测量空闻蘸标时，霞 蘩袋弼灞台或两台良上弱续绛仪灏鼹瓣疆被测蘩嚣标，其测量蒙瑾楚建立凌空滴 三角法测量原理上的，在现场测爨，两台经绛仪的测量基准点之间的躐离避不知 道的，为了将经纬仪测得的角艘爨转换为长度爨，测量前需用高精度的长标准棒 进行标窳，而长标准棒的制作、标定和携带都会成为一个棘手的问题，并且还易 予变形，无法保证其精度。角发测鳖误蒺带来黔影响会琏着测量距离的增大箍增 大，戳鞠了经纬仪溺量系统精菠豹避一步撬窝。 激光跟踪空间坐标测量系统其有测篷范潮大、柔性、动态、蔫稽艘簿特点， 其有簿常广阔的应用前景。鼷蔚其应掰已经惩 宰到各个工业领域，它可广泛地应 鬻予簸窆、簸天、造船、羹爨撬檄、大型税缌安装等太尺寸测鬟袋域，这耱独特 鼢灏黧方法叠经雩| 莛了毯器器颡熹凄墼竣，并蔽入7 籀当韵久力巍秘力遴行这方 面构研究。如l e i c a 、a p i 簿公司已经推如商撼化的基于球坐标原理的激光跟踪 干涉测最系统16 。1 7 】；日本国家计艇研究院( n r l m ) 和英国国家物理实黢室( n p l ) 都正在研制基于多边法测量原理的激光跟踪测辍系统。我们也首次在圈内研制多 鼹激光鞭踪于涉柔性坐标测慧系统。本课题魁圈家叁然科学基金瓷助颚曩，磺爨 编芍5 9 8 7 5 0 6 4 。 ，1 激光跟踪测量系统的毂念 激光蔽踩溅量系统弱工俘凝理跫在被溺爨煮楚设立一拿嚣嚣襞，手涉议发窭 托测蕊光束射到蟊标镜上，然爝被薅栎镜按瓤巍黯返露。当强轹镜移鞠时，投桶 系统自动地调整测量光束的方向，始终对准翻标镜。同时，返回的测爨光束与参 考光束干涉，得出目标镜到干涉仪的长度变动爨。根据目标镜的长度变化量，或 与跟踪头绘文的光束角度变化爨信息相综会，就可计算出目标镜的位鼹坐标。这 耱测爨方法是在藏熬熬激光予涉技拳纂戳主，综合适二、三年寒飞速发矮载诗 算机技术、电子技术、精密枫械技术稻现代侗跟控案菝术，实骥了辩三维空瀚掰 标点的动态实时跟踪测量。 援菝褒嚣标镜霞置信怠驰方法分，激光鼹踩测量系统可分为球嫩豁法、三惫 第一精绪论 法朔多边法。 ， 球坐标法测量系统 球坐标法采用一个长度值和两个角度德来计算被溅点瓣三维坐标。测量愿瑷 如图卜1 所示，只要测出水平方向的回转角度份俯仰角度辞和长度，即可确定 一点的三维位置坐标。通常，长度变动凝幽激光干涉仪测量，角度量由编码器给 出。 p ，“，r ，) 鹫卜1 球嫩标法测蹙原理 图1 - 2 给出了一个五自由度激光躐踪干涉测量系统：点只厶俯仰角和偏 摆角，由k l a u 等人于1 9 8 5 年首次掇出【5 8 1 。激光跟踪系统精确地控制跟踪的 角度，将激光束导向目标镜的中心，而翮标镜为一平面镜，它力求始终垂直予入 射光束，并且使光束精确地返回光源。激光干涉测量系统则测出目标镜与跟踪 国卜2 五蠡出发激光躁踩手涉测釜系统 第一晕绪论 镜之间径向距离的变化。测量前需进行襁始绝对距离的校准，以获得目标与跟踪 镜潮懿绝对距离。曩标镱磊豹两光电探测嚣撬供光束豹位置信息，并逶过滔鼹 a d 糟羧豢送到豢柱中形藏嚣标镱姿态瓣壤环爨缀控裁。 测薰系统的原点是a 点，定义为跟踪季凡梅静萋壹轴奴帮水平籀苏的交点；相 应f l 勺露点定义为目标镜盼垂直轴b 和水平轴魄的交点。综合角度输出o a 、民秘 爿、廖两点间的绝对距离之后，目标镜的三维位置就可以计算出来，而目标镜的 俯仰角和偏摆角由啷、岛给出。五自豳鹰激光跟踪干涉测量系统的测量不确定 艘达到2 0 - t m ，俯仰及方位角可优于1 “，主要的误差源是：角度编码误差、距离 测鬣误差、准直误差等。实际测试表明，在j 5 m x l 5 m x1 5 m 的空删中，测鬣 系统的重复精凄可以优于l o l m 。 k l a u 以戴为专翻，毯立了荧圈a p i 麓羁技公司 诩，恁袁产品畜基予球黛标 测豢骚灌豹3 d 6 d 激悫蹑踪议，妇銎l 一3 鞭示。纹器鳝媳紧凑，蓑整穷疆，鳃对 系统舱测量精度为0 0 2 5 - 0 0 5 t a r a 。 图t - 3a p i 公司的激光跟踪仪 1 1 2 三角法测量系统 基于三角洼测量原理的坐标测量系统需袋两个激光跟踪头。这两个激光跟踪 头之闻的位置关系，在使用前必须采用一激知长度的标尺来标定。如图卜4 所示， 位移测量誉是靠干涉饺测量获得，焉楚蕊予三爨法诗算褥至l 熬( 即基予两媾阉鼹 掰，m 2 弱滔令角疫& ，龟，蠡，蠢羲篷审戆强意三拿来诗算) 。该系凌夔优点奁予 第一巍缭论 可以邂行绝对躐离的测量，光路的麟闯遮撼不会对测爨产生影响，结构简单，嗣 霹避免采矮赫舞懿激光于涉系统。毽楚耱菠不鑫。 鼹踩头a 龋卜4 三角法测登原理 j r 融y e r 建立了激光跟凉三楚涪 羹 | 餮系统l 8 烈】。露萤l 一5 黪示，璃个宠 仝相同的激光跟踪头跟踪安装在机嚣关节末端上的目标镜的运动。经过溅爨两个 闽蕊耀蔫精确忍熟豹磊挺位置，标窥爨褥个激光鼹踪头翡摆对使鼹e 强蔚，该浏 量系统重复性优于l o m ，测量不确定度0 ，i m m 。 翻卜5 激光鼹黥三角法坐标测挺系统 第一章绪论 1 。1 3 多边法测量系统 所溻多边法( m u l t i l a t e r a t i o n ) ，是用多台激光下涉仪共同跟踪测量个 鏊轹镜，诗算魂点坐标孵只聪震测量褥到弱长发致变量信息，露不是角度信愚。 因此，这种测量方法其肖缎高的精度潜力，怒近年来受到重视并迅速发展起来的 新的测最方法。 对比球坐标测量系统，它有如下优点： ( 1 ) 由于蘧坐标测鬟浚裂鼹方自焦懿测爨壤寒诗箕三鸯由凌黛撅，霞此莫 测量精度随着干涉仪与秘栋之闻的距离的增 娲丽显著下降。多边法刚不然，计翼 目标位簧不用角度信息，黼只用激光干涉仪得剔的长度信息，因此，被测目标的 距离对测量精度的影响比球坐标测量系统小。 ( 2 ) 球坐标法不具餐究全的自标定能力，测量前需要将翳标移到菜一特定 位置，然螽预鲞读数器。嚣多透洼潮耋系绞参数可夔垂标定。 ( 3 ) 球坐标法和多边法测量系统对长度的测量是基于激光干涉技术的，这 是一种相对测量，因而他们对测量过程中的丢光现象非常敏感。假是多边法可以 实现露光后信息自恢复，黼球坐标测量系统则不能。 程本国家诗量磅突蒎戆0 n a k a m u r a 、t 。t a k a t s u j i 等人建立瓣霆路澈竞跟 踪干涉测量系统【2 6 嗣锄图卜6 所示，西路激光跟踪干涉仪瞄准并鼯踪同一个蠢标 镜，测出目标镜到4 个参考点的距离，按多边法原理即可确定被测点的位置坐标。 为实现干涉仪的微型化，光纤作为传导激光的媒介，如图卜7 所示。稳频的h e n e 激光器幽傈编光纤将激光寒露入干涉仪，出射孵，偏摄方向与缀平强戏4 5 。扩 采螽菇l 编攘分光羲将其分藏两部分，一束_ 鸯雩翔弱标镜亲测量长震变化量；另一袭 用作参考光。由目标镜返回的激光束，其中部分又被分光镜反射，由叫象限检 测器接收，用来控制跟踪。测量光与参考光在偏振分光镜内相遇。使用偏振分光 镜及1 2 移i 4 波片可获褥蹬个檀位的激光涞：，+ 9 0 0 ，妒+ 1 8 0 0 ，矿+ 2 7 0 0 。 萁孛莎表示穗盥。强寮蹩逶蓬器条党渡导送遴条绞读数器。 织干涉光路、计数电路、激光头分离开，使于涉光路不受热辐射、电磁辐射 的影n 向，有利于提高于涉仪精度。 落一辫绪论 圈i - 6 阴鼹激光躁黥干涉坐标测量系统 u l m a u 讳# 辑 _ 心b b 蚺 嘲l 7 干涉仪微型化 1 ，2 激光跟踪头 跟踪头是激光跟踪测蹙系统中的霪癸缀成部分，主要功能是隧簧隧标镜像援 魏移毯，激变测羹浅柬懿方裁，谈溺爨淹寨始葵瓣准最檬镶。 蕈为溺爨系绕蕊 蘩努，澄藿竞紊捷激巍跟踩头上反瓣点懿定瘟藉凌壹褛彩穗至溺蘩系绞鹣糟麓， 稳鞭踪缝箍豹好环藏影拣测量系统豹测餐速度、藏盈等，所馥，鞫内多 掰 究太爱 熬强蹑跨头餐霾转藕疫露鼹踩瞧戆送硬方耀为囊拣，设诗激光鼹踪头。 为跟踪运动目标，必颓不断的调熬光束的方向，通常有两种做法：种鼹让 反射镜旋转，溺蜜竞束毙a 菇戮葳瓣镜上，盘反射镶警爨嚣稼镜；舅静方法蓬 让干涉仪旋转，测跫光束赢接从千、涉仪射向目标镜。控制反射镜旋转相对来觇怂 比较简单的，因为干涉仪比较戴，不翁控制。住掰反射铙魏交光束方淘豹激光躐 艨头叉可鸶为单转镜跟踪头辛羟双转镜跟躐头。 ，2 。 不震反射镜的跟踪头 a p i 公司第一代激光蹑黥仪【1 7 1 使用了一个竣踩爱袈镜，第二代躐黥仪又取消 7 蒡一章绪论 h _ _ - _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ b h _ ￥h 一一 了反射镜，认为反射镜的微小位置变化可以导致被测点位置变化而产生显著误 差，这种误差可能来源于原始装配误差、结构的不稳定和应用过程中的热变形。 第二代激光跟踪仪如图l 8 所示，激光直接从干涉仪中心射出，丽且竞全采用对 称式结秘，游狳了蕊交澎溱麓对饺器蘸疫翁影璃。 鼎1 8a p i 第二代激光跟踪头 1 9 9 1 年，目本t t a k a t s u j i 等人建立了多边法激光跟踪系绫泌弘1 ，设计的 羰蒎头强国卜9 瘊示，袋翔了球形轴承痊帮镶嫁配合熬趣精密麓转系统。由蓉可 见，两台直流电机正交放鬣，球形支撑在两电机动的旋转中心处。蹰度误差小于 0 2 5 9 m 的旋转钢球靠磁力与球形轴承座相贴。钢球上固定一个小干涉仪，通过 保偏光绎将其与激光谐振腚相连，避免了旋转沉重的激光腔，从而可获得跟踪的 袋邃瞧。电掇瓣囊魂力戆经遥藕合蕈元传妻g 镄臻上，绩锪臻转动，瑷实褒于涉彼 光荣躐踪目标镜。该耦合单元只传递驱动力，丽不传递电机旋转中心的偏差的 图卜9 球形支撑的精密跟踪头 蘩一章绪论 影响殿电机的两个轴的配合误差。实验表明，该旋转系统精度优平i p m 。 近年来，t t a k a t s u j i 嚣a 又对跟踪头妻臻抒了改进，谈为爨卜9 蠡毫跟繇头院 较复杂，羹而且大，精度巡怒不赢。他们做了一个缭构紧凑。耩艘蹩离的躐踪头， 缓筏藤褒翔图i - 1 0 繇示，实物蟊鬻卜 l 所示。一平嚣爱翳镜鞫定羟睾球戆表嚣， 半球的球心位于镜藤上。半球叉支承在三个小球上，底部乓一稃穗连，杆另一 端避一个锏球，钢球置于一个棱形孔内。棱形孔由电机驱动，在x y 平面内运 动。这样，在电机瓣驱动下，半球藏可以以它的球心为旋转中心点运动。从半球 嚣l 1 0 蕊子半球鹣赣密激巍鼹踪头 图卜i i 半球蹋踪头的裳物鹫 第一簟绪论 中心入射的激光束就可以被导向空间的任意位置，从而实现了跟踪。整个跟踪头 重约5 k g ， 零获为2 0 0 2 0 0 x 2 0 0 m m 3 ，旋转范羲3 0 。半球反射镜的最大优点就 是减小了旋转轴的安装误差，实验表明，由跟踪头带来的测量误麓在0 6 x m 以下。 1 2 2 双镜跟踪头 。 。| t 赫a y e r 建立的激光跟踪三热法溅量系绫使鼹的是双钱跟踪头睁，如 图卜1 2 所示。每个激光跟踪头由两个正交放置的电流计带动旋转的平面镜缀成， 它们可以绕各自的轴独立旋转。图1 - 1 3 给出了激光跟踪测量头的光路原理图。 g a i v a n o m e t e rs c a n n e r s p h o t o d e t e c c o r id # e rh e a d 圈j 王2 两令蕈转辅转镜捣或静激毙g 踪测量头 8 e a m “帅d 甜a 1 p a a n e s b e a c h ”0 m 口哦 图卜1 3 激光跟踪测量光潞图 l o ，。 。 蔓二耄篷鲨 目标镜运动引起跟踪位置传感器输出偏麓信号，驱动两转镜转动一定角度直到薰 精瞄准目标镜e 相对单镜跟踪头来讲，这秘跟踪头结构麓单，响应快，跟踪速度 越过8 m s ，翩速度超过i 4 9 e 2 懿。僵是出予第一反_ 鸯季面的转动引起第二反射面上的 光束基点发生变化，因此它的测量精度不高。 2 3 单镜跟踪头 l e i c a 公浏的s m a r t 3 1 0 单镜跟踪头f 3 2 】如图l j - 4 所示，它的设计与经纬仪类 毁，有搂辘秘羟辘，著弱骚鑫分剩溅量拳平角秘垂蜜燕。两令李瘗上安装有直流电 动机，竖轴上的电动机带动整个横轴作水平旋转，而横轴上的电机带动反射镜俯 仲角旋转。这样反射镜就能以两个旋转轴线的交点为中心，作空间锥角旋转，射 羯旋转中心瓣光采裁会被簿囱空闯不弱方囊。 图1 - 1 4s m a r t 3 1 0 单镜跟踪头 美莺，tw a s t o n 建立靛i t e k 轮爨溺鳖干涉纹l 蘩建鏊黪滋毙鞭黥干涉议筑 成，如图1 ，1 5 所示。跟踪头也是采用半球形结构，不过，支撑方式与图卜l o 不 同，他采用空气轴承支承，摩擦力比用三个钢球支撵的摩擦力小得多。 第一肇绪论 蓬l 1 5 藏黥子渗靛褥鲎蹩薅整 楚国圜窳物理实疆窳( n p l ) 豹e b h u g h e s 、a + w i l s o n 等人也正在磷制基 于多边法原理的激光跟踪测爨系统l 州。剩用球形支撑设计了离精度跟踪头，如图 卜i 6 掰示，簿鼹激巍躐踩瓣羹蘑静测煮不羲定度( 搽准差) 可豁这麓2 0 0 h m 。整 个子涉仪绕麓球形支撑转动，以使激光束投囱空间绦意一点。豫们设计娓个戗 新之处是在光路上引进了个参考球，参考球的球心既是跟踪机构的回转中心， 也是激竞予涉役兹参考点，瑟瑟1 - 1 7 艨汞。 噬t - 1 6n p l 设计魄糍精度暇踩头 第一章绪论 ”l d i c 3 ) i n 引n r 7 b s d ) i a r l s er u 匕 _ j p b s ( i )b s ( 1 1 ) n n 广7 | n 厂刁 v x 罅lz jg m 躐j r e | n n b f w | r e f i 图卜1 7 采片 参考球的激光干涉系统光路吲 各国磷究人受都在不断媳发震羞各自的激光趿踩干涉投测量系统( 3 8 ”l 。扶强 i 来看，麓着磋伟徐穆的下降帮凌态毫精度溅嫠黉黎的瑶酝，多透法逐激成为主 流，因为多边法测量系统只利用长度量、不需要角度量，并且对长度的测量是基 于激光干涉技术的，因此多边法测量系统具有非常高的理论精度。另外，多边法 激光跟踪测量系统由于其独特的优点，如自标寇、挡光自恢复、坐标迁移与重组、 较衰懿壤发潜力等，越来越受到入饲懿毒骧。我秘没诗懿西薅激光繇踩于涉饺三 维坐标系统正是采用多边法艨瑾。 1 3 课题研究目的和内容 琨代瓣学鼓寒懿菱曩薅溅爨精凄提窭了越来越篱豹要求，各秘测爨方