（机械工程专业论文）大型加工机床刀具空间坐标的激光定位研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 对于动态的大型加工机床刀具空间坐标的实时定位测量是测量领域的一个 重要课题。要实现动态的刀具位置测量，目前最有前途测量方式的是采用激光 跟踪测量定位系统。基于多边法测量原理的空间坐标激光跟踪测量定位系统具 有精度高、柔性、测量范围大、动态、可现场测量等特点。因此其不仅能应用 于大型加工机床刀具空间坐标的实时定位测量，同样能够延伸到各个工业领域， 应用于航空航天、重型机械、大型机组安装等各个需要进行大尺寸的测量领域。 本课题主要对激光空间测量定位系统的设计、硬件设计和选配、控制系统 算法和控制界面设计进行了研究，本论文完成的工作和研究主要包括了以下几 个方面： ( 1 ) 建立了三维直角坐标测量系统的理想模型和二自由度激光测量机构的 结构模型。 ( 2 ) 设计了一种光纤传导激光的测量定位方案，使激光跟踪过程简化，降 低了系统对稳定性的要求。 ( 3 ) 基于多边法的激光跟踪原理，设计了一种新的激光跟踪方案。 ( 4 ) 根据激光测距传感器的通信协议，编写了基于v c + + 的激光测量定位 系统的上位机程序，编写了单片机驱动步进电机驱动器控制步进电机运转的驱 动程序，并与上位机的通讯。 ( 5 ) 分析了激光测量定位系统的误差来源，其中包括距离误差、角度误差， 机构误差以及跟踪误差，指出了其中距离误差为主要误差来源。 关键词：激光跟踪，多边法，坐标测量，动态测量，机械臂 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e a lt i m ep o s i t i o nm e a s u r i n go ft h es p a c ec o o r d i n a t e sf o rt h ed y n a m i ct o o l o fl a r g em a c h i n et o o l si sa ni m p o r t a n ti s s u ei nt h ef i e l do f m e a s u r i n g t or e a l i z et h em e a s u r e m e n to ft h ed y n a m i ct o o lp o s i t i o n , t h el a s e rt r a c k i n g m e a s u r e m e n tp o s i t i o n i n gs y s t e mi st h em o s tp r o m i s i n gw a ya tp r e s e n t t h es p a c ec o o r d i n a t e sl a s e rt r a c k i n gm e a s u r e m e n tp o s i t i o n i n gs y s t e mw h i c h b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm u l t i l a t e r a lm e t h o dh o l dm a n yc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sh i g l l p r e c i s i o n , f l e x i b l e ，m e a s u r e m e n tr a n g e ，d y n a m i c ，f i e l dm e a s u r e m e n te t c s oi t sn o t o n l yc a nb ca p p l i e dt ot h er e a lt i m es p a c ec o o r d i n a t e sm e a s u r e m e n to ft h et o o lo f l a r g em a c h i n et o o l ，c a r la l s oe x t e n d st om a n yi n d u s t r i a lf i e l d s ，f o re x a m p l e ，u s e di n a e r o s p a c e ，h e a v ym a c h i n e r y , l a r g ei n s t a l l a t i o n , a n ds o m eo t h e rf i e l dw h i c hn e e d sb i g s i z em e a s u r e m e n t t h i ss u b j e c ti sm a i n l yr e s e a r c h i n ga b o u tt h ed e s i g no ft h el a s e rm e a s u r e m e n t so f s p a c ep o s i t i o n i n gs y s t e m ，h a r d w a r ed e s i g na n ds e l e c t i o n , a l g o r i t h mo fc o n t r o ls y s t e m ， a n du s e ri n t e r f a c ed e s i g n t h i sp a p e r sr e s e a r c h i n gm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n g r e s p e c t s i b u i l ta ni d e a lm o d e lo ft h et h r e ed i m e n s i o n a lf i g h t a n g l e c o o r d i n a t e m e a s u r i n gs y s t e ma n dt w od e g r e el a s e rm e a s u r e m e n to r g a n i z a t i o ns t r u c t u r em o d e l 2 d e s i g n e dak i n do fo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o nl a s e rm e a s u r e m e n ts y s t e m ， w h i c hm a k e st h el a s e rt r a c k i n gp r o c e s sb e c o m e s i m p l e ，a n dr e d u c e st h er e q u i r e m e n t s o ft h es t a b i l i t yr e q u e s tf r o mt h es y s t e m 3 d e s i g n e dak i n do fl a s e rt r a c k i n gs c h e m ew h i c hb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fl a s e r t r a c k i n gm u l t i l a t e r a lm e t h o d 4 a c c o r d i n gt ot h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h el a s e rr a n g es e n s o r r e d a c tt h e p cp r o g r a mo ft h el a s e rm e a s u r e m e n t p o s i t i o n i n gs y s t e mw h i c hb a s i so fv i s u a lc + + ， r e d a c ts i n g l ec h i pp r o g r a mo fc o n t r o l l i n go p e r a t i o ns t e p p i n gm o t o rd r i v ed r i v e s s t e p p i n gm o t o r , a n dc o m m u n i c a t i o na n dt h es u p e r v i s o r yc o m p u t e r 5 a n a l y s e st h ee r r o rs o u r c e so fl a s e rm e a s u r e m e n tp o s i t i o n i n gs y s t e m ，i n c l u d i n g d i s t a n c ee r r o r , a n g l ee r r o r , t h ea g e n c ye r r o ra n dt h et r a c k i n ge r r o r , a n dp o i n t so u tt h e n d i s t a n c ee r r o ra st h em a i ne r r o rs o u r c e s k e yw o r d s ：l a s e rt r a c k i n g ，m u l t i l a t e r a lm e t h o d ，c o o r d i n a t em e a s u r i n g ，d y n a m i c m e a s u r e m e n t ，e r r o ra n a l y s i s ，m e c h a n i c a la r m l i l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景与意义 第一章概述 激光三维坐标测量是在机器人计量学基础上【1 】，发展起来的一种新型大范 围坐标测量得方法。观察机器人发展历程，一开始，机械臂只需做简单的“拿 起放下 动作，对定位精度以及运动性能的要求不高，但随着机器人越来越广 泛的应用，在装备、检测、钻孔、焊接等工作场合方面对于机器人的性能要求 大大提高了。机械臂的终端执行机构的位置一般都是通过关节位置信息得到的， 在此，面临着两个必须解决的问题。第一，机械臂的刚度必须足够高，因为机 械臂任何位置的弯曲都会导致控制器对于执行机构位置的错误判断；第二，即 使式采用了高精密度编码器和高刚度的组件，在大空间运动范围内，误差的积 累仍然是一个不容忽视的问题。为了获得机械臂高精度的位置信息，国内外的 研究人员提出了多种测量方法，根据其原理和采用的技术可分为：机械耦合法、 电容传感器法、摄影测量法、球坐标测量法、多边法和三角法等 2 1 1 3 1 。其中球 坐标测量法、三角法和多变法都应用到了激光自动跟踪技术。 激光三维坐标测量的激光跟踪定位测量系统的设计与兴起虽然由机器人发 展而来，但它的应用不局限于机器人的执行终端的位置测量，还可以广泛应用 于宏观大尺寸的的精密测量，例如在导弹发射架组装精度，飞机外形轮廓曲线 测定，重型机械加工与装配等方面，有可以有着十分深入的应用。随着科学技 术的发展和进步，人们对宏大尺寸的测量与定位要求一范围大、精度高、现场、 动态、实时等一越来越高，但是，很多大型测量需要现场测量，不可能将其搬 运三坐标机上来测量，即是说，现场测量的要求，传统的三坐标测量常常满足 不了。在此情形下，激光跟踪测量定位技术得到迅猛发展，近二十年来，人们 设计了许多新型的无导轨柔性坐标测量定位系统，如多视觉传感器的坐标测量 系统，光电跟踪电子经纬仪测量系统，激光跟踪测量系统等。 激光跟踪定位测量系统具有十分重要的特性，如测量范围大、柔性、动态、 实时等，其有着十分广阔的应用前景，在航空航天、造船、大型机组安装和重 型机械等大尺寸测量领域应用，都有着非常广阔的应用空间，其触角甚至延伸 到其他各个工业领域。本文的研究背景是研究大尺寸机床刀头以及缠绕铺放机 武汉理工大学硕士学位论文 械的缠绕铺放头的三维空间定位，上述提到的激光跟踪空间测量在大尺寸机床 刀头与缠绕铺放机铺放头的三维空间定位中系统中发挥关键作用。采用激光跟 踪空间测量技术的激光三维坐标定位系统，对于应用要求范围大、精度高、动 态、实时等特点的现场环境，有着重要意义。 1 2 激光定位测量系统的测量方法 1 2 1 激光的三坐标的测量法 大型机床刀具空间定位方法有多种，虽然本文主要研究的是应用激光跟踪 空间测量技术的激光空间三维坐标定位系统，但在空间三维坐标定位领域，有 一个绕不过去的地方，便是三坐标直接测量法。 三坐标测量法对大型机床刀具空间坐标的直接测量。在传统测量方法中， 是采用高精度编码器根据测定某一运动方向上驱动电机的转动信息来获得刀具 在此坐标轴上的位置。采用激光测距方法的三坐标法，与采用高精度编码器测 量的测量方法类似，由于刀具本身的不规则，其并非直接测量刀具的空间三维 坐标，而是测量与刀具在同一坐标轴上相对位置不变、方便测量的关节点。如 下图，测量刀具x 坐标，是通过测量固定刀具伸出轴的坐标，由于固定轴与刀 具在x 轴上相对位置不变，测得其相对位置，便可算出刀具在x 轴上的坐标。 同理，测量刀具y 轴上坐标是通过测量加工平台在立柱上的位置，测量刀具z 轴上坐标是通过测量立柱在导轨上的位置。 图l 一1 镗床t c 4 7 6 0 模型图 2 武汉理r 1 ：人学硕士学位论文 以镗床t c 4 7 6 0 为例，要获得加工刀头的空间三维坐标，用间接测量的方式， 要获得其y 轴坐标，是测得立柱下端测量点与加工平台的距离y l ，要获得其x 轴坐标，是测得加工平台端部测量点与加工伸出轴问的距离x 1 ，要获得其z 轴 坐标，是测得导轨测量点与立柱间的距离z 1 ，然后根据各测量点在车床坐标系 中的坐标位置，算出加工刀具在车床坐标系中的位置。 图1 2 对镗床t c 4 7 6 0 刀头坐标定位的激光测量点 目前，应用间接法测量刀具在车床坐标系中的空间位置在工业中大规模应 用的是编码器测量和光栅、磁栅、同步感应测量。编码器测量和光栅、磁栅、 同步感应测量精度高，响应快，技术成熟，以威海锐丰传感器有限公司的光栅 尺为例，分辨率能达到0 5 1 t m ，精度最高能达到10 1 t r n m ，响应速度2 5 m m i n 。 激光测量应用激光测量传感器一般应用于码头，运输，物流，建筑长宽和 面积测量等领域，测量范围比较大，但精度一般比较低，测量建筑长宽和面积 的比较的距离时，精度一般为1 5 m m ，但在测大空间方位，如野外作业距离范 围以百米计时，其精度一般为2 - 5 m 4 5 】。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 2 对镗床t c 4 7 6 0 刀头坐标定位的激光测量点 三坐标测量法则要求测量仪器直接安装在机床上，使之难以适应机床工作 环境。另外，如图1 2 ，对于有着多自由度的铺放机刀头，三坐标测量法同样也 不能适用。其相对于应用范围广，抗环境影响能力强的直接测量自成体系的测 量方式，缺陷十分明显。故一般不在此范围使用三坐标法激光测量。 1 2 2 激光的直接测量法 直接测量法是指直接测量定位刀具在空间上的位置，而不是间接地测量与 刀具在坐标轴上相对位置不变的关节点，而后算出刀具的三维坐标。 由于刀具本身的不规则，同时刀具在加工过程中是不断地在三维空间上运 动的，使用激光直接测量法便遇到以下难题： 首先如何取被测点；其次，激光如何跟踪被测点：然后，如何精确获取测 量点与被测点之间的距离；在测量跟踪过程中，光路被瞬间遮挡( 机床支架遮 挡激光发射点与刀具被测点之间的直线距离) ，坐标丢失后，系统如何寻回被测 点。 以上难题便是激光直接测量法要面对的问题，以下有两种方案。 a 多站法测量 取被测点，多站法与单一站法测量取被测点的方法是一样，取逆反射器固 4 三维坐标也就能求出来。 图1 3 三站法测量原理图 删枇姗涵彻蝴掀 蚴缈龋怖僻删俐 5 舭粮酶黼溯黼黼 武汉理工大学硕士学位论文 由于多边法激光测量系统【7 】只利用长度量，而不需要测量角度量，并且对 长度的测量是基于激光测量技术的，因此多边法激光测量系统具有很高的理论 精度。另外，由于多边法激光跟踪测量系统的自标定、挡光自恢复、坐标迁移 与重组、较高的精度潜力等十分独特的优点，其越来越受到人们的青睐。 b 单站法测量 单站法测量，相对于多站法测量而言，只需用到一个观测点，大大节约了 仪器空间和成本，同时避免了多站法测量时，多个测量站点本身的定位误差而 引入的系统误差，极大的减小了系统结构，使系统更加稳定可靠，且高速而简 约。2 l 世纪后，角度测量仪器的更新以及断光再续技术有了新的发展和进步， 特别是2 0 0 8 年徕卡公司申请的p o w e r l o c k 技术，使单站测量法最大的缺陷一光 路瞬间遮挡无法找回测量点一得到了完美的弥补。同时高精度的角度测量仪器 和具备测量绝对距离的激光干涉仪，将单站法测量在空间位置测量技术中存在 的最后两块短板补上。如l e i c aa t 9 0 1 激光跟踪仪，其精度指标使用的是最新 a s m eb 8 9 4 1 9 - 2 0 0 6 标准。使用m p e ( m a x i m u mp e r m i s s i b l ee r r o r ) 值即最大 允许误差作为精度指标，在1 0 米5 米2 5 米( 长宽高) 的范围内精度更是 达到了1 0 u m + 5 u m m ( m p e 值) ，其全量程范围( 8 0 米) 内精度达到了1 5 u m + 6 u m m ( m p e 值) 。 1 3 激光测量在各测量方法中的应用比较 1 3 1 激光测量在三坐标测量中的应用比较 目前，应用间接法测量刀具在车床坐标系中的空间位置在工业中大规模应 用的是编码器测量和光栅、磁栅、同步感应测量。编码器测量和光栅、磁栅、 同步感应测量精度高，响应快，技术成熟，以威海锐丰传感器有限公司的光栅 尺为例，分辨率能达到0 5 p m ，精度最高能达到1 0 9 m m 。激光测量应用激光测 量传感器测量范围比较大，但精度一般比较低，测量建筑长宽和面积的比较的 距离时，精度一般为1 s m m ，但在测大空间方位，如野外作业距离范围以百米 计时，其精度一般为2 5 m 。其一般应用于码头，运输，物流，建筑长宽和面积 测量等领域。 工业上应用激光测量一般为数控机床进行误差补偿。数控机床往复运动时， 齿轮间隙和零部件动力传动中产生的误差不可避免，此时，往往应用激光干涉 6 武汉理工大学硕士学位论文 仪进行误差补偿。另外，高精度的激光干涉仪也可用作对光栅，磁栅，同步感 应等高精度测量仪器的标定。 由于光学元器件一般比较娇贵，而三坐标测量法则要求测量仪器直接安装 在机床上，使之难以适应机床工作环境，相对于应用范围广，抗环境影响能力 强的直接测量自成体系的测量方式，缺陷十分明显。故一般不在三坐标测量中 使用激光测量。 1 3 2 激光测量在直接测量中的应用比较 a 多站法比较 在8 0 年代后至2 l 世纪初，角度编码器、角度码盘等角度测量仪器对动态 角度测量的精度达不到机床加工动态测量的要求，一般不采用单站法测量，而 是采用忽略角度测量的多站法测量。因为初始的一个小角度的测量误差，在一 个大尺寸的放大作用下，会使得测量位置误差变得让人无法容忍。 在解决激光跟踪问题的前提下，以多台激光干涉仪跟踪测量观测点到被测 点之间的距离，由于误差的存在，被测点位置将计算得到多个，采用多边法处 理获取的位置数据，减小误差。在1 0 米5 米2 5 米( 长宽高) 的范围内， 其精度约误差为l o l 上m 。 b 单站法比较 2 l 世纪后，角度测量仪器的更新以及断光再续技术有了新的发展和进步， 特别是2 0 0 8 年徕卡公司申请的p o w e r l o c k 技术，使单站测量法最大的缺陷 光路瞬间遮挡无法找回测量点得到了完美的弥补。 相对于多站法测量而言，只需用到一个观测点，大大节约了仪器空间和成 本，同时避免了多站法测量时，多个测量站点本身的定位误差而引入的系统误 差，极大的减小了系统结构，使系统更加稳定可靠，同时显得高速而简约。 综上所述，激光测量在直接测量法中单站法应用为最佳，相较于其他方法， 有着明显的优势，但结合目前激光跟踪与断光再续问题难以解决的情况，激光 测量在直接测量法中多站法仍有一席之地。故就激光空间定位在大型加工机床 刀具的应用中，可提出两种测量方案：1 多站法忽略角度测量，建立简化的 激光跟踪系统，采用4 台激光测距传感器来进行空间定位；2 单站法购入激 光干涉仪及高精度的角度编码器，建立高精度的激光跟踪系统，忽略断光再续 问题来进行空间定位。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 国内外发展状况 国外激光测量定位技术已经不断有新的应用产品出现，特别是应用光栅进 行检测的技术，以德国的h e i d e rh a i n 公司生产的光栅位置检测仪为例，其测量 的分辨率达到0 0 0 1 9 m m ，同时检测精度达到0 1 9 m m 。精密机床方面同样 有广泛使用定位技术的应用产品：目前国外己有位置反馈元件，例如美国 r a n k p n e u i n o 公司生产的j j a n o f o r m2 5 0 ，以及日本东芝机械公司研制的 u l g - 1 0 0 a w 光栅元件。目前国内从事这方面研究的单位也有不少：如上海的光 电量仪研究中心、哈尔滨工业大学精密工程研究中心等，即便如此，国内对精 密定位的研究和应用仍处于初始阶段，例如北京光电量仪研究中心研制的光栅 位置检测仪，其检测分辨率为0 0 1 9 m ，检测精度为+ l m m ，检测范围为1 0 0 r a m ， 相较于德国的同类产品仍有不小的差距；采用了高精度光电码盘和单频激光干 涉仪相结合的双反馈控制策略技术h c m 3 0 型超精密数控车床，可代表中国最 高的激光测量技术水品，由哈尔滨工业大学精密工程研究中心进行研制，其与 日本的同类产品有一定的差距。随着我国工业生产自动化程度的提高，对各种 精密的激光定位技术的需求越来越高，同时对其开发与应用正在提出越来越迫 切的要求。但由于国内对于精密的激光定位研究起步相对国外要晚很多，同时 历史上重视程度不高，设备更新慢，许多企业还停留在人工观察、定位的生产 阶段，严重制约了企业生产效率，使位置的精确测量定位成为提高产品质量和 数量的瓶颈【8 】。 1 5 本课题主要研究工作 本课题主要对激光空间测量定位系统的设计、硬件设计和选配、控制系统 算法和控制界面设计进行了研究，论文分为五章，第一章主要介绍了研制激光 定位系统的必要性及特性，分析了其应用前景，比较了多种大型加工机床刀具 空间坐标激光定位的方案，并列举了本文主要工作；第二章从理论上分析了四 站法定位机理及原理方案设计；第三章则主要介绍了系统的研制开发所需硬件 以及测量站点的结构设计；第四章分别从上位机和下位机的角度介绍的程序设 计原理，列举了部分代码，并对测试程序人机界面进行了介绍和测试；第五章 对全文总结并提出了改进意见。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第二章激光跟踪测量系统的分析与设计 激光测距传感器测距原理为，先由激光二极管对着目标发射激光脉冲，使 激光脉冲射向目标后并向各个方向散射，散射的部分激光将散射返回到传感器 的接收器，被接收器接收并且成像到其中的雪崩光电二极管上。雪崩光电二极 管是其内置放大功能的光学传感器，因此非常微弱的光信号都能被它检测到。 图2 1 激光传感器测距原理 激光测距传感器记录同时处理光脉冲从发出到被接收所经历的时间，即可 算出目标距离。但由于光速十分快，约3 x l o s m s ，如果想要分辨率达到l m m 的 话，则测距传感器的电子电路必须要可以分辨出3 p s 的时间，这对电子技术提出 了过高的要求，实现起来造价太高。因此，如今的激光测距传感器利用了平均 法统计学原理便可以巧妙地绕开了这一障碍，在实现了l m m 的分辨率同时，保 证了响应速度。首先，一束很细的激光从激光测距仪处向目标射出，当光电元 件接收到激光发射到目标而产生漫反射的激光束时，计时器就开始检测激光束 从发射到接收的时间，同时计算出从测量点到目标的距离。 根据第一章的论述，对于激光空间三维坐标测量的测量方案已经可以认定 为多站法测量为优。多站法测量方案的基本原理已经十分明确，即为确定a 、b 、 c 三个点的空间三维坐标已知，并且使a 、b 、c 三个点为固定的，将其定义为 测量系统的基点；另外d 点是能够运动的，将其定义为动点。通过激光测长的 方法，跟踪测量出d 点到这三个基点的位移，那么d 点得三维坐标也就能求出 9 武汉理工大学硕士学位论文 来。 由此，大体方案已经有了，但是否可行，必须先一步一步的做方案论证， 证明每一步可行，本章最后才能像拼图一样将其拼接起来。 2 1 多站法测量定位方案 多站法测量定位原理之前已经有提到，在获得基点的空间三维坐标以及不 同基点到动点之间的位置后，即可算出动点在系统坐标系中的空间三维坐标。 下面对多站法的基本测量原理进行介绍。采用三路激光测距传感器系统的参数 自标定的计算测量方法，在g p r s 卫星定位系统中得到广泛的应用，在相关的 文献中也有详细的数学公式推导，同样在实际的实验中也验证了其可行性。 图2 2 多站法测目标点坐标原理 z ，) 3 如图2 2 所示，设3 基点坐标分别为a ( x l ，y l ，z 1 ) ，b ( x 2 ，y 2 ，z 2 ) ，c ( x 3 ， y 3 ，z 3 ) ，对空间任意一动点o ( x 0 ，y o ，z 0 ) ，有下列公式成立 ( 一x o ) z + ( 乃一y o ) z + ( 刁一z o ) 2 = 巧2 其中，1 ，为第i 个基点到任意动点0 之间的直线距离，i = l ，2 ，3 。 此处有三个未知量，即动点在系统坐标系中得横坐标x ，纵坐标y ，以及垂 直坐标z ，但同样也有三个非线性的3 元2 此方程，即可将动点在系统坐标系的 位置算出来，由此便可达到测量大型加工机床刀头空间位置的目的。 综上所述，采取多站测量基点到动点长度的方案理论上是可行的，测量方 法是采用激光测距传感器进行距离测量，但随之而来的有三个问题，这两个问 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 题任何一个不能解决，都将导致本方案弃置。 首先，上文多次提到激光测量的问题，采用激光传感器测量，如何保证激 光测量点( 基点) 对准被测量点( 动点) 一即如何让激光传感器知道被测点是 哪个，然后使激光传感器的出射激光反射回来被激光传感器的接收端接收到， 使得获得的数据是基点到动点之间的距离数据。 其次，上文同样也多次提到动点，所谓动点，表明该点随时可能会改变自 己的空间三维坐标位置，如此，如何使激光测距传感器同样随着动点位置变化 去改变自己的测量方向，使得能够跟踪测量动点到基点之间的距离。 最后，既然是采用激光测距传感器测距的方式测量基点到动点之间的距离， 就必然会出现丢光的问题。丢光，即激光测距传感器的测量光束没有返回一如 光路被遮挡一使得测量点丢失。一旦出现丢光问题，由于少了一路激光测距的 数据，将立即不能计算出动点坐标，使激光空间三维坐标测量工作终止。因此， 如何在发生丢光的问题时，使断光再续或者使激光空间三维坐标测量工作继续 工作。 2 2 激光跟踪测量方案 在2 1 节提到，采用激光测距的方法要如何保证激光测量点对准被测点，使 得激光测距传感器的出射激光在命中被测点后反射回来，准确的被激光传感器 的接收端接收到。事实上，在激光测距方面，使激光返回问题已有相对比较成 熟的方案，下面将详述两种可行方案。 2 2 1 采用目标靶镜方案 采用目标靶镜，其作用有两个方面，其一，目标靶镜能够起到光学逆反射 镜的作用，使得所有沿着光轴方向入射的激光沿着原路反射回去，进入激光传 感器的接收区域，从而实现对距离的测量；另外，当激光空间三维坐标测量系 统用作检测被测对象外形尺寸时，目标靶镜可以作为系统的被测探头，直接与 被测对象接触，在获得的运动中的目标靶镜坐标信息( 运动轨迹) 时，该坐标 信息同样也是被测对象的外形尺寸信息。 采用目标靶镜的跟踪测量原理如下，所图2 3 所示，当动点跟踪系统处于跟 踪平衡状态时，由激光传感器激光头发出的光束，经过分光镜分光与跟踪转镜 武汉理工大学硕士学位论文 发射到目标靶镜。由于目标靶镜的光逆反射性，入射激光将按原路反射回来， 发射回来的激光光束中，有2 0 左右的光束被分光镜发射到光电位置检测器上。 如果发射到光电位置检测器的光束正中光电位置检测器的中心，则位置佳测器 的输出电压信号为零，控制电路不输出信号到电机上 2 0 】。 l 一一一一竺竺竺一一一一一j 图2 3 目标靶镜没有移动时 如果目标靶镜有一个运动位移量d ，使入射光线并非从目标靶镜的中心入 射，则反射回来的光束不会与入射的光线相重合，其平行方向相反，距离为2 d ， 反射回来的激光再经过分光镜，射向位置检测器上，检测光斑位置将偏离检测 器中位置2 d 。如图2 4 所示，由此，位置检测器将向控制电路发送一个偏差信 号，通过电机驱动器将信号进行放大调节，最后驱动电机带动目标靶镜旋转一 个角度，使入射激光再次由目标靶镜中心位置进入，入射激光与出射激光光路 回到跟踪平衡状态。 目标靶镜 图2 _ 4 目标靶镜有了微小位移时 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 本方案同时实现了激光测距功能，以及跟踪动点位置功能，而且能够在设 备与技术的进步的同时，极大的提高测量精度，可以最大限的实现跟踪测量定 位功能。因此，在激光测量定位领域，无论是单站法还是多站法，多采用测量 点取目标靶镜的方案。 由于希望目标靶镜能够完美的将任意方向入射的光线无偏差地原路反射回 去，则在激光跟踪系统中往往采用的目标靶镜有两种：角锥棱镜和猫眼逆反射 镜，下面对角锥棱镜与猫眼逆反射镜进行简要介绍。 角锥棱镜：角锥棱镜是三个侧面都是直角三角形同时三个侧面相互垂直的凌 锥，如图2 5 所示，由此其具有如下性质：当光从基面进入后，依次在其三个侧 面进行反射，最后仍从基面射出，出射光的出射方向与入射光的入射方向平行 并且方向刚好相反。可以将其看成自行车的尾灯，当有光照射时，有同样方向 的光反射出，好像自行车尾灯发光了一样。角锥棱镜在激光测量领域中作为线 位移和角位移的目标靶镜有着广泛应用，但由于其最大接收角仅为2 5 5 6 ”，使得 它不适合本多路激光跟踪测量系统接收角范围大得要求。 0 b 图2 5 角锥棱镜的测量范围 收危范围 猫眼逆反射镜：猫眼逆反射镜常由两个半径不同的玻璃半球组成，其中后半 球的表面镀上了反射膜，同时使前半球的焦点落到了后半球的球面上，如此， 猫眼就具有了逆反射性。如图2 - 6 所示，任意近轴光线，入射前半球后聚焦落在 后半球球面上，在后半球面上发生反射，再次透过前半球出射出去，此时出射 光平行于入射光线【2 2 】。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 前半球 图2 - 6 猫眼逆反射镜的测量范围 猫眼逆反射镜前后半球折射率关系式为： 吃= 刍 式中，1 为前半球的半径，2 为后半球的半径，前后半球的折射率相同且 均为n 。由式中可知，当折射率n - 2 时，可使2 = 。1 ，可使整个猫眼逆反射器加 工为一个完整球形。 相较于角锥棱镜，胶合一起的猫眼逆反射镜有着明显优势，它加工工艺简 单，能够相对容易保证精度，其理论接收角能够达到1 8 0 u 。但它劣势也十分明 显，对材料和工艺要求高，由于工艺不成熟，球形猫眼逆反射镜除了要求有特 殊折射率的透明介质外，在其加工过程也十分容易留下气泡，另外，猫眼的体 积小，在对于控制激光瞄准的要求也十分高。 2 2 2 采用光纤传导激光方案 光纤传导激光的方案，是对采用目标靶镜的一种补充。采用目标靶镜的方 案，一方面，以猫眼逆反射镜为例，由于球形的猫眼逆反射镜难以取的折射率 为2 的介质，同时加工工艺的困难，参考相关资料，当测量距离为l o r e 时，采 取双半球结构，取折射率为n = 1 7 4 9 7 0 8 的z f 6 为半球介质，前后半球半径分别 为吗r l = 3 0 m m ，r 2 = 4 0 0 1 5 6 m m 为佳。则1 0 米测量距离其接收激光的横截面积 为2 8 2 6 平方厘米，即时说对于激光测距传感器角度调整的运动控制系统必须能 够辨识0 0 0 3 0 的角度，这无论对传感器，编码器，还是控制器都提出了极高的要 求。 光纤传导激光测量方案如下图2 7 所示，用一根长度为1 5 m 的塑料光纤通 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 过联接头与激光测距传感器的发送头相接，将塑料光纤的另一端固定在被测点 即动点上。如此，激光测距的方式便由激光出射到目标点，再漫反射回来，计 算时间差与光速之积得两倍路程的方式，变为激光出射与检测激光返回的时间 差和光速乘积，再减去激光在光纤中行走的路程，得到测量点与被测点之间的 距离的方式。有两点是必须注意的，一是光在空气中和光纤中的速度是不一致 的，在计算时必须要考虑光纤的折射率的问题，二是激光从光纤另一端出射时， 基本上是一束直射的平行光，这并不符合要求，必须把出射端的芯皮剪掉一小 段，使光纤芯露出来，并把露出来的这一小段光纤芯磨圆磨粗糙，使得出射的 平行光变成散射光，则光纤芯磨圆头能够像一盏灯一样将光散射向四周。这里 必须提到的是，如果取一般大型加工机床测量定位的激光测距传感器，也就是 测量距离为4 0 m 的激光测距传感器，由于采用光纤传导激光的方案，使激光在 光纤中通过后，在光纤磨圆头散射出来，光强将被大幅削弱，理论上是能够测 量4 0 m 距离的激光测距传感器，经过测试，当测试距离为1 0 m 时，测量效果已 经不稳定了。因此，在不同距离测试时，便不能一味的相信测距传感器的标度， 必须实际测试。 2 6 l ：激光测距传感器；2 ：传感器接收头；3 ：传感器数据传输串口；4 ：传感器发射头；5 ： 发射头与光纤联接头：6 ：光纤芯磨圆头：7 ：塑料光纤 图2 7 光纤传导激光的测量方式 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 由此，对于激光测距传感器的角度调整的运动控制系统的要求大大降低了， 它不再受限与被测目标点的大小与监测点的连线角度，而仅与激光测距传感器 接收端口开度和激光强度有关，如图所示。以s e n s t - 7 0 激光测距传感器为例， 其接收端口单边开度角为5 7 0 ，则接收端口全开角为1 1 4 0 ，这表明激光测距传 感器角度调整的控制系统只需要能够识辨1 1 4 0 的角度即可正常检测信号，这使 得激光跟踪系统对硬件和软件的要求有了极大的拓展空间。 以上是光纤传导激光跟踪测量方案中的测量部分，光纤传导激光方案并不 像目标靶镜方案一样，其本身就同时具备测量与跟踪的能力。光纤传导激光本 身仅仅只有测量被测点与测量点的距离的能力，没有激光跟踪的能力，要做到 跟踪被测点的运动，必须依靠集体的力量。 图2 8 光纤传导激光的测量范围 光纤传导激光的跟踪部分，如图2 8 所示，采用光纤传导激光方案，激光传 感器的测量角相对于目标靶镜方案的0 0 0 5 0 有了极大地提高，理论上达到了的 i i 4 0 ，经过测试，其测量角为7 0 左右，没能达到理论值，但已经胜任要求了。 采用多站法的光纤传导激光方案，由2 1 节知，已知三测量点坐标和测得各个测 量站点到动点的距离，即可算得动点坐标q ( 而，m ，z 1 ) 。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 b 【y 幢，z 以) b ( x y 皿，z 啦l 图2 - 9 光纤传导激光方式的测量角增大 如图2 - 9 ，当被测动点在空间中有了一个小位移d 时，虽然其位置有了改变， 但由于改变量比较小，相较于测距传感器的接收角而言，测量点与被测动点之 间的连线角度改变值同样比较小，因此，即使各个测量点的测量方向不发生偏 转，仍然能够测得被测动点的坐标位置d 2 ( 毪，儿，z ：) 。 图2 1 0 激光测距传感器测量偏转角 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 当运动了一个小位移d 后的被测动点的坐标l 工z ，奶，z z ，被计算出来后，根 据动点的当前坐标以及各个站点在坐标系内的坐标值，即可算出各个站点与被 测动点之间连线的角度值，从而驱动电机使激光测距传感器的测量方向偏转角 度p ，如图2 1 0 ，使系统重新回到平衡状态。这里需要说明的是，此处的跟踪并 不是实时的，它是建立在采用光纤传导方案后使激光传感器有一个较大的测量 角的前提下，当动点位置发生一个较小改变而测量方向未发生改变时，测量系 统仍然能够获得动点位置，通过计算得测量点与被测点的连线角度，主动的驱 使电机运转使传感器的测量方向正对被测点。 2 2 3 多站法中光纤传导激光方案的跟踪问题 多路激光测距传感器测量系统除了其本身的自标定特点外，还具有丢光信 息自恢复、系统数据充足等一系列特点，在此只对设计丢光信息自恢复特点进 行介绍。当系统参数自标定完( 在系统坐标轴中定位各个基点的空间三维坐标) 后，在测量过程中，一旦发生丢光( 激光测距传感器的测量光束没有返回，使 得测量点坐标丢失，跟踪系统不能继续工作) ，测量不能继续，测量工作必须中 断并重新开始，该问题十分麻烦，而有时候丢光现象不可避免，例如在测量范 围内出项一个不可移动的障碍物挡住了光纤。在此，采取冗余站激光测距传感 器系统便显示出了其另一个优点，只要有三台测距传感器正常工作，即可确定 动点的坐标。假如某一路的激光测距传感器丢光后又恢复通光，由于其他至少 三台测距传感器均正常工作，动点o 坐标仍可获得，由此动点和基点的坐标均 知道，便可以根据丢光测量站与动点的坐标参数，算出丢光测量站与动点连线 的方向，恢复跟踪测量系统跟踪工作，使跟踪过程不至于中断，测量工作继续 进行，就如丢光事件从来没有发生过一样。 丢光之后激光测距传感器将如何重新跟踪测量? 在跟踪系统开始工作初 期，将激光测距传感器测距方向初始化，在水平方向和垂直方向获得其初始位 置，因此工作过程获得的水平方向的角度值和垂直方向的角度值都将由此获得。 获得测量站当前工作时水平角度值和垂直角度值，丢光后，根据动点的当前位 置坐标和自身的位置坐标，计算出测量站需要转动的角度，控制步进电机驱动 器驱动步进电机，调整丢光站激光接收方向，直到恢复通光，重新跟踪测量。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 1 多站法的四站测量方案 z ，) 3 因此，采用多站法测量空间三维坐标的激光空间三维坐标测量系统至少有l 站得冗余站点，来保证精度和系统可靠性。如图2 1 l ，取l 站冗余站点已经基 本能保证精度，所以取四站激光测距采集点一即四个基点对应一个动点的测量 方式构件激光空间三维坐标测量系统的跟踪测量系统 下面对有冗余站点的基本测量原理进行介绍。采用四路激光测距传感器系 统的参数自标定的计算测量方法，在g p r s 卫星定位系统中得到广泛的应用， 在相关的文献中也有详细的数学公式推导，同样在实际的实验中也验证了其可 行性。 设四基点在系统坐标系坐标分别为a ( x l ，y l ，z 1 ) ，b ( x 2 ，y 2 ，z 2 ) ，c ( x 3 ， y 3 ，z 3 ) ，d ( x 4 ，y 4 ，z 4 ) ，对空间任意一动点o ( x 0 ，y o ，z o ) ，有下式成立： ( _ 一而) 2 + ( 乃一y o ) 2 + ( 弓一毛) 2 = z 2 ( 2 - 0 其中，为第i 个基点到任意动点o 之间的直线距离，i = l ，2 ，3 ，4 。 在此必须说明，。，并非激光测距传感器测得的值。假设激光测距传感器发 出的激光在出射后t 时间后被接收到，激光测距传感器将默认为激光所跑得路程 为 s = yxr ( 2 2 ) 其中v 为激光在空气中的速度，而事实上激光所跑得时间和路程都由两部 分组成，一部分为激光在光纤中跑动，一部分为激光在空气中跑动。则由此可 知 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 s = s4 - & = m 4 - v q ( 2 - 3 ) f=+乞(2-4) 其中s 为塑料光纤长度，是为光纤出射端，即被测点到激光测距传感器接 收端距离，m 、f 1 分别为激光在塑料光纤中的速度和跑动时间，v 2 、，2 分别为激 光在空气中速度和跑动时间，同时有塑料光纤折射率为1 1 ，即有 v i v 2 = 1 n ( 2 5 ) 联立公式( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 容易得到： 互= s s , n( 2 6 ) 由上式可知，对于任意一个动点而言，都将获得4 个方程式，而每一个动 点对应的只有三个未知量，由此可知有一个方程式冗余。由于只需有三个方程 式便可获得0 点的三维空间坐标值，因此可以任取四个方程式的三个来进行求 值，于是可获得四个。点坐标值，由基点站a 、b 、ce 得q ( x o l ，y o l ，z o l ，基 点站a 、b 、d 可得q ，y 0 2 ，z 0 2 ) ，基点站a 、c 、d 可得q ( ，y 0 3 ，) ， 基点站b 、c 、d 可得d 4 ( ，y 0 4 ，缸) ，如下： f 基点站a i 弋基点站b i l 基点站c i 基点站a l 基点站b i l 基点站d r 基点站a 基点站c 叫0 3 ( ，3 ) l 基点站d 武汉理工大学硕士学位论文 r 基点站8d 4 ( x 0 4 , y 0 4 ，) 基点站c l l 基点站d 在理论上，此四个o 点坐标值应该是相等一致的，但由于测量仪器的测量 误差，系统本身计算误差，以及数据传递获取过程中产生的误差，使得计算的 出的四个o 点坐标值并不相等，可以取获得的四个值的中值，能够有效的降低 误差，在此基础上进行计算，由此可得0 ( x o ，y o ，z o ) ，其中： 综上所述，采取四个基点站测量基点到动点长度的方案是可行的。 2 3 激光测量系统坐标系与机床系统坐标系的转换 激光测量定位系统，其本质上仍是一种测量系统，则在测量前必须进行标 定，即建立测量系统的测量