激光跟踪测量系统校验及在三维测量中的应用

1　引　言

    FARO SI型激光跟踪仪的轴向测长精度为(10μm+0·8μm/m),角向测量精度为(18μm+3μm/m),测量范围为70m。具有测量精度高、效率高、实时快速、动态测量、携带方便、安装简便等特点,在大尺寸测量、航空航天、汽车制造、精密机械、军事等领域有广泛应用。但应用于大尺寸工件三维数据的获取上还相对较少,本文以汽车为例对激光跟踪仪在大型工件三维测量中的应用作一些分析。

2　激光跟踪测量系统的工作原理

    FARO SI型激光跟踪仪主要由跟踪头、反射器、控制器和测量软件等构成,如图1所示。跟踪头内部有一套激光干涉系统、一套绝对测距、两套旋转角度编码器、光电瞄准定位系统。由HeNe激光器发出的激光经可沿水平轴和垂直轴旋转的双轴跟踪镜反射至目标,处于反射镜中心的入射光则沿原路返回,两个马达分别驱动双轴跟踪镜沿水平轴和垂直轴转动,使激光始终入射至反射器,马达驱动信号由位置检测器PSD给出,它将入射光与出射光之间的相位偏移转换成驱动电信号,实现激光跟踪仪自动跟踪。若跟踪过程中激光被遮挡,则测量被迫中断,一般是将反射器放回鸟巢或回到已知点后重新测量,给测量带来麻烦。所以FARO激光跟踪仪另有一个红外线激光器,增加了ADM(绝对距离测量)模式。激光跟踪仪中的ADM是用“相位偏移”技术来计算到目标的距离,利用ADM测出双轴跟踪镜与断光处的绝对距离来自动初始化激光跟踪仪读数,从而继续测量。

3　激光跟踪仪比对校验

    激光跟踪测量系统对汽车外形进行扫描测量前,需进行精度校验,我们采用与GS9128型三坐标测量机进行比对来完成校验工作。CMM测量精度2·8μm,符合比对校验精度要求。CMM分别做X.Y、Z轴向运动,测头上安装有反射镜,激光跟踪仪安装在距离CMM工作台12米处,CMM提供标准长度,激光跟踪仪跟踪反射镜并给出实测值,然后处理实测数据得到误差曲线。

3·1　LTS轴向测长精度校验

    CMM沿X轴向运动900mm,步距为90mm,LTS跟踪头沿轴向跟踪反射镜采集数据,其测量结果误差曲线如图2所示。

    由误差曲线图2知,当测量长度较大时,轴向误差偏离设计精度(10μm+0·8μm/m×12m=19·6μm),分析是由以下因素影响:由操作规程知,LTS在开机三小时以后使用最佳,因时间紧凑,我们在开机后即刻使用,没有达到仪器的最佳工作状态;测量前,需用系统的CAM2 Measure软件对仪器状态进行检查并对其进行定点补偿,把系统的状态调到最佳,我们只对LTS进行了后视检查,没有进行定点补偿。

3·2　LTS绕垂直轴角向测长精度校验

    CMM沿Y轴向运动1200mm,步距为120mm,LTS跟踪头绕垂直轴转动跟踪反射镜并给出实测值,得其绕垂直轴角向测长误差曲线如图3所示。