激光跟踪伺服系统设计与误差分析

　　1　工作原理

　　多路法激光跟踪干涉测量系统工作原理见图1,有多套(常为4套)激光干涉仪、跟踪机构和一个猫眼逆反射器[1]。跟踪机构中的反射镜将干涉仪的测量光束导向猫眼中心,猫眼固定在被测量物体上或沿被测表面移动,将入射到其中心的光束按原光路返回。返回的测量光束与参考光束干涉,实现对位移增量lij的测量。当lij为已知量时,计算猫眼中心的三维坐标公式为

　　式中,i为干涉仪数量,i =1,2,3,4;j为目标镜运动过程中测量点的数量,j =1,2,…;Bi为光束反射点(称基点)坐标;Tj为猫眼的运动坐标;Li为猫眼到各基点的初始距离;lij为猫眼到各基点Tj的相对距离。当j≥9时,就可以计算出基点Tj的坐标和目标运动点的坐标[2]。

　　2　跟踪机构的设计

　　跟踪机构是测量系统的关键部件[3],其动态跟踪性能、光束反射点的定位精度,直接影响了测量系统的性能和精度。按结构分,跟踪机构可分为双转镜式和单转镜式[4]。双转镜式跟踪机构是指有两个独立的反射镜,在电机的驱动下分别绕垂直轴和水平轴旋转[5]。干涉仪的测量光束经过二次反射,射向空间任意点。这种机构结构简单、动态性能好,但是光束经过二次反射,其反射基点会随着反射镜的旋转而改变,造成较大测量误差[4]。

　　单转镜式跟踪机构是指用一个反射镜将光束导向被测物体,它又可以分为层叠式和独立式。层叠式是指第一个电机实现绕垂直轴旋转,第二个电机安装在第一个电机旋转轴上,驱动反射镜绕水平轴旋转,这样反射镜在两个电机的作用下能跟踪三维运动。这种机构解决了双转镜基点变动问题,但是结构较复杂,转动惯量大,影响测量系统的动态特性。独立式单转镜跟踪机构是指两个电机独立放置,分别驱动反射　　镜绕水平轴和垂直轴旋转,实现了保证镜基点不变情况下跟踪三维运动。本文提出的是这种独立式单转镜跟踪机构,结构示意图见图2。

　　两空心杯直流电机相交垂直放置,其电机的轴线相交于点A。拨杆固定在电机轴上,每一个拨杆的端头固定一个钢球,均布于圆盘的V型内。为减小系统的摩擦,圆盘外部材料采用聚四氟乙烯,内嵌一反射镜,反射镜的反射点与轴线的交点A重合。当电机旋转时,圆盘在拨杆的驱动下围绕交点A作立体旋转。当圆盘旋转时,钢球在圆盘的V型槽内滑动,这样两个电机相互独立运动,驱动跟踪镜。由于交点A在电机的旋转过程中保持不动,也即基点不动,所以此跟踪机构在原理上保证了基点不变的情况下能将激光束反射到空间一定的立体角范围内。

　　3　机构误差分析

　　由于存在加工安装误差,跟踪机构在运动过程中对测量精度的影响主要表现在在测量过程中,交点A随着测量位置的不同而发生变化。影响交点A变化的因素有①反射镜面与回转轴交点A不共面;②固定在一个电机轴上的两个拨杆上的钢球圆心连线不通过交点A;③两对钢球的连线不垂直自身所在的电机轴线;④电机轴系运动误差。