无导轨空间坐标测量系统的光笔优化设计

　  用光笔式无导轨三坐标测量系统实现空间点的三坐标高精度测量是测试领域中的全新测量方法.它利用光电系统交汇成像实现空间点的三坐标测量,具有结构简单、成本低、应用方便、测量速度快、实时性强、测量精度高等优点,可应用于航空航天、医学等测量领域.它的测量头是一支使用灵活的光笔,外形类似于常见的笔杆,所不同的是其上嵌有点光源.光笔克服了传统的三坐标测量机的局限性,实现其无法进行的现场在线测量,可测量深孔或某些特殊内表面的点,并可实现复杂形状的自由曲面测量等.光笔式无导轨三坐标测量系统总体示意图如图1所示.其总体结构由3套角度测量系统和一支光笔组成.光笔上装有4个半导体激光光纤小球,将激光通过光纤传导至端部,使小球发光.小球可作为点光源,它具有大于270°发光角、空间亮度均匀、光点小的特点.角度测量系统包括线阵PSD与相应的光学系统.利用交汇成像原理可对小球发出的光信号进行接收与定位[1].通过滤波消除杂散光的干扰后,线阵PSD的后续电路将其记录的光信号转变为电信号,然后由数据采集卡进行A/D转换并送入计算机进行处理.根据3套角度测量系统之间和光笔上各点光源之间的位置关系,可得到笔尖位置的三维坐标.当光笔笔尖接触到待测点时,待测点的三维坐标便可自动、实时地得以显示.

冗余技术是提高系统工作可靠性的有效手段之一.如航天飞机的机载系统采用冗余的硬件可以防止故障发生造成的不良影响[2];测量领域中采用四测点法和多测点法测量圆度可以有效消除轴系误差及其他误差的影响[3];三维柔性坐标测量系统中采用4路激光跟踪干涉仪可以提高测量系统的测量精度[4].

1　光笔结构的冗余设计及自标定

理论上,在光笔上布置2个点光源,就可确定光笔笔尖的坐标[5].但由于光笔加工时很难保证笔尖位于两点光源所在的直线上,实际笔尖的位置与理想位置存在偏差,这种偏差是随机的且难以检测和修正,降低了测量精度.而且实际应用中当由于光源发光角度有限或光笔上某一个光源的光被遮挡,测量便无法进行.在光笔上再加入一个点光源,依据两点距离公式,3个点光源可建立3个约束方程,非线性方程组的未知数与方程个数相同,方程组有唯一解.此种光笔结构,要求点光源到笔尖的距离值精度高.而在实际测量中,有时很难实现用高精度的测量仪器去标定笔尖到各个点光源的距离值,因此光笔结构参数误差会带入整个测量系统,降低测量精度.此外,在光笔上放置3个点光源,当两个或一个光源的光不能被探测到时,测量便无法进行.采用单元级硬件冗余方式[2],在光笔上再加入一个点光源,构成冗余系统,实际测量时,只要任意3个点光源正常工作,测量就可以实现,即构成3/4[G]冗余系统.