四路激光跟踪干涉三维坐标测量系统自标定与仿真

　　1　引　　言

　　激光跟踪测量技术最初是在机器人计量学领域发展起来的,当时主要用来解决机器人的标定问题。由于激光干涉仪是目前世界上大范围位移测量精度最高的实用工具,以多路激光跟踪干涉仪为基础的柔性坐标测量系统摆脱了传统坐标测量机精密导轨的限制,被认为是最有潜力的高精度、大范围、非接触、动态、现场测量工具。目前其应用已经延伸到各个工业领域,它可广泛应用于航空、航天、造船、重型机械、大型机组安装等领域,既可测量大型零部件、组装件外形几何参数和形位误差以及加工现场的在线测量,也适用于运动目标如机器人手臂等空间运动轨迹、姿态的监测和标定[1,2]。

　　与三坐标测量机相比,多路激光跟踪干涉坐标测量系统有更大的测量范围和更高的测量精度。多路激光跟踪干涉坐标测量系统不需要传统三坐标测量机的精密导轨,因此测量范围可以很大,适用于各个工业领域中的现场测量和大尺寸测量。多路激光跟踪干涉坐标测量系统采用激光干涉仪进行测量,并且测量原理符合Abbe原则,因此可以期望多路激光跟踪干涉坐标测量系统理论精度要优于传统三坐标测量机。与经纬仪相比,多路激光跟踪坐标测量系统有更高的效率和更高的测量精度。利用经纬仪进行测量时,属于单点、静态测量,而多路激光跟踪干涉坐标测量系统可以实现连续、动态测量,测量效率高,并且采用4路或更多路激光跟踪干涉仪组成的坐标测量系统,由于系统具有冗余特性,可以不借助于其他实物基准而完成系统自标定,这给实际应用带来了很大的便利。基于多边法原理的多路激光跟踪干涉坐标测量系统,只需测量长度量,不用测量角度量,可克服经纬仪角度测量误差的影响随距离增大而增大的缺点,因此在较大的测量范围内有着更高的测量精度。

　　多路激光跟踪干涉坐标测量系统已经引起了世界各个国家的高度重视。英国的国家物理实验室(NPL)和日本的国家计量研究室(NRLM)都已研制出基于激光跟踪和多边法原理的柔性坐标测量机的雏形[3,4]。作者也首次在国内研制了多路激光跟踪干涉柔性坐标测量系统。

　　这里在分析系统工作原理的基础上,重点研究四路激光跟踪干涉三维坐标测量系统的自标定问题,并对系统的自标定模型进行了计算机仿真。

　　2　系统工作原理

　　激光跟踪干涉仪是在传统激光干涉仪基础上加入了跟踪转镜机构,可以跟踪空间运动目标并实时测量目标到跟踪转镜中心的距离变化量。跟踪转镜机构由位置伺服系统控制,可以对空间目标点进行实时、动态跟踪,实现了由静态测量到动态跟踪测量的转变;跟踪转镜可以把激光束投向空间任意一点,从而使测量光路由固定方向的单一直线变成了可以投向空间任意点　　的无数条光线,实现了从一维直线测量到空间三维坐标测量的转变。这里利用商业激光干涉仪HP5528A,经过改造变成激光跟踪干涉仪,在单一方向干涉测距的基础上,实现了三维动态跟踪测量。