跟踪机构精度检测的研究

　　基于多边法原理的激光跟踪三维柔性坐标测量系统[1][2]具有高精度、大范围、柔性、动态、现场测量等一系列突出优点,并且通过冗余设计,系统具有自标定、丢失信息自恢复和误差自补偿的能力[5]。因此,多路激光跟踪坐标测量系统在大尺寸精密测量、机器人定位等许多领域有着极为广阔的应用前景。跟踪转镜机构作为此测量系统的关键部位,影响着测量的精度、范围和动态性能。人们设计了层叠式、独立式双转镜、独立式单转镜等机构[3]。在这些机构中,都需要保证激光入射在跟踪反射镜的中心,本文针对独立式单转镜机构[4],详细讲述了调节入射光束到跟踪转镜中心的方法。

　　一、原理

　　采用四路激光跟踪干涉测量的基本原理如图1所示。图中的Bj(j=1…4)表示每路干涉仪的干涉终点,因为其位置固定,定义为测量系统的基点,系统建立后各基点位置须保证稳定不变;T为目标镜“猫眼”的中心位置,定义为测量系统的动点。目标镜可以在三维空间内运动,每一路激光跟踪干涉仪实时跟踪目标镜的运动并测出目标镜到基点的相对长度变动量。对于任一动点T(x,y,z),按两点距离公式,相对于4个基点可以建立如下方程:

　　式中,(xj,yj,zj)为第j个基点Bj的坐标,Lj为基点Bj到初始动点T0的初始长度,两者都是待标定的量;Lj为动点T相对于基点Bj的长度变动量,也即激光跟踪干涉仪的测量值,是已知量;(x,y,z)为动点坐标,是待求量。因为Bj和Lj都是未知的常量,共16个,通过建立合适的坐标系,可将未知常量数目减少到9个。对于每一个动点Ti,未知数只有3个,而方程有4个,冗余一个方程组。每冗余一个方程,就可消除一个未知常量,当冗余的个数 9时,可按最小二乘原理求解出全部的未知常量和动点坐标[5]。

　　二、跟踪转镜机构

　　我们设计了独立式单转镜跟踪机构[4]。如图2所示,这种跟踪机构的两个电机独立放置,分别驱动反射镜绕水平轴和垂直轴旋转,光束反射点恰好位于两电机转轴相交点上,实现了反射镜能同时绕两轴转动,反射点位置不变。如图中所示,两空心杯直流力矩电机相交垂直放置,电机的轴线相交于点A,拨杆3固定在电机轴上,每一个拨杆的端头固定一个钢球,均布于工件2的V型槽内。为减小系统的摩擦,工件2外部由聚四氟乙稀材料制成,内嵌一反射镜。当电机旋转时,工件2在拨杆的驱动下围绕交点A同时绕两轴转动。当工件2旋转时,钢球1在工件2的V型槽内滑动,这样两个电机相互独立运动,互不干扰,不存在交叉耦合。由于交点A在电机的旋转过程中保持不动,也即反射点不动,所以此跟踪机构在理论上保证了光束反射点不变的情况下能将激光束导向空间任意位置。