基于激光跟踪仪和坐标测量臂的工业测量系统

　　0　引言

　　随着科学技术和航天航空工业的发展,空间大尺寸三维测量在几何量测量领域中占有越来越重要的地位。大尺寸测量领域出现了一些先进的光学三维空间坐标测量系统,激光跟踪仪就是其中一种新型工业测量系统。由于激光跟踪测量系统的快速、动态、高精度的特点,因此已被广泛应用于航空航天、汽车、造船、机械制造、核工业等精密工业测量领域[1-2]。由于激光跟踪仪属于光学仪器,在实际测量时经常会存在测量盲区,因此需要将仪器移站测量才能获取必要的点云数据。更有甚者,对于结构较为复杂的大型待测目标,单纯利用激光跟踪仪不能满足测量的要求,这就要求采用其他仪器与其配合测量。

　　坐标测量臂是一种新型的多自由度笛卡尔坐标测量系统,它将6个测量杆和一个测头通过6个旋转关节串联起来,以角度测量基准取代长度测量基准,从而具有机械结构简单、体积小、重量轻、柔性程度高等优点。由于坐标测量臂的灵活性,因而可与激光跟踪仪联合使用,完成较为复杂的大尺寸测量任务。

　　1　激光跟踪仪测量原理

　　激光跟踪仪为一个球坐标测量系统,以其回转中心为坐标原点,建立测量坐标系,其测量原理如图1所示。P为被测点,通过激光干涉测距测量极径L,利用两个角度编码器分别测量水平方位角α和竖直方位角β,即可通过如下公式确定被测点P的空间坐标(x, y, z)。

　　激光跟踪仪主要由跟踪头、目标反射镜、控制电箱和测量软件构成。跟踪头内部有一套激光干涉系统、两套角度编码器、电机以及光电接受器件等。激光器发出的光束照射到一个可沿水平轴和垂直轴旋转的平面转镜上,经转镜反射的光束照射到位于被测点的目标反射镜上。目标反射镜采用猫眼或角锥棱镜的形式(见图2)。

　　这两种反射镜均可使入射到反射镜中心的光沿原路返回,未处于反射镜中心的入射光则平行反射。猫眼和角锥棱镜各有其特点:采用猫眼时,入射光束方向在±60°范围内变化时仍可正常工作;而采用角锥棱镜时,这一角度变化范围只有±20°;但猫眼的体积和重量比角锥棱镜大一些,光能损失也较大。角锥棱镜的顶点和猫眼的球心点理论上均应与固定在其外面的球形外壳中心重合,这样在测量中转动球形外壳时,不会改变反射镜中心的位置。

　　由目标反射镜反射回来的光束被分光镜分为两路,一路进入激光干涉系统形成干涉条纹,由干涉条纹数可求得目标反射镜的移动距离;另一路照射到四象限光电接受元件上,若照射到目标反射镜上的光偏离目标反射镜的中心点,则光电元件就会输出差动电信号,该信号经放大后,通过伺服控制回路控制电机带动转镜转动,使照射到目标反射镜的光束方向发生变化,直至入射光通过目标反射镜中心为止。与转镜同轴安装的两个角度编码器则分别测出转镜水平轴和垂直轴的转角。由于激光干涉仪为增量码测量系统,因此测量前必须预设初值。跟踪头上有一固定点(Home Point),测量开始时,首先将目标反射镜置于该固定点上,该点与转镜回转中心的距离是固定的,计算机自动将初值置为该距离值,然后即可移动目标反射镜依次测量空间各被测点。