激光跟踪仪的动态特性研究

 　　1　激光跟踪仪原理

　　激光跟踪仪利用反光镜中的锥角棱镜,将激光束沿原路反射回激光头,形成长度干涉仪测量臂;与两个相互垂直的度盘一起,组成了一个线性轴和两个角度轴的三维球坐标测量系统(图1)。测量时,反光镜移动到被测点,激光跟踪仪读取测量点的坐标值。通过计算,多个物体表面的点坐标拟合出被测量要素的几何参数。激光跟踪仪的便携性和广泛适用性使其在多种领域得到广泛应用。

　　2　激光跟踪仪用于动态物体轨迹的测量

　　由于激光跟踪仪可以动态跟踪反射镜,随时读取反射镜所在位置的点坐标值,故可用来测量动态物体的运动轨迹激光跟踪仪的测量软件一般具有动态测量功能,利用定时采样或等距离采样,获得运动轨迹上的点集,从而得到动态物体运动轨迹的信息。

　　3　动态测量的原理误差

　　激光跟踪仪之所以能够跟踪反射镜的运动,是因为反射镜运动会造成反射光偏离出射光位置,激光跟踪仪可以感受该偏离的方向和大小,并采取相应的驱动动作,保持出射光射在反射镜球心处(图2)。

　　从激光跟踪仪的工作原理可知,由于反射镜的运动,光束偏离球心是必然的,而保持在球心处只是人们的期望。光束偏离球心的偏离量与反射镜运动速度和激光跟踪仪的跟踪反馈速度有关。对于具体的激光跟踪仪产品,其跟踪反馈速度是固定的(虽然不同的轴可能有差异),因此,偏离量与反射镜的运动速度成正比。

　　使用激光跟踪仪进行静态测量,反射镜向目标点运动时,由于不采样,激光跟踪仪只要完成跟踪反射镜的目的即可,运动过程中的偏离不会影响测量结果。静态测量过程中,如果反射镜完全静止,激光跟踪仪的保持运动和环境干扰造成的误差可以通过滤波进行消除,例如采集200个数据进行拟合。而使用激光跟踪仪进行动态测量,采用定时或定距离采样时,测量获得的坐标值误差与该瞬间光束与球心的偏离量直接相关。反射镜在运动中,无法通过采集大量数据拟合的方法进行滤波。虽然可以采用平滑数据的方法消除一些误差,但该方法本身也可能由于轨迹的不同或点误差的大小引入不同的误差。

　　4　实验测量结果

　　根据以上分析,我们设计了一种标准圆轨迹发生器,可以为反射镜运动提供规定的速度和轨迹。标准圆半径为500 mm,运动轨迹准确度很好,相对于激光跟踪仪的准确度而言,其运动轨迹误差可以忽略。下列数据是在激光跟踪仪到轨迹发生器的距离约2.5m时实验获得的。通过对该轨迹发生器圆周上的点进行静态测量,确认其半径变化误差小于0.04mm,在激光跟踪仪静态测量最大允许误差范围之内。逐渐增大轨迹发生器转动速度,达到68 r/min时,激光跟踪仪丢失目标。在10~65 r/min之间,使用激光跟踪仪对反射镜的位置进行动态测量,测量结果中随机误差的情况如图3所示。不同转速下标准轨迹的半径测量值如表1所示。