光笔式无导轨三坐标测量系统中的光笔冗余优化设计

　　1概述

　　光笔式无导轨三坐标测量系统的特色之一体现在测量头：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。三套角度测量系统分别对光笔上的光信号进行接收和定位，再依据三套角度测量系统之间和光笔上各发光点之间的位置关系计算出笔尖位置的三维坐标。

　　冗余技术是提高系统工作可靠性的有效手段之一，在科技领域的应用十分广泛。航天飞机的机载系统中，采用冗余的硬件来防止故障发生时造成的不良影响，如飞机上的速度陀螺仪有%个，其中个作为冗余用;机械设计中采用增加少量超定位的方法来增加结构的稳定性;机床联动轴数的增加以提高刀具运动精度;测量领域中，根据冗余原则提出的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;由四路激光跟踪干涉仪组成的三维柔性坐标测量系统，采用冗余设计，提高了测量系统的测量精度。冗余技术已经成为一种重要的系统设计方法。

　　在光笔结构设计中，将冗余原则引入，提高了系统工作的可靠度。

　　2光笔结构的冗余设计

　　2.1光笔上有两个点光源

　　光笔结构设计以空间直线和平面理论为基础。依据空间解析几何的概念，已知空间的两点坐标可确定空间的一条直线，由此可确定该直线上与已知两点有确定位置关系的点的坐标。因此，理论上讲，在光笔上布置两个点光源，就可确定光笔笔尖的坐标。

　　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。因此实际笔尖的位置与理想位置存在偏差，这种偏差是随机的，因此该项误差难以检测和修正，降低了测量精度。而且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。

　　2.2光笔上有3个点光源

　　考虑在光笔上再加入一个点光源。

　　3个点光源的坐标为(、，ya:.)，z=1,2,33个光源到笔尖的距离为d;(j=1,2,3)。依据两点距离公式，3个点光源可建立3个约束方程:

　　其中(x}, y, z,)} i=1,2,3， d;(j=1,2,3)为已}i i量，笔尖坐标(、，关:)为未知量。非线性方程组的未}I}数与方程个数相同，方程组有唯一解。此种光笔结构，要求高精度的点光源到笔尖的距离值。在实际测量中，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。此外，在光笔上放置3个点光源，当一个或两个光源的光不能被探测到时一，测量便无法进行。

　　2. 3光笔结构的兀余设计

　　采用单儿级硬件兀余方式，在光笔上再加入一个点光源，构成兀余系统，由十实际测量时一，只要任怠3个可以正常土作，测量就能实现，所以此结构称为表决兀余结构，即构成3/4G兀余系统。当光笔上放置4个点光源，构成兀余系统时一，光笔结构参数可以实现自标定。而日只要其中3个点光源能正常土作，就可实现测量。从而实现了挡光自恢复。