激光跟踪仪坐标测量精度的研究

　　0 引 言

　　激光跟踪仪是一种便携式三维大尺寸测量设备，通过靶镜(SMR)反射跟踪仪发射的激光束，测量空间任意点的三维坐标，其测量半径达 35 m，测量精度 1×10-6，采样速度高达 1 000 点/s。在精密制造、装配及检测等工业测量和精密工程测量领域，除了传统的全站仪、经纬仪外，各种新技术不断涌现，包括激光跟踪仪、柔性多关节测量臂、激光扫描仪等，　　中激光跟踪仪具有范围广、精度高、实时快速等优点，在精密工业领域得到越来越广泛的应用[1-2]。

　　激光跟踪仪本质是一种球坐标测量系统，测量原理如图 1 所示，激光跟踪仪 1 投射激光束 2 至跟踪靶镜 3(SMR)，跟踪靶镜 3 将其光束按原路反射回跟踪仪。激光跟踪仪通过激光干涉仪及 2 个角度编码器测得被测工件的空间距离、水平角和垂直角，然后按球坐标测量原理就可以得到空间点的三维坐标 X、Y、Z。操作人员 4 只须用靶镜(SMR)接触或沿着被测工件表面移动即可获得被测工件上任意点的空间坐标。被测工件上任意点的空间坐标由公式(1)给出[3-4]

　　激光跟踪仪坐标测量精度的校准目前常用标准件进行评定。如三坐标测量机所用的标准球板等，通过对标准件的已知几何参数进行重复测量，并对测量结果进行分析，得到激光跟踪仪的坐标测量精度，但标准件的加工制造困难且易变形。因此，本文利用高精度三坐标测量机(测量精度 2.5 μm)，激光跟踪仪及标准球，在三坐标测量机上建立虚拟三维网格标准　　球板进行激光跟踪仪坐标测量精度评定实验。

　　1 影响坐标测量精度的因素

　　影响激光跟踪仪坐标测量精度的主要因素有环境因素、仪器精度、仪器校准和实际操作，其示意图如图 2 所示[5]。

　　(1)环境因素：环境因素包括温度变化[2]、外界振动、大气抖动、被测物的稳定性和强噪音干扰等都会给坐标测量精度带来影响。在这些情况下，进行测量时环境因素应严格控制并且保持温度恒定。温度、压力和相对湿度的改变，其折射率也跟着改变。气压变化 3 mmHg、温度变化 1 ℃或在 40 ℃时相对湿度变化 40%将使折射率变化百万分之一，从而影响径向或距离测量的精度。激光束通路中的热剃度、空气湍流或不同温度的气穴将影响激光束的方向，从而影响角度测量精度。外界振动会导致粗差的出现及仪器和被测物相对位置的缓慢变化，给坐标测量精度带来较大影响。

　　(2)仪器精度：仪器精度是指仪器本身固有的精度，它是由于原理、结构、制造和装调等方面的不完善所造成的。激光跟踪仪包括两个度盘及各种反射光路组成的测角系统、激光干涉测距系统及各种复杂的马达、反馈系统。在理想情况下，轴系之间应相互正交或平行，但由于加工装配误差、运输及外界环境的变化都会造成光路的改变及轴系关系的变化。在影响激光跟踪仪坐标测量精度的诸多因素中，测角误差最为显著，而仪器内部部件几何位置不正确是造成测角误差的重要因素。因此，在仪器的自校准中，测角误差是校准中的主要修正参数。仪器本身由很多电子元器件组成，它们的散热会导致仪器结构随时间而产生细微变化。且激光频率也会随时间发生漂移，为保证高精度测量及仪器的稳定性，激光跟踪仪应在测量前进行预热，以便在局部环境条件下实现热稳定[2]。