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多路激光跟踪干涉三维坐标测量系统冗余技术

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  1 引言

  冗余技术作为提高系统工作可靠性的一种有效手段,在各个工业领域中得到了广泛应用。航天飞机的机载系统中,通过硬件冗余保证系统工作高度可靠;数字通讯中,采用一定的冗余编码形式,可以对传递的信息进行校验,并具有纠错功能;在机械设计中加少量的超定位,可以增加结构的稳定性。冗余技术在几何量测量中特别是形状误差的测量中也有着广泛的应用。在测量工件直线度误差时,通过180°转位测量,可以将测量导轨的固有系统误差消除,提高工件的测量精度[1];在测量角度误差时,采用两个径向布置的测头分别读数,可消除偏心误差的影响,提高测量精度;在测量工件的轴系和圆度误差时,通过增加测量头数(如采用4测头法或多测头法),不仅可以实现轴系误差和圆度误差的分离,并且还可以实现对各次测量谐波误差分别优化[2],提高测量精度。这些例子都是冗余技术成功应用的典范。冗余技术已被许多系统采用,并逐渐成为系统设计的一条重要原则。以下结合实际例子,介绍冗余技术在多路激光跟踪干涉三维坐标测量系统中的应用。

  2 激光跟踪干涉测量系统工作原理

  激光跟踪干涉测量技术最初是在机器人计量学领域发展起来的。由于激光干涉仪是目前世界上大范围位移测量精度最高的实用工具,并且由多路激光跟踪干涉组成柔性坐标测量系统,不需要精密导轨,测量范围可以很大(几十米以上),因此被认为是最有潜力的高精度、大范围、非接触、动态、现场测量工具。多路激光跟踪干涉测量系统集计算机技术、激光干涉技术、精密机械技术、控制技术和现代数值计算技术于一体,能够对空间运动目标进行跟踪并实时测量其坐标和姿态(根据需要也可实时地测量运动目标的速度和加速度),是现代计量测试领域研究的前沿课题。目前其应用已经延伸到各个领域,它可广泛地应用于航空、航天、造船、重型机械、大型机组安装等领域,测量大型零部件、组装件外形几何参数和形位误差以及加工现场的在线测量,适用于运动目标如机器人手臂等空间运动轨迹、姿态的监测和标定。

  单路激光跟踪干涉仪是在传统激光干涉仪基础上加入了双轴跟踪转镜机构,可以跟踪空间运动目标并实时测量其到跟踪转镜中心的距离变化量。跟踪转镜机构由位置伺服系统控制,可以对空间目标点进行动态跟踪,实现了由静态测量到动态跟踪测量的转变;双轴跟踪转镜可以把激光束投向空间任意一点,使测量光路由固定方向的单一直线变成了可以投向空间任意点的无数条光线,从而实现了由一维直线测量到空间三维测量的转变。作者利用商品激光干涉仪HP5528A,经过改造成为激光跟踪干涉仪,在单一方向干涉测距的基础上,实现了三维动态跟踪测量。

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