激光跟蹤儀校準(zhǔn)技術(shù)及在機(jī)床檢測(cè)中的應(yīng)用講解

1、第37卷，增刊 紅外與激光工程2008年4月V ol.37 Supplement Infrared andLaser Engin eeri ng Apr. 2008Laserinterferometerr angularencoderHc-Ne lasercl ro reflector(SMR)Infrared laser/ angular I encoder收稿日期：2008-04-13基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50475038;精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介：閆勇剛（1978-），男，河南孟州人，講師，主要從事激光測(cè)量技 術(shù)及儀器方面的研究工作。 Emai

2、l: yon gga ng_ya n .c n激光跟蹤儀校準(zhǔn)技術(shù)及在機(jī)床檢測(cè)中的應(yīng)用閆勇剛1,歐陽(yáng)健飛1,楊紅果2,夏飛1（1.河南理工大學(xué)精密工程研究所 河南焦作454003; 2.焦作師范高等?？茖W(xué)校 河南焦作454000摘要：討論了激光跟蹤儀的校準(zhǔn)技術(shù)，分析了測(cè)量誤差來(lái)源及誤差對(duì)跟蹤儀產(chǎn) 生的影響，并利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)激光跟蹤儀進(jìn)行了校準(zhǔn)。結(jié)合生產(chǎn)需要，利用激 光跟蹤儀高效地對(duì)大型機(jī)床進(jìn)行檢測(cè)，制定了激光跟蹤儀檢測(cè)大型機(jī)床的方法。結(jié) 果顯示，利用激光跟蹤儀能夠精確地、高效地對(duì)機(jī)床進(jìn)行檢測(cè)，并指導(dǎo)工人對(duì)機(jī)床 進(jìn)行維護(hù)和調(diào)整。研究結(jié)果表明，激光跟蹤儀不僅能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)床進(jìn)行精度檢

3、測(cè)， 而且能對(duì)不易搬動(dòng)的零部件、生產(chǎn)線以及夾具等進(jìn)行測(cè)量。關(guān)鍵詞：校準(zhǔn)；激光跟蹤儀；誤差來(lái)源；機(jī)床檢測(cè)中圖分類號(hào)：V556.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1007-2276(2008增(幾何量-0158-04Calibrati on of laser tracker and its applicati on in detect ion ofmach ining toolYAN Yong-gang1, OUYANG Jian-fei1, YANG Hongguo 2, XIA Fei 1(1. Precision Engineering Institute, Henan Polytechnic Un

4、iversity, Jiaozuo 454003, Chi na; 2. Jiaozuo Teachers College, Jiaozuo 4540Q0Chi naAbstract: Calibrati on method for laser tracker was discussed and error sources were anlyzed. Calibration was carried on by use of CMM. Laser tracker was used to detect large-scale machi ning tool. The n the measuri n

5、g method was described detailedly. The result shows the mach ining tool can be checked precisely and high effie ntly by laser tracker. The paper also shows both the machi ning tools and other large-scale objects, such as assembly line and jig, can be measured by laser tracker.Key words: Calibratio n

6、; Laser tacker; Error sources; Machi ning tool detect ion激光跟蹤儀具有測(cè)量范圍大，精度高，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、汽車、造船、工業(yè)機(jī)器人定位等精密工業(yè)領(lǐng)域1,2，因此定期檢測(cè)系統(tǒng)精度，確保激光跟蹤儀現(xiàn)場(chǎng)使用中技術(shù)性能穩(wěn)定可靠，與被檢測(cè)對(duì)象的質(zhì)量及安全性能密切相關(guān)。激光跟蹤儀是國(guó)際上新型的大尺寸坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量范圍為35 m,測(cè)量精度1X10-6，既可以靜態(tài)測(cè)量也可以動(dòng)態(tài)測(cè)量。圖1激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)圖1激光跟蹤儀結(jié)構(gòu)原理圖 Fig.1 Laser tracker system增刊閆勇剛等：激光跟蹤儀校準(zhǔn)技術(shù)及

7、在機(jī)床檢測(cè)中的應(yīng)用159構(gòu)原理圖。氦氖激光器發(fā)出的激光經(jīng)雙軸跟蹤鏡反射至SMR，經(jīng)SMR沿原路返回，兩個(gè)馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)鏡繞方位軸和俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將激光始終導(dǎo)向反射 器，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自平面位置傳感器 PSD，它將出射光與入射光之間的偏移量 轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)電信號(hào)，只要激光不中斷，跟蹤儀可持續(xù)跟蹤目標(biāo)。目前，跟蹤儀都安 裝了紅外激光器，增加了絕對(duì)距離測(cè)量（SuperADM ）模式，在激光束中斷后， ADM自動(dòng)初始化激光干涉儀可保證測(cè)量繼續(xù)3。跟蹤儀至SMR的距離通過(guò)激光 干涉儀測(cè)得，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，給出方位角和俯仰角。激光跟蹤儀采用 球坐標(biāo)定位，目標(biāo)P的三維坐標(biāo)值由公式（1）得到：sin

8、cos sin sin cos t zt z t x V H y V H z Vpp ? = ?=? ? ?二？（1式中：p為極徑；z H和tV分別為方位角和俯仰角。文中將研究激光跟蹤儀的校準(zhǔn)方法，并舉例說(shuō)明其在大型車床精度檢測(cè)中的應(yīng) 用。1激光跟蹤儀校準(zhǔn)技術(shù)1.1激光跟蹤儀誤差來(lái)源分析激光跟蹤儀的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，影響系統(tǒng)準(zhǔn)確度的誤差因素也非常多，但大致可 分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類。1.1.1系統(tǒng)誤差激光跟蹤儀在理想情況下應(yīng)滿足：（1）方位軸與俯仰軸正交，激光光軸與俯 仰軸正交并與方位軸共面，三線交于一點(diǎn)，該點(diǎn)位于跟蹤轉(zhuǎn)鏡鏡面上，系跟蹤儀坐 標(biāo)系的原點(diǎn)，如圖1中的0點(diǎn)。（2）兩軸編碼器與對(duì)應(yīng)的

9、軸同心且正交。（3） 激光出射孔保護(hù)玻璃與激光光軸垂直等。但由于加工和裝配誤差、電子零點(diǎn)誤差以 及運(yùn)輸、溫度變化、濕度變化、變形等因素的影響，上述幾何關(guān)系不可能完全滿足相互垂直的要求，因此存在15種系統(tǒng)誤差，如方位軸與俯仰軸夾角誤差4。1.1.2隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差包括：基準(zhǔn)波長(zhǎng)誤差，波長(zhǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性誤差，空氣折射修正誤差，基準(zhǔn)距離誤差，反射器制造誤差，跟蹤誤差，環(huán)境誤差（溫度誤差，濕度誤差等）和軟件計(jì)算誤差等。由坐標(biāo)計(jì)算公式可知，隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差最終影響了激光測(cè)距方位角及俯仰角，而在激光跟蹤儀測(cè)量精度影響因素中，測(cè)角誤差最為顯著，而跟蹤儀部件之間幾何位置不正確是測(cè)角誤差的重要來(lái)源。1.2激光跟蹤

10、儀校準(zhǔn)激光跟蹤儀校準(zhǔn)有兩點(diǎn)校準(zhǔn)法、雙面測(cè)量法、球桿測(cè)量法等 4。根據(jù)現(xiàn)有的 實(shí)驗(yàn)條件，采用與高精度（2.8 m）的GS9128型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM ）進(jìn)行比 對(duì)來(lái)完成校準(zhǔn)工作。具體方法為：CMM分別做X、丫、Z軸向運(yùn)動(dòng)，反射鏡（SMR ）固定在測(cè)頭上，而激光跟蹤儀安裝在距CMM工作臺(tái)6m處，CMM提供標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，激光跟蹤儀給出實(shí)測(cè)值，經(jīng)比較計(jì)算后可得到 不同位置的距離誤差。1.2.1激光跟蹤儀光軸方向測(cè)長(zhǎng)精度校準(zhǔn)為了校驗(yàn)LTS的激光干涉儀測(cè)量的長(zhǎng)度，將 LTS放置在CMM的X軸延長(zhǎng)線 上, CMM沿X軸向運(yùn)動(dòng)90 mm，步距為90 mm，如圖2所示。跟蹤頭沿光軸向跟 蹤SMR，采集各點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)

11、計(jì)算得到長(zhǎng)度誤差。結(jié)果顯示，最大長(zhǎng)度誤差為15.1 m,稍微超過(guò)了儀器的出廠精度（10呵+ 0.8 pn/mX6 m= 14.8 m）。究其原因，是未在激光跟蹤儀開機(jī) 3 h后測(cè)量。圖 2 激光跟蹤儀干涉距離校準(zhǔn) Fig.2 Interferometer Measurement Calibration1.2.2激光跟蹤儀角向測(cè)長(zhǎng)精度校準(zhǔn)為了校驗(yàn)LTS的方位角度，使CMM沿丫軸向運(yùn)動(dòng)1 200 mm,步距為120 mm,如圖3所示。LTS跟蹤頭繞方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)，跟 蹤SMR并給出實(shí)測(cè)值，經(jīng)計(jì)算得到長(zhǎng)度誤差。結(jié)果顯示，最大的長(zhǎng)度誤差為 14.3 m，滿足儀器的設(shè)計(jì)精度。根據(jù)三角幾何關(guān)系，可以算出角度誤

12、差。圖 3 激光跟蹤儀角度校準(zhǔn) Fig.3 Angular Measurement Calibration160紅外與激光工程：高精度幾何量光電測(cè)量與校準(zhǔn)技術(shù)第37卷為了校驗(yàn)LTS的俯仰角度，CMM沿Z軸向運(yùn)動(dòng)720 mm,步距為72 mm,激 光跟蹤儀跟蹤反射鏡并給出實(shí)測(cè)值，經(jīng)計(jì)算得到長(zhǎng)度誤差。結(jié)果顯示，激光跟蹤儀 在俯仰角向上，最大的長(zhǎng)度誤差為 21阿。在用LTS檢測(cè)時(shí)，盡量避免俯仰角對(duì)測(cè) 量精度的影響。這個(gè)過(guò)程并不能對(duì)角度誤差進(jìn)行校正，如果角度誤差較大，可采用 圓周校準(zhǔn)法7。2激光跟蹤儀在車床精度檢測(cè)中的應(yīng)用由于激光跟蹤儀精度高，測(cè)量范圍大，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，利用它對(duì)一大 型機(jī)床進(jìn)行

13、了檢測(cè)。主要測(cè)量車床溜板箱上工作平臺(tái)在橫向（ X軸）和縱向（丫 軸）的移動(dòng)直線度。被檢測(cè)車床是型號(hào)CW61140的臥式車床，車身長(zhǎng)11 m,車床工作臺(tái)在X軸向上移動(dòng)的水平面直線度最大允差為0.050 mm，在 丫 軸導(dǎo)軌方向移動(dòng)時(shí)距離在500 mm, 1 000 mm內(nèi)的水平面直線度為0.030 mm,以 后每增加1 000 mm允差增加0.020 mm,但不能超過(guò)0.054 mm。根據(jù)LTS校驗(yàn)結(jié) 果，測(cè)量時(shí)避開LTS的俯仰角度的影響。圖4所示為激光跟蹤測(cè)量?jī)x在車床檢測(cè) 的應(yīng)用。圖4激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.4 FARO SI laser tracker system2.1檢測(cè)前準(zhǔn)備工

14、作在測(cè)量該臥式車床前，首先，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境是否滿足激光跟蹤儀測(cè)量條件（風(fēng)速較小、無(wú)熱源、無(wú)塵、無(wú)干擾和濕度較低），確定激光跟蹤儀的安裝位置，以確保測(cè)量時(shí)激光 束不被遮擋等；其次，通過(guò)內(nèi)置的電子水平儀將激光跟蹤頭調(diào)整為水平狀態(tài)；最 后，通過(guò)對(duì)激光跟蹤儀進(jìn)行定點(diǎn)誤差補(bǔ)償，減小激光跟蹤儀的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤 差，消除溫度和濕度對(duì)測(cè)量的影響，從而提高測(cè)量精度。將激光跟蹤儀放置在距車床約為3 m處，如圖4所示。檢查儀器的各種連接線路，以確保正確后打開儀器并 進(jìn)行定點(diǎn)補(bǔ)償；補(bǔ)償完畢后，設(shè)置測(cè)量模式和靶鏡的類型等。2.2機(jī)床檢測(cè)方案首先，確定FARO激光跟蹤儀距離測(cè)量模式。根據(jù)測(cè)量精度要求，選擇精度 相對(duì)較

15、高的IFM模式。然后，將SMR磁座固定在安裝刀具的工作平臺(tái)上，確定 SMR的位置（SMR隨工作平臺(tái)移動(dòng)時(shí)，必須保證 SMR磁座固定不變）。車床加 工精度主要由車床刀具工作臺(tái)在橫向進(jìn)給方向上的水平面直線度和在縱向進(jìn)給方向 上的水平面直線度來(lái)保證，故測(cè)量這兩個(gè)方向上的直線度來(lái)檢測(cè)車床的加工精度。具體的實(shí)施方案為：將SMR放置在第一個(gè)被測(cè)點(diǎn)A 1上，利用激光跟蹤儀測(cè) 量出該被測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)（,x y z。在測(cè)出點(diǎn)A 1后，根據(jù)臥式車床自帶的刻度以及車床的橫向和縱向 行程范圍，確定X向進(jìn)給距離為6 mm，丫向進(jìn)給距離為20 mm,這樣SMR移到 點(diǎn)A 2，同樣利用激光跟蹤儀測(cè)出 A 2的坐標(biāo)。依此步驟

16、得到100個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。 然后利用軟件CAM2 measure，以A 1點(diǎn)為基準(zhǔn)，依次確定點(diǎn) A 1A 2，A 1A 2A 3, A 1A 2A 3A 4，A 1A 2A N -1A N，并擬合出一系列直線。用軟件計(jì)算 出各段直線的水平面直線度，并與機(jī)床的允差水平面直線度進(jìn)行比較，以此確定車 床是否滿足加工要求。2.3機(jī)床檢測(cè)方法根據(jù)檢測(cè)方案，具體方法為：使機(jī)床溜板箱工作臺(tái)分別沿X軸和丫軸運(yùn)動(dòng)。SMR固定在車床溜板箱工作平臺(tái)上，平臺(tái)依次移動(dòng)到被測(cè)點(diǎn)，激光跟蹤儀測(cè)出每點(diǎn)的空間坐標(biāo)。2.3.1工作臺(tái)沿X軸方向運(yùn)動(dòng)車床溜板箱工作臺(tái)沿X軸向進(jìn)給距離600 mm,步距6 mm,激光跟蹤儀在IFM測(cè)量模式

17、下采集數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)擬合成直線，然后用自帶軟件計(jì)算出此方向上的水平面直線度，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到進(jìn)給不同距離的直線度誤差曲線，如 圖5所示。由圖可知，圖5車床工作臺(tái)在 X軸向水平面直線度曲線 Fig.5 Lathe rail in X axial Horizon tality Lin earity curve增刊閆勇剛等：激光跟蹤儀校準(zhǔn)技術(shù)及在機(jī)床檢測(cè)中的應(yīng)用1610.04axial direction motion3 2 1o o O o o OQUcdId Islwzroq-S01 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97在IFM測(cè)量模式下，工作臺(tái)最大行程的水

18、平面直線度為0.071 4 mm,在600mm的行程內(nèi)最大水平面直線度為 0.056 4 mm。與該車床的允差進(jìn)行比較，機(jī)床工 作臺(tái)在X軸向的直線度精度不滿足使用加工精度要求，建議廠方對(duì)其進(jìn)行再調(diào) 整。2.3.2車床工作臺(tái)沿丫軸床身導(dǎo)軌方向運(yùn)動(dòng)車床工作臺(tái)沿丫軸向進(jìn)給距離10 m,步距100 mm,同樣，激光跟蹤儀在 IFM模式下采集數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)擬合成直線，用自帶軟件計(jì)算出水平面直線 度，得到車床工作平臺(tái)丫軸方向上水平面直線度測(cè)量曲線，如圖6所示。圖6車床導(dǎo)軌在丫軸向水平面直線度變化曲線 Fig.6 Lathe rail in Z axialHoriz on tality Lin earity curve由圖可知，在長(zhǎng)度測(cè)量范圍內(nèi)，最大水平面直線度為0.036 2 mm,在10 m范圍內(nèi)的水平面直線度最大為0.030 9 mm。與機(jī)床允差進(jìn)行比較，工作臺(tái)在 丫軸 （床身導(dǎo)軌）方向上移動(dòng)的精度滿足加工精度要求，可以繼續(xù)使用。3結(jié)論討論了激光跟蹤儀的校準(zhǔn)技術(shù)，結(jié)果表明，激光跟蹤儀在俯仰角向上誤差較 大，需進(jìn)一步研究其產(chǎn)生的原因。利用激光跟蹤儀快速高效地對(duì)大型機(jī)床進(jìn)行檢 測(cè)，得到了工作臺(tái)橫向和縱向進(jìn)給在水平面內(nèi)的最大直線度，分別為 0.056 4 mm 和0.030 9 mm。車床刀具工作臺(tái)在X軸進(jìn)給方向直線度不滿足要求，需要調(diào)整， 而在丫軸