激光跟蹤儀系統(tǒng)介紹及其應(yīng)用

1、光機(jī)電一體化課程作業(yè)分時(shí)多站式激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng) 課程名稱(chēng)： 光機(jī)電一體化 院 系： 機(jī)械工程學(xué)院 班 級(jí)： 碩3002班 姓 名： 周強(qiáng) 學(xué) 號(hào): 3113001060 11目錄1 激光跟蹤儀系統(tǒng)11.1 激光跟蹤儀系統(tǒng)的概述11.2 激光跟蹤儀系統(tǒng)的基本原理11.2.1 系統(tǒng)的組成21.2.2 激光跟蹤儀系統(tǒng)的原理32 分時(shí)多站式激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)72.1 引言72.2 基于GPS多邊形定位原理72.3 分時(shí)測(cè)量的算法92.3.1 激光跟蹤儀基站的自標(biāo)定92.3.2 測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的標(biāo)定101 激光跟蹤儀系統(tǒng)1.1 激光跟蹤儀系統(tǒng)的概述激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)（Laser Tracker System

2、）是工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測(cè)量?jī)x器。它集合了激光干涉測(cè)距技術(shù)、光電探測(cè)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算理論等各種先進(jìn)技術(shù)，對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實(shí)時(shí)測(cè)量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。它具有高精度、高效率、實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量、安裝快捷、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，適合于大尺寸工件配裝測(cè)量，測(cè)量靜止目標(biāo)，跟蹤和測(cè)量移動(dòng)目標(biāo)或它們的組合。SMART310是Leica公司在1990年生產(chǎn)的第一臺(tái)激光跟蹤儀，1993年Leica公司 又推出了SMART310的第二代產(chǎn)品，其后，Leica公司還推出了LT/LTD系列的激光跟蹤儀，以滿(mǎn)足不同的工業(yè)生產(chǎn)需要。LTD系列的激光跟蹤儀采用了Leica公司專(zhuān)利的

3、絕對(duì)測(cè)距儀，測(cè)量速度快，精度高，配套的軟件則在Leica統(tǒng)一的工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)Axyz下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，包括經(jīng)緯儀測(cè)量模塊、全站儀測(cè)量模塊、激光跟蹤儀測(cè)量模塊和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量模塊等。激光跟蹤系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用始于1996年，上飛、沈飛集團(tuán)在我國(guó)第一次引進(jìn)了SMART310激光跟蹤系統(tǒng)；2005年上海盾構(gòu)公司引進(jìn)了Leica公司的一套LTD600跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)用于三維管模的檢測(cè)。 （a）API的激光跟蹤儀 (b) Leica的激光跟蹤儀 (c)Faro的激光跟蹤儀圖 11 API等公司生產(chǎn)的激光跟蹤儀1.2 激光跟蹤儀系統(tǒng)的基本原理近年來(lái)，激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，很多公司都相繼推出了各自品

4、牌的激光跟蹤儀，但所有的激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)基本都是由激光跟蹤頭（跟蹤儀）、控制器、用戶(hù)計(jì)算機(jī)、反射器（靶鏡）及測(cè)量附件等組成的。實(shí)驗(yàn)采用的是Leica AT 901 MR激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)。1.2.1 系統(tǒng)的組成激光跟蹤儀的實(shí)質(zhì)是一臺(tái)能激光干涉測(cè)距和自動(dòng)跟蹤測(cè)角測(cè)距的全站儀，區(qū)別之處在于它沒(méi)有望遠(yuǎn)鏡，跟蹤頭的激光束、旋轉(zhuǎn)鏡和旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成了激光跟蹤儀的三個(gè)軸，三軸相交的中心是測(cè)量坐標(biāo)系的原點(diǎn)。系統(tǒng)的硬件主要組成部分包括：傳感器頭、控制器、電動(dòng)機(jī)和傳感器電纜、帶LAN電纜的應(yīng)用計(jì)算機(jī)以及反射器。圖 12 激光跟蹤儀系統(tǒng)的組成(1) 傳感器頭：讀取角度和距離測(cè)量值。激光跟蹤器頭圍繞著兩根正交軸旋轉(zhuǎn)。每根軸

5、具有一個(gè)編碼器用于角度測(cè)量和一只直接供電的DC電動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行遙控移動(dòng)。傳感器頭的油缸包含了一個(gè)測(cè)量距離差的單頻激光干涉測(cè)距儀（IFM），還有一個(gè)絕對(duì)距離測(cè)量裝置（ADM）。激光束通過(guò)安裝在傾斜軸和旋轉(zhuǎn)軸交叉處的一面鏡子直指反射器。激光束也用作為儀器的平行瞄正軸。挨著激光干涉儀的光電探測(cè)器（PSD）接收部分反射光束，使跟蹤器跟隨反射器。圖 13 傳感器頭(2) 控制器: 包含電源、編碼器和干涉儀用計(jì)數(shù)器、電動(dòng)機(jī)放大器、跟蹤處理器和網(wǎng)卡跟蹤處理器將跟蹤器內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)化成角度和距離觀測(cè)值，通過(guò)局域網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用計(jì)算機(jī)上，同理從計(jì)算機(jī)中發(fā)出的指令也可以通過(guò)跟蹤處理器進(jìn)行轉(zhuǎn)換再傳送給跟蹤器，完成測(cè)量操

6、作。2 F$ ( v6 o( T# c- $ x- n(3) 電纜：傳感器電纜和電動(dòng)機(jī)電纜分別用來(lái)完成傳感器和電動(dòng)機(jī)與控制器之間的連接。LAN電纜則用于跟蹤處理器和應(yīng)用計(jì)算機(jī)之間的連接。(4) 應(yīng)用計(jì)算機(jī)：加載了工業(yè)用的專(zhuān)業(yè)配套軟件，用來(lái)發(fā)出測(cè)量指令和接收測(cè)量數(shù)據(jù)。(5) 反射器（靶標(biāo)）：是激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。作為光學(xué)逆反射器，它把所有沿光軸方向入射的光線沿原路反射回去，進(jìn)入干涉系統(tǒng)，與參考光發(fā)生干涉實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的高精度測(cè)量；作為測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)頭，它直接與被測(cè)物體接觸，用目標(biāo)反射鏡中心的坐標(biāo)值來(lái)描述被測(cè)對(duì)象的形狀和尺寸。圖 14 靶球（SMR）I- e% 8 s|; c% J) Z)

7、Y三維|cad|機(jī)械|汽車(chē)|技術(shù)|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa(6) 氣象站：記錄空氣壓力和溫度。這些數(shù)據(jù)需要用來(lái)在計(jì)算激光反射時(shí)是必需的，并通過(guò)串行接口被傳送給聯(lián)機(jī)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序。(7) 測(cè)量附件：包括三角支架、手推服務(wù)小車(chē)等。支架用來(lái)固定激光跟蹤儀，調(diào)整高度，保證各種測(cè)量模式的穩(wěn)定性，且三角支架底座帶輪子，可方便地移動(dòng)激光跟蹤儀。手推服務(wù)小車(chē)則可裝載控制器等設(shè)備，運(yùn)送方便快捷。1.2.2 激光跟蹤儀系統(tǒng)的原理要介紹激光跟蹤儀系統(tǒng)的原理就要從兩部分進(jìn)行介紹：激光跟蹤的原理和激光跟蹤儀系統(tǒng)坐標(biāo)測(cè)量的原理。a） 激光跟蹤的原

8、理當(dāng)跟蹤系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，如圖 15所示，由激光發(fā)生器射出的光束，經(jīng)過(guò)干涉光路和分光鏡，被跟蹤轉(zhuǎn)鏡反射到目標(biāo)鏡中心。沿目標(biāo)反射鏡中心入射的光線按原光路返回，返回的激光束有一部分被分光鏡反射到光電位置檢測(cè)器的中心，位置檢測(cè)器輸出零電壓信號(hào)，此時(shí)控制電路沒(méi)有信號(hào)輸出到電機(jī)。當(dāng)目標(biāo)反射鏡運(yùn)動(dòng)一個(gè)位移量后，如圖 16所示，此時(shí)光束不再?gòu)哪繕?biāo)鏡中心入射，從而目標(biāo)反射鏡返回的光束與入射光平行，兩者相距2。返回光經(jīng)過(guò)分光鏡，一部分落在位置檢測(cè)器上，此時(shí)光斑中心將偏離位置檢測(cè)器中心，隨即產(chǎn)生一個(gè)偏差信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大調(diào)節(jié)后通過(guò)伺服控制回路控制電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，使照射到目標(biāo)反射鏡的光束方向發(fā)生變化，直至入射光

9、通過(guò)目標(biāo)反射鏡的中心，使系統(tǒng)重新達(dá)到跟蹤平衡狀態(tài)。圖 15 激光跟蹤儀的平衡狀態(tài)圖 16 激光跟蹤儀的不平衡狀態(tài)b） 激光儀器的坐標(biāo)測(cè)量原理首先以跟蹤頭中心為原點(diǎn)，建立球坐標(biāo)系，如圖 17所示。圖 17 激光跟蹤儀的球坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)P (x,y,z)為被測(cè)空間點(diǎn)假設(shè)點(diǎn)P到點(diǎn)O的距離為L(zhǎng)， OP與Z軸的夾角為，OP在oxy平面內(nèi)的投影與x軸的夾角為，則點(diǎn)P (x,y,z)的表達(dá)式為： 式中，、 的值由安裝在跟蹤頭中的兩個(gè)角度編碼器測(cè)量得出，L的值通過(guò)安裝在激光頭中的激光干涉儀獲得。激光干涉法測(cè)距原理為：由激光器發(fā)射的激光經(jīng)分光鏡分成反射光束S1和透射光束S2，其中S1作為干涉參考光，S2作為測(cè)量光。

10、當(dāng)S2經(jīng)目標(biāo)反射鏡反射回來(lái)時(shí)，與S1匯合成相干光束。若兩列光S1和S2的光程差為n（為波長(zhǎng)，n為零或正整數(shù)），實(shí)際合成光的振幅是兩個(gè)分振幅之和，光強(qiáng)最大，出現(xiàn)明條紋。若S1 和S2 的光程差為/2（或半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍）時(shí)，合成光的振幅和為零，此時(shí)光強(qiáng)最小，出現(xiàn)暗條紋。所以當(dāng)目標(biāo)反射鏡在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于S1 和S2 光程差的變化，明暗相間的條紋也會(huì)發(fā)生變化。激光干涉儀就是利用這一原理使激光束產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，由光電轉(zhuǎn)換元件接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)處理后由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)位移變化量的檢測(cè)。圖 18 激光干涉測(cè)距原理由以上原理可知激光干涉儀為增量碼測(cè)量系統(tǒng)，因此測(cè)量前必須預(yù)設(shè)初值。跟蹤頭上有一個(gè)

11、固定點(diǎn)叫鳥(niǎo)巢，測(cè)量開(kāi)始時(shí)，首先將目標(biāo)反射鏡置于該固定點(diǎn)上，該點(diǎn)與跟蹤頭中心的距離是固定的，計(jì)算機(jī)自動(dòng)將初值置為該距離值，然后即可移動(dòng)目標(biāo)反射鏡進(jìn)行空間點(diǎn)的測(cè)量。由于激光干涉儀是增量碼儀器，所以在測(cè)量過(guò)程中一旦發(fā)生丟光，干涉儀就會(huì)停止計(jì)數(shù)，測(cè)量就無(wú)法繼續(xù)，整個(gè)測(cè)量過(guò)程就必須重新開(kāi)始。此外，測(cè)量系統(tǒng)給出的三維坐標(biāo)值是目標(biāo)反射鏡的中心位置，理論上目標(biāo)反射鏡的中心均與其外面的球形外殼中心重合，所以要獲得被測(cè)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值還要對(duì)直接測(cè)量值進(jìn)行半徑補(bǔ)償。2 分時(shí)多站式激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)2.1 引言激光跟蹤儀作為一種新型的工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)，具有便攜性、精度高、測(cè)量速度快等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、造船、汽車(chē)

12、、機(jī)械制造、水電等領(lǐng)域。由于激光跟蹤儀測(cè)角誤差遠(yuǎn)大于測(cè)長(zhǎng)誤差，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量距離達(dá)到十幾米甚至幾十米時(shí)，跟蹤儀測(cè)量誤差將顯著增大，因此在精密測(cè)量的領(lǐng)域使其受到一定的限制。角度誤差是引起坐標(biāo)測(cè)量誤差的主要來(lái)源。由于轉(zhuǎn)角的測(cè)量采用編碼器得到，其測(cè)量精度有限，與激光干涉的距離測(cè)量精度相差甚遠(yuǎn)，且角度誤差會(huì)隨著測(cè)量距離的增大而被進(jìn)一步放大，因而直接影響了空間坐標(biāo)點(diǎn)的整體測(cè)量精度。因此，提出了一種基于GPS定位原理的多站式測(cè)量方法，在這系統(tǒng)只利用具有納米分辨率的高精度的激光干涉儀的測(cè)距信息，而不使用誤差較大的角度信息，因此這種方法可以實(shí)現(xiàn)非常高的精確度。2.2 基于GPS多邊形定位原理GPS定位的基本原理是

13、根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，通過(guò)多個(gè)衛(wèi)星的測(cè)距信息確定待測(cè)點(diǎn)的位置。如圖 21所示，假設(shè)t時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式，通過(guò)上述四個(gè)方程式可求解出來(lái)中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)x、 y、 z 和Vt。圖 21 GPS定位原理基于多邊法的多站測(cè)量原理如圖 22所示。若已知三個(gè)測(cè)量基站、的位置，分別測(cè)量出三個(gè)基站到點(diǎn)的距離、和,然后便可以唯一確定出點(diǎn)的空間坐標(biāo)，這與GPS測(cè)量原理非常相似。多站法測(cè)量采用GPS測(cè)量原理，測(cè)量過(guò)程中只對(duì)距離測(cè)量而不涉及角度測(cè)量，只用

14、到激光跟蹤儀的測(cè)距信息，因此，這種方法具有較高的測(cè)量精度。理論上測(cè)量時(shí)只要有3個(gè)測(cè)量基站就可確定出目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，但實(shí)際測(cè)量時(shí)，為了獲得冗余的測(cè)量數(shù)據(jù)，基站數(shù)目，這樣可以提高測(cè)量系統(tǒng)的可靠性和測(cè)量精度。圖 22 多邊形原理基于多邊法的多站激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)雖具有較高精度，但需要四臺(tái)或更多的激光跟蹤儀同時(shí)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量（如圖 23所示），硬件成本比較高。圖 23 激光跟蹤儀多站式測(cè)量系統(tǒng)為了節(jié)約成本，同時(shí)保證較高的測(cè)量精度，通過(guò)一臺(tái)激光跟蹤儀先后在不同基站位置對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，即分時(shí)多站式測(cè)量。該方法與多站法測(cè)量原理相同，測(cè)量過(guò)程中涉及距離測(cè)量，只利用激光跟蹤儀的測(cè)距信息，因此，該方法具有較高

15、的測(cè)量精度，同時(shí)采用分時(shí)測(cè)量原理，硬件成本大大降低。圖 24為利用激光跟蹤儀采用多站分時(shí)測(cè)量方法對(duì)機(jī)床平動(dòng)軸誤差測(cè)量的原理圖，圖 25 分時(shí)測(cè)量的數(shù)學(xué)模型為平動(dòng)軸誤差多站分時(shí)測(cè)量的數(shù)學(xué)模型，其中、為測(cè)量時(shí)激光跟蹤儀所在的四個(gè)基站位置，刀具運(yùn)動(dòng)區(qū)域按正方體給出，為初始目標(biāo)點(diǎn)，同時(shí)在正方體的每條邊上分布著多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)數(shù)目可以根據(jù)測(cè)量的精度和實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。圖 24 多站分時(shí)測(cè)量原理圖 25 分時(shí)測(cè)量的數(shù)學(xué)模型采用多站分時(shí)測(cè)量方法檢測(cè)機(jī)床誤差時(shí)，將目標(biāo)靶鏡貓眼安裝在刀具附近，并跟隨刀具一起運(yùn)動(dòng)?？刂频毒甙丛O(shè)定的路徑在3D空間進(jìn)給，一臺(tái)激光跟蹤儀先后在不同的基站位置對(duì)刀具相同的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測(cè)量

16、。當(dāng)?shù)毒哌\(yùn)動(dòng)到各測(cè)量點(diǎn)位置時(shí)，控制刀具停止運(yùn)動(dòng)，并記下當(dāng)前位置激光跟蹤儀的測(cè)距數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)毒咦咄觐A(yù)先設(shè)定的路徑時(shí)，第一個(gè)基站位置測(cè)量結(jié)束，然后將激光跟蹤儀移動(dòng)到下一個(gè)基站位置并重復(fù)上述測(cè)量過(guò)程，直至在所有基站位置都完成對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量。2.3 分時(shí)測(cè)量的算法2.3.1 激光跟蹤儀基站的自標(biāo)定假設(shè)為初始測(cè)量點(diǎn)，刀具沿著預(yù)先設(shè)定好的路徑運(yùn)動(dòng)，在其運(yùn)動(dòng)路徑上設(shè)置一定數(shù)目的測(cè)量點(diǎn)，且各測(cè)量點(diǎn)的理論坐標(biāo)（1、2、）是已知的，測(cè)量過(guò)程中測(cè)量點(diǎn)到基站的距離記為。設(shè)基站，對(duì)測(cè)量點(diǎn)，按兩點(diǎn)距離公式可以建立如下方程組： 利用最小二乘原理，求解出正規(guī)方程： 當(dāng)式中的系數(shù)行列式不為零時(shí)，有唯一確定的解。重復(fù)上述標(biāo)定過(guò)程，即可依次標(biāo)定出基站、的空間坐標(biāo)。2.3.2 測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的標(biāo)定當(dāng)標(biāo)定出四個(gè)基站位置后，同樣的基