激光跟踪仪校准技术及在机床检测中的应用

第37卷，增刊 红外与激光工程 2008年4月 V ol.37 Supplement Infrared and Laser Engineering Apr. 2008

收稿日期：2008-04-13

基金项目：国家自然科学基金项目(50475038)；精密测试技术及仪器国家重点实验室开放基金资助项目

激光跟踪仪校准技术及在机床检测中的应用

闫勇刚1，欧阳健飞 1，杨红果2，夏 飞1

(1.河南理工大学精密工程研究所 河南 焦作 454003；2.焦作师范高等专科学校 河南 焦作 454000)

摘要：讨论了激光跟踪仪的校准技术，分析了测量误差来源及误差对跟踪仪产生的影响，并利用三坐标测量机对激光跟踪仪进行了校准。结合生产需要，利用激光跟踪仪高效地对大型机床进行检测，制定了激光跟踪仪检测大型机床的方法。结果显示，利用激光跟踪仪能够精确地、高效地对机床进行检测，并指导工人对机床进行维护和调整。研究结果表明，激光跟踪仪不仅能对现场的机床进行精度检测，而且能对不易搬动的零部件、生产线以及夹具等进行测量。

关键词：校准； 激光跟踪仪； 误差来源； 机床检测

中图分类号：V556.7 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2008)增(几何量)-0158-04

Calibration of laser tracker and its application in detection of

machining tool

YAN Yong-gang 1, OUYANG Jian-fei 1, YANG Hongguo 2, XIA Fei 1

(1. Precision Engineering Institute, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China; 2. Jiaozuo Teachers College, Jiaozuo 454000，China)

Abstract: Calibration 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 machining tool. Then the measuring method was described detailedly. The result shows the machining tool can be checked precisely and high effiently by laser tracker. The paper also shows both the machining tools and other large-scale objects, such as assembly line and jig, can be measured by laser tracker.

Key words: Calibration; Laser tacker; Error sources; Machining tool detection

0 引 言

激光跟踪仪具有测量范围大，精度高，现场测量等优点，已被广泛应用于机械制造、航空航天、汽车、造船、工业机器人定位等精密工业领域[1,2]，因此定期检测系统精度，确保激光跟踪仪现场使用中技术性能稳定

可靠，与被检测对象的质量及安全性能密切相关。

激光跟踪仪是国际上新型的大尺寸坐标测量系统，测量范围为35 m ，测量精度1

×10-6

，既可以静态测量也可以动态测量。图1激光跟踪测量系统的结

图1 激光跟踪仪结构原理图 Fig.1 Laser tracker system

增刊 闫勇刚等：激光跟踪仪校准技术及在机床检测中的应用 159

构原理图。氦氖激光器发出的激光经双轴跟踪镜反射至SMR ，经SMR 沿原路返回，两个马达分别驱动跟踪转镜绕方位轴和俯仰轴转动，将激光始终导向反射器，马达驱动信号来自平面位置传感器PSD ，它将出射光与入射光之间的偏移量转换成驱动电信号，只要激光不中断，跟踪仪可持续跟踪目标。目前，跟踪仪都安装了红外激光器，增加了绝对距离测量（SuperADM ）模式，在激光束中断后，ADM 自动初始化激光干涉仪可保证测量继续[3]。跟踪仪至SMR 的距离通过激光干涉仪测得，马达驱动时带动编码器转动，给出方位角和俯仰角。激光跟踪仪采用球坐标定位，目标P 的三维坐标值由公式（1）得到：

sin cos sin sin cos t z

t z t x V H y V H z V

ρρρ=⋅⋅⎧⎪

=⋅⋅⎨⎪=⋅⎩

(1) 式中：ρ为极径；z H 和t V 分别为方位角和俯仰角。

文中将研究激光跟踪仪的校准方法，并举例说明其在大型车床精度检测中的应用。

1 激光跟踪仪校准技术

1.1 激光跟踪仪误差来源分析

激光跟踪仪的结构比较复杂，影响系统准确度的误差因素也非常多，但大致可分为系统误差和随机误差两类。

1.1.1 系统误差

激光跟踪仪在理想情况下应满足：（1）方位轴与俯仰轴正交，激光光轴与俯仰轴正交并与方位轴共面，三线交于一点，该点位于跟踪转镜镜面上，系跟踪仪坐标系的原点，如图1中的O 点。（2）两轴编码器与对应的轴同心且正交。（3）激光出射孔保护玻璃与激光光轴垂直等。但由于加工和装配误差、电子零点误差以及运输、温度变化、湿度变化、变形等因素的影响，上述几何关系不可能完全满足相互垂直的要求，因此存在15种系统误差，如方位轴与俯仰轴夹角误差[4]。 1.1.2 随机误差

随机误差包括：基准波长误差，波长长期稳定性误差，空气折射修正误差，基准距离误差，反射器制造误差，跟踪误差，环境误差（温度误差，湿度误差等）[5]和软件计算误差等。

由坐标计算公式可知，随机误差和系统误差最终

影响了激光测距方位角及俯仰角，而在激光跟踪仪测

量精度影响因素中，测角误差最为显著，而跟踪仪部件之间几何位置不正确是测角误差的重要来源。 1.2 激光跟踪仪校准

激光跟踪仪校准有两点校准法、双面测量法、球杆测量法等[4]。根据现有的实验条件，采用与高精度（2.8µm ）的GS9128型三坐标测量机（CMM ）进行比对来完成校准工作。具体方法为：CMM 分别做X 、Y 、Z 轴向运动，反射镜（SMR ）固定在测头上，而激光跟踪仪安装在距CMM 工作台

6 m 处，CMM 提供标准长度，激光跟踪仪给出实测值，经比较计算后可得到不同位置的距离误差[6]。

1.2.1 激光跟踪仪光轴方向测长精度校准

为了校验LTS 的激光干涉仪测量的长度，将LTS 放置在CMM 的X 轴延长线上，CMM 沿X 轴向运动90 mm ，步距为90 mm ，如图2所示。跟踪头沿光轴向跟踪SMR ，采集各点坐标，经计算得到长度误差。结果显示，最大长度误差为

15.1µm ，稍微超过了仪器的出厂精度（10µm ＋0.8µm /m ×6 m ＝14.8µm ）。究其原因，是未在激光跟踪仪开机3 h 后测量[5]。

图2 激光跟踪仪干涉距离校准 Fig.2 Interferometer Measurement Calibration

1.2.2 激光跟踪仪角向测长精度校准

为了校验LTS 的方位角度，使CMM 沿Y 轴向

运动1 200 mm ，步距为120 mm ，如图3所示。LTS 跟踪头绕方位轴转动，跟踪SMR 并给出实测值，经计算得到长度误差。结果显示，最大的长度误差为14.3µm ，满足仪器的设计精度。根据三角几何关系，可以算出角度误差。

图3 激光跟踪仪角度校准 Fig.3 Angular Measurement Calibration