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1、光机电一体化课程作业分时多站式激光跟踪仪测量系统 课程名称： 光机电一体化 院 系： 机械工程学院 班 级： 硕3002班 姓 名： 周强 学 号: 3113001060 11目录1 激光跟踪仪系统11.1 激光跟踪仪系统的概述11.2 激光跟踪仪系统的基本原理11.2.1 系统的组成21.2.2 激光跟踪仪系统的原理32 分时多站式激光跟踪仪测量系统72.1 引言72.2 基于GPS多边形定位原理72.3 分时测量的算法92.3.1 激光跟踪仪基站的自标定92.3.2 测量点坐标的标定101 激光跟踪仪系统1.1 激光跟踪仪系统的概述激光跟踪测量系统（Laser Tracker System
2、）是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸工件配装测量，测量静止目标，跟踪和测量移动目标或它们的组合。SMART310是Leica公司在1990年生产的第一台激光跟踪仪，1993年Leica公司 又推出了SMART310的第二代产品，其后，Leica公司还推出了LT/LTD系列的激光跟踪仪，以满足不同的工业生产需要。LTD系列的激光跟踪仪采用了Leica公司专利的
3、绝对测距仪，测量速度快，精度高，配套的软件则在Leica统一的工业测量系统平台Axyz下进行开发，包括经纬仪测量模块、全站仪测量模块、激光跟踪仪测量模块和数字摄影测量模块等。激光跟踪系统在我国的应用始于1996年，上飞、沈飞集团在我国第一次引进了SMART310激光跟踪系统；2005年上海盾构公司引进了Leica公司的一套LTD600跟踪测量系统，应用于三维管模的检测。 （a）API的激光跟踪仪 (b) Leica的激光跟踪仪 (c)Faro的激光跟踪仪图 11 API等公司生产的激光跟踪仪1.2 激光跟踪仪系统的基本原理近年来，激光跟踪测量系统的应用领域在不断扩大，很多公司都相继推出了各自品
4、牌的激光跟踪仪，但所有的激光跟踪测量系统基本都是由激光跟踪头（跟踪仪）、控制器、用户计算机、反射器（靶镜）及测量附件等组成的。实验采用的是Leica AT 901 MR激光跟踪测量系统。1.2.1 系统的组成激光跟踪仪的实质是一台能激光干涉测距和自动跟踪测角测距的全站仪，区别之处在于它没有望远镜，跟踪头的激光束、旋转镜和旋转轴构成了激光跟踪仪的三个轴，三轴相交的中心是测量坐标系的原点。系统的硬件主要组成部分包括：传感器头、控制器、电动机和传感器电缆、带LAN电缆的应用计算机以及反射器。图 12 激光跟踪仪系统的组成(1) 传感器头：读取角度和距离测量值。激光跟踪器头围绕着两根正交轴旋转。每根轴
5、具有一个编码器用于角度测量和一只直接供电的DC电动机来进行遥控移动。传感器头的油缸包含了一个测量距离差的单频激光干涉测距仪（IFM），还有一个绝对距离测量装置（ADM）。激光束通过安装在倾斜轴和旋转轴交叉处的一面镜子直指反射器。激光束也用作为仪器的平行瞄正轴。挨着激光干涉仪的光电探测器（PSD）接收部分反射光束，使跟踪器跟随反射器。图 13 传感器头(2) 控制器: 包含电源、编码器和干涉仪用计数器、电动机放大器、跟踪处理器和网卡跟踪处理器将跟踪器内的信号转化成角度和距离观测值，通过局域网卡将数据传送到应用计算机上，同理从计算机中发出的指令也可以通过跟踪处理器进行转换再传送给跟踪器，完成测量操
6、作。2 F$ ( v6 o( T# c- $ x- n(3) 电缆：传感器电缆和电动机电缆分别用来完成传感器和电动机与控制器之间的连接。LAN电缆则用于跟踪处理器和应用计算机之间的连接。(4) 应用计算机：加载了工业用的专业配套软件，用来发出测量指令和接收测量数据。(5) 反射器（靶标）：是激光跟踪测量系统的关键部件之一。作为光学逆反射器，它把所有沿光轴方向入射的光线沿原路反射回去，进入干涉系统，与参考光发生干涉实现对位移的高精度测量；作为测量系统的测头，它直接与被测物体接触，用目标反射镜中心的坐标值来描述被测对象的形状和尺寸。图 14 靶球（SMR）I- e% 8 s|; c% J) Z)
7、Y三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa(6) 气象站：记录空气压力和温度。这些数据需要用来在计算激光反射时是必需的，并通过串行接口被传送给联机的计算机应用程序。(7) 测量附件：包括三角支架、手推服务小车等。支架用来固定激光跟踪仪，调整高度，保证各种测量模式的稳定性，且三角支架底座带轮子，可方便地移动激光跟踪仪。手推服务小车则可装载控制器等设备，运送方便快捷。1.2.2 激光跟踪仪系统的原理要介绍激光跟踪仪系统的原理就要从两部分进行介绍：激光跟踪的原理和激光跟踪仪系统坐标测量的原理。a） 激光跟踪的原
8、理当跟踪系统处于平衡状态时，如图 15所示，由激光发生器射出的光束，经过干涉光路和分光镜，被跟踪转镜反射到目标镜中心。沿目标反射镜中心入射的光线按原光路返回，返回的激光束有一部分被分光镜反射到光电位置检测器的中心，位置检测器输出零电压信号，此时控制电路没有信号输出到电机。当目标反射镜运动一个位移量后，如图 16所示，此时光束不再从目标镜中心入射，从而目标反射镜返回的光束与入射光平行，两者相距2。返回光经过分光镜，一部分落在位置检测器上，此时光斑中心将偏离位置检测器中心，随即产生一个偏差信号，该信号经放大调节后通过伺服控制回路控制电机带动转镜转动，使照射到目标反射镜的光束方向发生变化，直至入射光
9、通过目标反射镜的中心，使系统重新达到跟踪平衡状态。图 15 激光跟踪仪的平衡状态图 16 激光跟踪仪的不平衡状态b） 激光仪器的坐标测量原理首先以跟踪头中心为原点，建立球坐标系，如图 17所示。图 17 激光跟踪仪的球坐标系统设P (x,y,z)为被测空间点假设点P到点O的距离为L， OP与Z轴的夹角为，OP在oxy平面内的投影与x轴的夹角为，则点P (x,y,z)的表达式为： 式中，、 的值由安装在跟踪头中的两个角度编码器测量得出，L的值通过安装在激光头中的激光干涉仪获得。激光干涉法测距原理为：由激光器发射的激光经分光镜分成反射光束S1和透射光束S2，其中S1作为干涉参考光，S2作为测量光。
10、当S2经目标反射镜反射回来时，与S1汇合成相干光束。若两列光S1和S2的光程差为n（为波长，n为零或正整数），实际合成光的振幅是两个分振幅之和，光强最大，出现明条纹。若S1 和S2 的光程差为/2（或半波长的奇数倍）时，合成光的振幅和为零，此时光强最小，出现暗条纹。所以当目标反射镜在空间运动时，由于S1 和S2 光程差的变化，明暗相间的条纹也会发生变化。激光干涉仪就是利用这一原理使激光束产生明暗相间的干涉条纹，由光电转换元件接收并转换为电信号，经处理后由计数器计数，实现对位移变化量的检测。图 18 激光干涉测距原理由以上原理可知激光干涉仪为增量码测量系统，因此测量前必须预设初值。跟踪头上有一个
11、固定点叫鸟巢，测量开始时，首先将目标反射镜置于该固定点上，该点与跟踪头中心的距离是固定的，计算机自动将初值置为该距离值，然后即可移动目标反射镜进行空间点的测量。由于激光干涉仪是增量码仪器，所以在测量过程中一旦发生丢光，干涉仪就会停止计数，测量就无法继续，整个测量过程就必须重新开始。此外，测量系统给出的三维坐标值是目标反射镜的中心位置，理论上目标反射镜的中心均与其外面的球形外壳中心重合，所以要获得被测点的实际坐标值还要对直接测量值进行半径补偿。2 分时多站式激光跟踪仪测量系统2.1 引言激光跟踪仪作为一种新型的工业测量系统，具有便携性、精度高、测量速度快等特点，已广泛应用于航空、航天、造船、汽车
12、、机械制造、水电等领域。由于激光跟踪仪测角误差远大于测长误差，在现场测量距离达到十几米甚至几十米时，跟踪仪测量误差将显著增大，因此在精密测量的领域使其受到一定的限制。角度误差是引起坐标测量误差的主要来源。由于转角的测量采用编码器得到，其测量精度有限，与激光干涉的距离测量精度相差甚远，且角度误差会随着测量距离的增大而被进一步放大，因而直接影响了空间坐标点的整体测量精度。因此，提出了一种基于GPS定位原理的多站式测量方法，在这系统只利用具有纳米分辨率的高精度的激光干涉仪的测距信息，而不使用误差较大的角度信息，因此这种方法可以实现非常高的精确度。2.2 基于GPS多边形定位原理GPS定位的基本原理是
13、根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，通过多个卫星的测距信息确定待测点的位置。如图 21所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式，通过上述四个方程式可求解出来中待测点坐标x、 y、 z 和Vt。图 21 GPS定位原理基于多边法的多站测量原理如图 22所示。若已知三个测量基站、的位置，分别测量出三个基站到点的距离、和,然后便可以唯一确定出点的空间坐标，这与GPS测量原理非常相似。多站法测量采用GPS测量原理，测量过程中只对距离测量而不涉及角度测量，只用
14、到激光跟踪仪的测距信息，因此，这种方法具有较高的测量精度。理论上测量时只要有3个测量基站就可确定出目标点的空间坐标，但实际测量时，为了获得冗余的测量数据，基站数目，这样可以提高测量系统的可靠性和测量精度。图 22 多边形原理基于多边法的多站激光跟踪测量系统虽具有较高精度，但需要四台或更多的激光跟踪仪同时对目标点进行测量（如图 23所示），硬件成本比较高。图 23 激光跟踪仪多站式测量系统为了节约成本，同时保证较高的测量精度，通过一台激光跟踪仪先后在不同基站位置对目标点进行测量，即分时多站式测量。该方法与多站法测量原理相同，测量过程中涉及距离测量，只利用激光跟踪仪的测距信息，因此，该方法具有较高
15、的测量精度，同时采用分时测量原理，硬件成本大大降低。图 24为利用激光跟踪仪采用多站分时测量方法对机床平动轴误差测量的原理图，图 25 分时测量的数学模型为平动轴误差多站分时测量的数学模型，其中、为测量时激光跟踪仪所在的四个基站位置，刀具运动区域按正方体给出，为初始目标点，同时在正方体的每条边上分布着多个测量点，测量点数目可以根据测量的精度和实际情况进行设置。图 24 多站分时测量原理图 25 分时测量的数学模型采用多站分时测量方法检测机床误差时，将目标靶镜猫眼安装在刀具附近，并跟随刀具一起运动。控制刀具按设定的路径在3D空间进给，一台激光跟踪仪先后在不同的基站位置对刀具相同的运动轨迹进行测量。当刀具运动到各测量点位置时，控制刀具停止运动，并记下当前位置激光跟踪仪的测距数据，当刀具走完预先设定的路径时，第一个基站位置测量结束，然后将激光跟踪仪
