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1、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作者简介：闫勇刚（1978-），男，河南孟州人，讲师，主要从事激光测量技术及仪器方面的研究工作。Email: yonggang_yan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
2、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-0158-04Calibra
3、tion of laser tracker and its application in detection ofmachining toolYAN Yong-gang1, OUYANG Jian-fei1, YANG Hongguo 2, XIA Fei 1(1. Precision Engineering Institute, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China; 2. Jiaozuo Teachers College, Jiaozuo 454000，ChinaAbstract: Calibration method fo
4、r 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
5、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 detection0 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
6、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110-6，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
7、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 zt z t x V H y V H z V=(1 式中：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
8、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
9、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（2.8m）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
10、，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15.1m，稍微超过了仪器的出厂精度（10m0.8m/m6 m14.8m）。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 M
11、easurement Calibration1.2.2 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14.3m，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 Calibration160 红外与激光工程：高精度几何量光电测量与校准技术 第37卷 为了校验LTS 的俯仰角度，CMM 沿Z 轴向运动720 mm，步距为72 mm，
12、激光跟踪仪跟踪反射镜并给出实测值，经计算得到长度误差。结果显示，激光跟踪仪在俯仰角向上，最大的长度误差为21m。在用LTS 检测时，尽量避免俯仰角对测量精度的影响。这个过程并不能对角度误差进行校正，如果角度误差较大，可采用圆周校准法7。2 激光跟踪仪在车床精度检测中的应用由于激光跟踪仪精度高，测量范围大，可进行现场测量等优点，利用它对一大型机床进行了检测。主要测量车床溜板箱上工作平台在横向（X 轴）和纵向（Y 轴）的移动直线度。被检测车床是型号CW61140的卧式车床，车身长11 m，车床工作台在X 轴向上移动的水平面直线度最大允差为0.050 mm，在Y 轴导轨方向移动时距离在500 mm,
13、 1 000 mm内的水平面直线度为0.030 mm，以后每增加1 000 mm允差增加0.020 mm，但不能超过 0.054 mm 。根据LTS 校验结果，测量时避开LTS 的俯仰角度的影响。图4所示为激光跟踪测量仪在车床检测的应用。图4 激光跟踪测量系统结构图 Fig.4 FARO SI laser tracker system2.1 检测前准备工作在测量该卧式车床前，首先，根据现场工作环境是否满足激光跟踪仪测量条件（风速较小、无热源、无尘、无干扰和湿度较低），确定激光跟踪仪的安装位置，以确保测量时激光束不被遮挡等；其次，通过内置的电子水平仪将激光跟踪头调整为水平状态；最后，通过对激光跟
14、踪仪进行定点误差补偿，减小激光跟踪仪的系统误差和随机误差，消除温度和湿度对测量的影响，从而提高测量精度。将激光跟踪仪放置在距车床约为3 m处，如图4所示。检查仪器的各种连接线路，以确保正确后打开仪器并进行定点补偿；补偿完毕后，设置测量模式和靶镜的类型等。2.2 机床检测方案首先，确定FARO 激光跟踪仪距离测量模式。根据测量精度要求，选择精度相对较高的IFM 模式。然后，将SMR 磁座固定在安装刀具的工作平台上，确定SMR 的位置（SMR 随工作平台移动时，必须保证SMR 磁座固定不变）。车床加工精度主要由车床刀具工作台在横向进给方向上的水平面直线度和在纵向进给方向上的水平面直线度来保证，故测
15、量这两个方向上的直线度来检测车床的加工精度。具体的实施方案为：将SMR 放置在第一个被测点A 1上，利用激光跟踪仪测量出该被测点的空间坐标(, , x y z 。在测出点A 1后，根据卧式车床自带的刻度以及车床的横向和纵向行程范围，确定X 向进给距离为6 mm，Y 向进给距离为20 mm，这样SMR 移到点A 2，同样利用激光跟踪仪测出A 2的坐标。依此步骤得到100个点的坐标值。然后利用软件CAM2 measure，以A 1点为基准，依次确定点A 1A 2，A 1A 2A 3，A 1A 2A 3A 4，A 1A 2A N -1A N ，并拟合出一系列直线。用软件计算出各段直线的水平面直线度，
16、并与机床的允差水平面直线度进行比较，以此确定车床是否满足加工要求。 2.3 机床检测方法根据检测方案，具体方法为：使机床溜板箱工作台分别沿X 轴和Y 轴运动。SMR 固定在车床溜板箱工作平台上，平台依次移动到被测点，激光跟踪仪测出每点的空间坐标。2.3.1 工作台沿X 轴方向运动车床溜板箱工作台沿X 轴向进给距离600 mm，步距6 mm，激光跟踪仪在IFM 测量模式下采集数据，将采集的数据拟合成直线，然后用自带软件计算出此方向上的水平面直线度，通过数据处理，得到进给不同距离的直线度误差曲线，如图5所示。由图可知，图5 车床工作台在X 轴向水平面直线度曲线 Fig.5 Lathe rail i
17、n X axial Horizontality Linearity curve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161 在IFM 测量模式下，工作台最大行程的水平面直线度为0.071 4 mm，在600 mm的行程内最大水平面直线度为0.056 4 mm。与该车床的允差进行比较，机床工作台在X 轴向的直线度精度不满足使用加工精度要求，建议厂方对其进行再调整。2.3.2 车床工作台沿Y 轴床身导轨方向运动车床工作台沿Y 轴向进给距离10 m，步距100 mm，同样，激光跟踪仪在IFM 模式下采集数据，将采集的数据拟合成直线，用自带软件计算出水平面直线度，得到车床工作平台Y 轴
18、方向上水平面直线度测量曲线，如图6所示。图6 车床导轨在Y 轴向水平面直线度变化曲线 Fig.6 Lathe rail in Z axial Horizontality Linearity curve由图可知，在长度测量范围内，最大水平面直线度为0.036 2 mm，在10 m范围内的水平面直线度最大为0.030 9 mm。与机床允差进行比较，工作台在Y 轴（床身导轨）方向上移动的精度满足加工精度要求，可以继续使用。3 结 论讨论了激光跟踪仪的校准技术，结果表明，激光跟踪仪在俯仰角向上误差较大，需进一步研究其产生的原因。利用激光跟踪仪快速高效地对大型机床进行检测，得到了工作台横向和纵向进给在水
19、平面内的最大直线度，分别为0.056 4 mm和0.030 9 mm。车床刀具工作台在X 轴进给方向直线度不满足要求，需要调整，而在Y 轴，即床身导轨的直线度满足使用要求。随着现代工业的发展，要求加工制造精度高、速度快。可以预见高精度大尺寸坐标测量仪器激光跟踪仪将得到更广泛的应用。参考文献：1 张国雄. 三坐标测量机M. 天津：天津大学出版社，1999. 2YAN Y G., OUYANG J F, LIU W L, et al. Study of CAD-based laser guiding measurement technologyC/Proc. Of SPIE, 2008, 6834
20、:68343D.3周维虎，费业泰，李百源，等. 激光跟踪仪几何误差修正J.仪器仪表学报，2002，23（1）：56-63 4王彦. 激光跟踪仪测量系统校准技术研究J.测试技术，2003，（3）：37-39. 5OUYANG J F, YAN Y G. Research of measuring accuracy of laser tracker systemC/ Proc. of SPIE, 2006, 6280:62800T1-6. 6马强，闫勇刚，刘万里，等. 激光跟踪测量系统校验及在三维测量中的应用J.中国测试技术，2006，32（2）：27-28. 7OUYANG J F, LIU W L. Angular error calibration of laser tracker systemC/Proc. of SPIE, 2006, 6344:6344-6438.
