激光跟踪仪校准技术及在机床检测中的应用讲解.docx
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激光跟踪仪校准技术及在机床检测中的应用讲解
第37卷，增刊红外与激光工程2008年4月Vol.37SupplementInfraredandLaserEngineeringApr.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
Calibrationoflasertrackeranditsapplicationindetectionof
machiningtool
YANYong-gang1,OUYANGJian-fei1,YANGHongguo2,XIAFei1
（1.PrecisionEngineeringInstitute,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China;2.JiaozuoTeachersCollege,Jiaozuo454000，China
Abstract:
Calibrationmethodforlasertrackerwasdiscussedanderrorsourceswereanlyzed.CalibrationwascarriedonbyuseofCMM.Lasertrackerwasusedtodetectlarge-scalemachiningtool.Thenthemeasuringmethodwasdescribeddetailedly.Theresultshowsthemachiningtoolcanbecheckedpreciselyandhigheffientlybylasertracker.Thepaperalsoshowsboththemachiningtoolsandotherlarge-scaleobjects,suchasassemblylineandjig,canbemeasuredbylasertracker.
Keywords:
Calibration;Lasertacker;Errorsources;Machiningtooldetection
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35m，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.1Lasertrackersystem
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：
sincossinsincostz
tztxVHyVHzV
ρρρ=⋅⋅⎧⎪
=⋅⋅⎨⎪=⋅⎩
（1式中：
ρ为极径；zH和tV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
6m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90mm，步距为90mm，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×6m＝14.8µm）。
究其原因，是未在激光跟踪仪开机3h后测量[5]。
图2激光跟踪仪干涉距离校准Fig.2InterferometerMeasurementCalibration
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1200mm，步距为120mm，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.3AngularMeasurementCalibration
160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720mm，步距为72mm，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21µm。
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11m，车床工作台在X轴向上移动的水平面直线度最大允差为
0.050mm，在Y轴
导轨方向移动时距离在500mm,1000mm内的水平面直线度为0.030mm，以后每增加1000mm允差增加0.020mm，但不能超过0.054mm。
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.4FAROSIlasertrackersystem
2.1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3m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A1上，利用激光跟踪仪测量出该被测点的空间坐标
（,,xyz。
在测出点A1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6mm，Y向进给距离为20mm，这样SMR移到点A2，同样利用激光跟踪仪测出A2的坐标。
依此步骤得到100个点的坐标值。
然后利用软件CAM2measure，以A1点为基准，依次确定点A1A2，A1A2A3，A1A2A3A4，…，A1A2…AN-1AN，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，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600mm，步距6mm，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.5LatherailinXaxialHorizontalityLinearitycurve
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0.0714mm，在600mm的行程内最大水平面直线度为0.0564mm。
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10m，步距100mm，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.6LatherailinZaxialHorizontalityLinearitycurve
由图可知，在长度测量范围内，最大水平面直线度为0.0362mm，在10m范围内的水平面直线度最大为0.0309mm。
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平面内的最大直线度，分别为0.0564mm和0.0309mm。
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：
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