激光光束入射角度变化对角锥棱镜测量精度的影响

为了掌握光束入射角变化对激光跟踪仪中角锥棱镜测量精度的影响规律,详细分析了角锥棱镜的工作原理和反射特性,计算了角锥棱镜在不同入射角下的实际有效反射面积,并建立了角锥棱镜有效反射面积随光束入射角变化的理论公式,进而得到角锥棱镜测量精度随光束入射角变化的规律.实验结果表明:角锥棱镜测量精度随入射角增大而减小,在最大允许入射角处发生突变.在最大允许入射角为±35.26°时,其测量误差达到0.050 mm;而在±20°内时,其测量精度优于0.010 mm;入射角在±15°内其测量精度最高,稳定性最好.所得结论证明了当角锥棱镜入射角在±20°内工作时能满足了激光跟踪仪的测量精度要求,这对角锥棱镜设计和实际测量工作具有指导意义.     

入射角度变化对角锥棱镜测量精度的影响

为了掌握角锥棱镜用在激光跟踪仪中光束入射角度变化对其测量精度的影响规律。详细分析了角锥棱镜的工作原理和反射特性。计算出了角锥棱镜在不同入射角下的实际有效反射面积,并建立了角锥棱镜有效反射面积随光束入射角度变化的理论公式,进而得到角锥棱镜测量精度随光束入射角度变化的规律。实验结果表明：角锥棱镜测量精度随入射角增大而减小,在最大允许入射角处发生突变。在最大允许入射角±35.26°时其测量误差达到0.050mm;而在±20°范围内时其测量精度优于0.010mm,且入射角度在±15°范围内其测量精度最高,稳定性最好。所得结论证明了当角锥棱镜在入射角度为±20°范围内工作时能满足了激光跟踪仪的测量精度要求,这对角锥棱镜设计和实际测量工作具有指导意义。     

激光跟踪测量系统角度自动校正装置设计

激光跟踪测量系统是目前最新型的便携式空间大尺寸坐标测量系统,利用激光干涉测长、精密测角及目标跟踪技术,可对任意点的空间位置进行实时跟踪测量。然而,目标反射器接收角度的大小严重影响了激光跟踪测量系统角度测量精度,为解决激光跟踪测量系统在动态测量中因角锥棱镜逆反射器接收角度范围限制而导致无法测量问题,研制开发了一种能使激光跟踪测量系统在动态条件下连续测量的角度自动校正装置。它主要由精密圆形导轨和角度方位自动调节机构组成,能使角锥棱镜在动态测量过程中始终指向激光跟踪测量系统,从而实现在动态条件下的连续工作。最后利用研制角度自动校正装置对激光跟踪测量系统进行了角度误差补偿实验,结果表明该装置使激光跟踪测量系统的水平角测量误差由34.69µm减小到9.71µm,垂直角测量误差由35.43µm减小到10.03µm,从而有效地提高了激光跟踪测量系统的角度测量精度。     

激光外差干涉的非线性误差补偿

为了补偿用激光外差干涉法进行纳米测量产生的非线性误差,进行了非线性误差补偿的实验研究。根据镀膜实体角锥棱镜反射光的偏振特性,推导出当激光器出射光束存在偏振椭圆化时,测量角锥棱镜以运动方向为轴线的轴向旋转对非线性误差一次谐波的影响模型。分析表明,测量角锥棱镜以其运动方向为轴线的轴向旋转会减小非线性误差一次谐波。实验显示,当测量角锥棱镜轴向旋转角从0°增加到100°时,非线性误差从3.48 nm减小到1.39 nm,实现了非线性误差一次谐波减小为原来的40%。该方法避免了现有的非线性误差补偿方法光路系统和电路系统复杂的缺点,系统实现很简单。     

激光跟踪仪的光电瞄准与定位系统

考虑激光跟踪仪的光电瞄准与定位直接影响仪器的整体测量精度和使用性能,讨论了激光跟踪仪的光电瞄准和跟踪定位控制技术并提出了光电探测瞄准、信号调理采集、数字处理及智能跟踪伺服的系统整体技术方案。对系统关键部件进行选型,利用角锥棱镜和位敏探测器(PSD)作为光电探测核心,设计了探测光路和信号处理电路。研制了系统样机,搭建了目标位移量标准测试平台,对样机光电瞄准系统探测信号进行了测试。测试结果显示:采用该设计方案设计的激光跟踪仪样机的静态定位测量精度达到6μm,随机动态跟踪测量速度大于1m/s。结果表明:提出的方法可解决激光跟踪仪定位精度低、动态跟踪效果差等常见问题,可为研制高精度、大范围、大尺寸测量仪器提供技术参考。     

基于激光跟踪仪测量方法的磁测探头空间位置测量

介绍了一种基于激光跟踪仪准直方法的磁测探头空间位置测量中的高精度定位机构,解决了在激光跟踪仪测量过程中因微小受力使磁测探头位置发生改变的问题,实现了磁测探头在空间位置测量中的高精度定位,进而实现了磁测探头的空间位置高精度测量。     

激光跟踪仪测角误差的现场评价

激光跟踪仪是基于角度传感和测长技术相结合的球坐标测量系统,其长度测量采用激光干涉测长方法,可直接溯源至激光波长,因此,激光跟踪仪的长度测量精度远高于角度测量精度,相对而言,测角误差就成为评价跟踪仪测量精度的重要指标。为了对现场测量激光跟踪仪的测角误差进行快速有效地评价,采用跟踪仪多站位对空间中测量区域内若干个被测点进行测量,与传统基于角度交汇原理的多站位冗余测量不同,利用各站位所观测的高精度测长值建立误差方程,并通过测长方向的矢量位移对跟踪仪测长误差进行约束,获得被测点三维坐标在跟踪仪水平角和垂直角方向上的改正值,以此来评价激光跟踪仪的测角误差。通过Leica激光跟踪仪AT901-LR进行了多站位测角误差评价实验,在现场测量条件下,跟踪仪水平和垂直方向测角误差约为0.003 mm/m(1σ),符合跟踪仪的测量误差特性。     

激光跟踪仪多基站转站精度模型与误差补偿

为实现大空间域激光跟踪仪的高精度测量,本文针对由转站误差导致的激光跟踪仪分时多基站测量精度难保证的问题,提出了基于多站位下单台激光跟踪仪测量误差的转站误差模型与转站参数修正的补偿方法。首先分析了激光跟踪仪测量误差的来源以及具体形式,阐述了激光跟踪仪测量误差影响空间任意点测量精度的具体形式;其次分析了激光跟踪仪的随机测量误差和系统测量误差对多基站转站参数求解精度的影响。在此基础上,建立了考虑随机、系统测量误差的激光跟踪仪多基站转站误差模型和转站参数误差补偿模型。蒙特卡洛仿真结果表明:当激光跟踪仪的长度测量误差为0.5μm/m,角度测量误差为5μm+6μm/m时,最大转站误差为0.174 7mm,补偿后最大转站误差为0.04mm,转站精度提高了77%。分时多基站转站测量实验结果表明:直接转站测量时最大转站误差为0.054 2mm,补偿后转站误差为0.033 1mm,转站精度提升了38.9%。激光跟踪转站补偿后测量精度有明显的提高。     

综合建站误差的激光跟踪仪测量不确定度评估

针对航空制造业中面向大尺寸空间的激光跟踪仪测量不确定度评估问题,提出了综合建站误差的激光跟踪仪测量不确定度评估方法。在构建激光跟踪仪测量模型与误差模型的基础上,将测量设备建站误差引入优化模型,并通过跟踪仪建站、空间点测量等环节,对受建站误差和测量误差双重因素影响的跟踪仪空间点测量不确定度进行了仿真测试和数据分析。以某工装的现场测量为例,构建了仿真测量空间,通过对比地标点采样值与实测值之间的偏差,验证了算法的有效性。     

激光跟踪测量系统比对校验

介绍激光跟踪仪精度校验方法。用激光跟踪仪与高精密立式加工中心比对来测量激光跟踪仪在IFM(干涉测量模式)模式下精度，为激光跟踪系统的验收提供依据，同时为激光跟踪仪误差补偿提供数据支持。     

光束平差在激光跟踪仪系统精度评定中的应用

对自主研制的激光跟踪仪的精度评定进行研究,以期解决大尺寸空间坐标测量系统的空间坐标精度难于评定的问题.考虑现场环境条件、仪器状态和操作者技能等因素对测量精度影响都很大,提出了基于光束平差原理对激光跟踪仪系统进行精度评定的方法.通过Matlab软件对激光跟踪仪的精度评定进行了仿真,仿真结果显示光束平差法能客观地反映激光跟踪仪的测量精度.另外,使用Faro生产的激光跟踪仪进行了实物实验,实验结果显示其水平角精度σH为1.97″,垂直角精度σV为2.61″,测距精度σD为3.75×10-6,对比Faro生产的激光跟踪仪精度(σH =2.0″;σV =2.0″;σD=4 μm)可证明采用光束平差法评定自主研发的激光跟踪仪测量精度是正确、可行的.该方法为探索激光跟踪仪新的应用技术、开展面向对象的测量不确定评定奠定了基础.     

激光跟踪仪几何误差修正

本文推出了激光跟踪仪主要几何误差数学模型，给出了误差分离方法及修正方法，首次在激光跟踪仪全程35m范围内进行了比长实验和误差修正实验，得到了LTD500大范围空间测长精度，同时验证了误差修正的正确性和有效性。     

集成化柔性激光加工系统的误差检测及其补偿

基于集成化柔性激光加工系统的特殊框架结构和为满足测量及加工精度要求，针对加工系统的整个框架和机器人腕部分别建立了相应的误差补偿几何模型。利用三维激光跟踪干涉仪对激光加工系统进行了检测，并根据检测结果结合相对应的补偿模型对系统进行了实时软件误差补偿。测量和加工试验及干涉仪的检测结果显示所建误差补偿模型合理，系统满足测量和激光加工的精度要求。     

一种滚转角和直线度同步干涉测量方法的研究

提出一种用于精密线性位移台滚转角和运动直线度同步测量的激光外差干涉系统。该干涉系统由一个Koster棱镜、角隅棱镜、分光镜、1/2波片、直角棱镜、1/4波片以及楔面棱镜和楔面反射镜组成。楔面棱镜作为测量运动直线度和滚转角的传感器固定在线性导轨上,当双频激光器的光射入干涉系统中后,形成空间对称的六光束测量信号。空间结构对称、系统共光路的特点使光学分辨率比普通的迈克尔逊干涉仪高一倍,光程死区达到最小。系统稳定性好,抗环境干扰能力强。光路对称使得增加或减小的光程变化相同,其他自由度引起的光程变化相互抵消,仅有运动直线度和滚转角的变化可以进入光程差,有效地排除其他自由度及阿贝误差的串扰,实现高精密测量。试验证明相互平行且不同频率的两束光在同一反射系统中发生运动直线度偏移和滚转角变化时,通过两束光携带的不同相位信息能直接得到运动直线度和滚转角的变化值。它不需要一条与行程同样长度的大反射镜作参考便能够实现高分辨率测量,简单实用,可直接溯源米定义。     

多站大尺寸测量仪坐标系转换的Procrustes方法

提出了用7参数Procrustes方法建立了具有尺度因子的7参数坐标转换模型对多站大尺寸坐标测量仪坐标数据进行转换。首先,根据大尺寸测量仪坐标转换的原理,建立了7参数大尺寸坐标转换的非线性模型,并具体分析了Procrustes方法及其对坐标转换的适用性和重心法的转换过程。然后,列出了7参数Procrustes坐标转换方法的具体算法步骤;最后,利用该方法对一台Faro激光跟踪仪在移站前后的实际测量数据进行了坐标转换验证。对所得结果与激光跟踪仪配套软件移站的结果以及重心法的测量结果进行了比较,还利用所得的转换参数对一已知长度的基准尺两端坐标值进行转换验证。结果表明：利用7参数Procrustes方法得到坐标转换后x、y、z三个轴的最大误差分别为24.5 μm、42.5 μm和32.8 μm,转换结果的中误差为17.1 μm,远远高于配套软件以及重心法的转换精度。另外,用转换后的坐标值计算基准尺长度的极差为36 μm。该坐标转换方法也可用于不同种类的坐标测量仪的数据匹配。     

激光跟踪仪测角误差补偿

由于激光跟踪仪的角度测量精度直接影响仪器的测量精度,本文提出了用自准直仪结合多面棱体对跟踪仪金属圆光栅测角误差进行离散标定的方法。研究了基于谐波分析的误差补偿方法,取金属柱面圆光栅测角误差中幅值较大且相位基本不变的谐波分量建立了补偿模型,避免了最小二乘法不收敛的问题。分析了标定测角误差的不确定度,结果显示：水平测角精度补偿前后分别为1.60"和0.90",俯仰测角精度补偿前后分别为4.89"和0.91",精度分别提高了44%和81%,从角秒级提高到了亚角秒级。结果表明,提出的方法可为激光跟踪仪水平和俯仰轴系提供测角误差补偿,对类似测角系统的误差补偿也有参考价值。     

PRS-XY型混联数控机床的误差源分析及标定方法

以北京理工大学研制的PRS—XY型混联数控机床为对象，进行了误差源分析。以三坐标测量机和激光跟踪仪为主要测量手段进行了标定试验。通过试验，获得了该机床的关键几何参数的加工和装配误差，为机床的误差补偿提供了重要依据。     

激光制导测量机器人运动系统设计

激光跟踪测量系统是目前最新型的便携式空间大尺寸坐标测量系统,但在测量大型被测对象时,人工布点及测量过程繁杂,测量效率低,并造成被测对象几何形状变形,严重影响其测量精度。为解决以上问题,提出了新型的“光束运动—光靶跟踪”激光跟踪测量方法,建立了新型激光跟踪测量方法论,并在此理论基础上,研制开发了一种能够在水平和垂直被测对象表面上运动小型轮臂复合式激光制导测量机器人。该机器人机构融合轮式机构、爬行臂式结构和真空吸附式机构优点,并且具有重量轻、体积小、运动灵活和反应快速等特点,可以根据不同的被测对象表面特征变换测量模式,利用轮式结构实现机器人在水平被测表面上高速远距离运动,利用爬行臂式和真空吸附式机构实现机器人在倾斜光滑表面上灵活地爬行和转向。对其运动特性进行了详细的分析。最后利用激光跟踪仪和三坐标测量机对研制激光制导测量机器人进行了性能测试,试验结果证明了该机器人能跟踪激光束自动高效地完成被测对象实体测量。     

激光制导测量机器人系统设计及运动学分析

提出新型“光束运动—光靶跟踪”激光跟踪测量方法,并在此方法基础上研究激光制导测量机器人技术,研制并开发一种能够在水平和垂直被测对象表面上运动的小型轮臂复合式激光制导测量机器人系统。该机器人机构融合轮式机构、爬行臂式结构和真空吸附式机构的优点,具有重量轻、体积小、运动灵活和反应快速等特点,可以根据不同被测对象表面特征变换测量模式,利用轮式结构实现机器人在水平被测表面上高速远距离运动,利用爬行臂式和真空吸附式机构实现机器人在倾斜光滑表面上灵活地爬行和转向。建立机器人的运动学模型并对其运动特性进行分析,利用激光跟踪仪和三坐标测量机对研制激光制导测量机器人进行性能测试,试验结果不仅证明了该机器人能够跟踪激光束自动高效地完成被测对象实体测量,同时也验证了所建模型的有效性和正确性。