激光跟蹤儀是一臺以激光為測距手段配以反射標(biāo)靶的儀器，它同時配有繞兩個軸轉(zhuǎn)動的測角機(jī)構(gòu)，形成一個完整球坐標(biāo)測量系統(tǒng)?？梢杂盟鼇頊y量靜止目標(biāo)，跟蹤和測量移動目標(biāo)或它們的組合。激光跟蹤儀集合了激光干涉測距技術(shù)、光電探測技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計算機(jī)及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計算理論等各種先進(jìn)技術(shù)，對空間運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實(shí)時測量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。激光跟蹤儀具有高精度、高效率、實(shí)時跟蹤測量、安裝快捷、操作簡便等特點(diǎn)，適合于大尺寸工件配裝測量。

激光跟蹤儀測角誤差標(biāo)定及補(bǔ)償

激光跟蹤儀采用單站極坐標(biāo)測量原理，將高精度激光測距技術(shù)和經(jīng)緯儀精密測角技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大尺寸(50m)空間三維坐標(biāo)點(diǎn)的高精度測量。激光跟蹤儀采用的增量式測角圓光...[查看全部]

隨著冶金工業(yè)的發(fā)展對工業(yè)機(jī)械設(shè)備的安裝精度的要求也越來越高，因此探索新的測量方法來滿足現(xiàn)場設(shè)備的安裝為公司注入新的創(chuàng)新力量成為一種趨勢。本文從機(jī)械設(shè)備安裝的角度出發(fā)，基于激光跟蹤儀的測量特點(diǎn)敘述了該儀器對基礎(chǔ)墊板安裝的預(yù)控能力、機(jī)械設(shè)備安裝控制網(wǎng)檢測和布設(shè)能力及能極大的提高設(shè)備的安裝精度和安裝速度的能力，闡述了激光跟蹤儀在飛機(jī)設(shè)備安裝中的實(shí)際應(yīng)用，可為今后類似工程提供借鑒。

為滿足項目設(shè)備安裝順利進(jìn)行引進(jìn)了各種新型測量工具，激光跟蹤儀即是其中的一款高精度便攜式三坐標(biāo)測量設(shè)備，為大型設(shè)備的安裝提供了切實(shí)可行的安裝依據(jù)。此次運(yùn)用激光跟蹤儀完成飛機(jī)設(shè)備的安裝是與傳統(tǒng)安裝技術(shù)對比的一次技術(shù)上的“革命”。

1、激光跟蹤儀的測量技術(shù)1.1激光跟蹤儀的工作原理

激光跟蹤儀系統(tǒng)2個角編碼器自動測量靶標(biāo)相對于跟蹤儀的水平方位角和垂直方位角；靶標(biāo)與激光跟蹤儀之間的距離由激光干涉測量。這些信息經(jīng)傳感器電纜傳給激光跟蹤儀控制器，跟蹤儀控制機(jī)經(jīng)整理計算后，一部分信息經(jīng)馬達(dá)電纜反饋回激光跟蹤儀，控制伺服馬達(dá)，使激光跟蹤儀始終鎖定移動的靶標(biāo)；另一部分信息經(jīng)局域網(wǎng)傳輸給應(yīng)用處理機(jī)，儲存在數(shù)據(jù)庫中。

跟蹤儀得到的測量數(shù)據(jù)定義了一個完整的球體坐標(biāo)系。原點(diǎn)是跟蹤部反射鏡中心，根據(jù)三角函數(shù)公式可以將球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化成笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。坐標(biāo)系原點(diǎn)仍在萬向反射鏡中心，這個坐標(biāo)系稱作基坐標(biāo)系或者叫本地坐標(biāo)系，基坐標(biāo)系也是開始一個新工作的起始坐標(biāo)系。

1.2激光跟蹤儀測量技術(shù)特點(diǎn)

激光跟蹤儀的水平轉(zhuǎn)角為640°，垂直轉(zhuǎn)角+80°～-60，能在-10℃至+40℃的溫度范圍內(nèi)工作，測量直徑可達(dá)120米，其測距精度，ADM分辨率為0.1μm，測量精度15μm(10米以內(nèi))、1.5μm(10米以外)。激光跟蹤儀從技術(shù)指標(biāo)上完全可以滿足飛機(jī)設(shè)備安裝中的需要。

2、激光跟蹤儀在飛機(jī)設(shè)備安裝中的應(yīng)用2.1儀器測量控制網(wǎng)的布設(shè)

對于激光跟蹤

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本文根據(jù)現(xiàn)有的激光跟蹤儀現(xiàn)場校準(zhǔn)設(shè)備激光導(dǎo)軌的缺點(diǎn)，探討了改進(jìn)方案的導(dǎo)軌安裝及干涉系統(tǒng)裝校等相關(guān)問題，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)后的設(shè)備能夠?yàn)榧す飧檭x的現(xiàn)場校準(zhǔn)提供精度高、壽命長且使用便捷的解決方案。

作為一種便攜式大尺寸坐標(biāo)測量系統(tǒng)，激光跟蹤儀在航空航天、船舶制造、風(fēng)電、加速器等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，相應(yīng)的計量校準(zhǔn)研究也在不斷發(fā)展。

在激光跟蹤儀的實(shí)際使用過程中，由于儀器經(jīng)常性的組裝、搬運(yùn)以及環(huán)境因素的不斷變化都會引起系統(tǒng)參數(shù)的變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)測量精度不穩(wěn)定。因此，對激光跟蹤儀儀進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)及現(xiàn)場測量精度研究的需求也越來越多。目前國內(nèi)可應(yīng)用的激光跟蹤儀現(xiàn)場校準(zhǔn)的產(chǎn)品非常少，且在使用便捷性或精度、壽命等方面存在著諸多問題，制約了激光跟蹤儀的現(xiàn)場應(yīng)用，成為了大尺寸計量領(lǐng)域一個亟待解決的問題。為此，本文探討了改進(jìn)此類激光導(dǎo)軌的方案及相關(guān)問題。

1、激光跟蹤儀的校準(zhǔn)方法

激光跟蹤儀的校準(zhǔn)方法按原理可分兩類。一類以點(diǎn)到點(diǎn)長度測試為主要手段，重點(diǎn)研究跟蹤儀系統(tǒng)誤差的標(biāo)定以及標(biāo)準(zhǔn)長度的實(shí)現(xiàn)方式。如美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)研究了跟蹤儀系統(tǒng)誤差與點(diǎn)到點(diǎn)長度測試的位置、方向的關(guān)系，開發(fā)了便攜式激光導(dǎo)軌校準(zhǔn)系統(tǒng)，用于跟蹤儀現(xiàn)場測試。德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)采用長度標(biāo)準(zhǔn)桿建立參考墻用于校準(zhǔn)激光跟蹤儀。

此外，芬蘭計量與認(rèn)證中心(MIKES)采用30m的一維干涉儀實(shí)現(xiàn)跟蹤儀的測距及水平碼盤的位移和偏心距的校準(zhǔn)。西班牙的RAcero等人采用轉(zhuǎn)臺及多個目標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生虛擬長度實(shí)現(xiàn)跟蹤儀校準(zhǔn)，這些方法可輕松產(chǎn)生任意尺寸的標(biāo)準(zhǔn)長度，但是轉(zhuǎn)臺的設(shè)計及調(diào)整較為復(fù)雜。以上是激光跟蹤儀經(jīng)典的校準(zhǔn)方法。

另一類是基于多目標(biāo)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的跟蹤儀校準(zhǔn)方法，該方法以光束平差算法為基礎(chǔ)，通過跟蹤儀在多站位測量多個目標(biāo)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。英國國家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)采用該方法標(biāo)定其內(nèi)部幾何偏差，同時評價其測距、測角不確定度。這種校準(zhǔn)方法具有快

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1、激光跟蹤儀概述

近年來，在精密制造、裝配及檢測等工業(yè)測量和精密工程測量領(lǐng)域，激光跟蹤儀以其測量速度快、精度高、測量范圍大的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，被稱為移動的三坐標(biāo)測量機(jī)。其基本原理是極坐標(biāo)法，通過測量目標(biāo)的水平角、垂直角及斜距，建立以測站為中心的極坐標(biāo)系。其精度主要是由測距保證的，因?yàn)樾本嗬眉す飧缮嬖頊y量。在跟蹤頭中有一個位置敏感探測器(PSD)，可以測出激光束的位置變化量，通過軟件精確計算并反饋給伺服馬達(dá)控制眼蹤頭的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤測量，使操作者無需進(jìn)行繁瑣的目標(biāo)瞄準(zhǔn)，提高了測量的效率。

采用激光跟蹤儀測量有兩種測量方式：一是單站測量，儀器不動，測量所有目標(biāo)，其標(biāo)準(zhǔn)測量半徑為35m;二是轉(zhuǎn)站測量(通常稱為蛙跳)，完成一次測量任務(wù)需要多次移動儀器的位置，其優(yōu)點(diǎn)是可以避免外界環(huán)境的影響，改善通視條件。一般通過對3個以上的定向點(diǎn)測量，利用光束法平差原理建立起相鄰站之間的姿態(tài)、定向關(guān)系，同時實(shí)現(xiàn)儀器測量范圍的較大擴(kuò)展，也可避免測量精度隨距離增大而快速下降。

無論采用單站或轉(zhuǎn)站測量，都需要對儀器的測量精度進(jìn)行正確的評定。由于儀器受外界及自身的各種因素影響較大，有必要在現(xiàn)場確定儀器的實(shí)際測量精度，本文將就精度評定的若干問題進(jìn)行討論，供激光跟蹤儀測量工作者參考。

2、影響激光跟蹤儀測量精度的因素

影響激光跟蹤儀測量精度的因素主要來自外界環(huán)境和儀器自身。由于儀器的高度自動化，對操作者經(jīng)驗(yàn)、技巧的要求大為降低，但也需要正確操作。

2.1外界環(huán)境

外界環(huán)境包括溫度變化、溫度梯度、大氣抖動、外界振動、儀器支架和被測物的穩(wěn)定性等。不同環(huán)境下得到的測量結(jié)果可能大相徑庭，在高精度測量中必須嚴(yán)格控制。

(1)溫度、氣壓和濕度等氣象條件會影響大氣折射率，溫度1℃、氣壓lmmHg及40℃時40%的相對濕度變化會引起折射率百萬分之一的計算誤差，從而影響距離測量的精度。

(2)激光光路方向上的溫度梯度、大氣抖動會影響光

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激光跟蹤儀是近年來得到廣泛應(yīng)用的精密測量儀器，其精度受環(huán)境、儀器自身及操作三種因素的影響非常大。但在實(shí)際工作中，經(jīng)常出現(xiàn)對某個因素考慮不周的情況，使得測量成果受到較大影響。本文在對各種因素分析的基礎(chǔ)上，給出了提高測量精度應(yīng)該采取的措施，以期對廣大儀器操作者有所裨益，取得更好的測量成果。

1、影響激光跟蹤儀測量精度的因素

由于儀器的高度自動化，人的因素影響相對較小，對經(jīng)驗(yàn)、技巧的要求大為降低。在正確操作的前提下，影響測量精度的因素主要來自外界環(huán)境和儀器自身。

1.1氣象條件

這里的氣象條件指溫度、氣壓和濕度，它們會影響大氣折射率，溫度1℃氣壓3mmhg及40℃時40%的相對濕度變化均會引起折射率百萬分之一的計算誤差，從而影響距離測量的精度。為了消除氣象條件的影響，激光跟蹤儀都有專門的氣象傳感器用于溫度、壓強(qiáng)的實(shí)時記錄和改正，使得氣象條件對測距的影響控制存非常小的范圍內(nèi)。

1.2測量環(huán)境

測量環(huán)境是一個非常廣義的概念，包括溫度變化、溫度梯度、大氣抖動、外界振動、儀器支架和被測物的穩(wěn)定性。

測量環(huán)境不僅影響儀器的性能，而且影響被測物尺寸的變化。不同的環(huán)境F得到的測量結(jié)果可能大相徑庭，遠(yuǎn)超過儀器自身對測量結(jié)果的影響。以振動來說，會引起測量坐標(biāo)0.1mm以上的跳動。

1.3儀器的穩(wěn)定性

儀器本身由很多電子元件組成，它們的散熱會導(dǎo)致儀器結(jié)構(gòu)隨時間的細(xì)微變化。而且激光頻率也會發(fā)生隨時間的漂移，在剛開機(jī)預(yù)熱后的一段時間內(nèi)非常明顯，頻率不穩(wěn)定造成的測距誤差可達(dá)30~50um。因此，在高精度測量中，一小時以上的預(yù)熱時間是很有必要的。

1.4儀器的校準(zhǔn)

和經(jīng)緯儀一樣，激光跟蹤儀也有水平軸、垂直軸，此外還有激光光軸及各種復(fù)雜的馬達(dá)、反饋系統(tǒng)等。在理想情況下，軸系之間應(yīng)相互正交或平行，但是加丁裝配誤差、運(yùn)輸及外界環(huán)境的變化都會造成軸系關(guān)系和光路的改變，從而影響儀器的性能。

2、提高激光跟蹤儀測量精度的措施(1)儀器現(xiàn)場檢查... 查看全文

激光跟蹤儀采用單站極坐標(biāo)測量原理，將高精度激光測距技術(shù)和經(jīng)緯儀精密測角技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大尺寸(50m)空間三維坐標(biāo)點(diǎn)的高精度測量。激光跟蹤儀采用的增量式測角圓光柵是一種集光、機(jī)、電為一體的非接觸式數(shù)字測角系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、測角精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在精密角位置的測量設(shè)備中。

通過分析增量圓光柵的制造誤差、電子學(xué)細(xì)分誤差、軸系旋轉(zhuǎn)誤差，碼盤安裝偏心誤差對編碼器測角精度的影響，在瀏角誤差標(biāo)定的基礎(chǔ)上，通過傅里葉分析建立測角誤差補(bǔ)償模型，通過誤差補(bǔ)償使得單頭讀數(shù)測角均方誤差由10”提高至0.8”以內(nèi)，并與雙頭對徑讀數(shù)測量結(jié)果進(jìn)行比較，測量精度略低于雙頭對徑讀數(shù)優(yōu)于0.3”測角誤差。

1、激光跟蹤儀概述

激光跟蹤儀為空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)，由激光測距系統(tǒng)和經(jīng)緯儀測角系統(tǒng)組成，激光測距系統(tǒng)獲得目標(biāo)到儀器的距離，經(jīng)緯儀測出目標(biāo)方位角和俯仰角，通過極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系獲得目標(biāo)空間直角坐標(biāo)。激光跟蹤儀具有無導(dǎo)軌、動態(tài)快速測量、測量精度高、安裝移動便捷等特點(diǎn)，在大科學(xué)工程安裝檢測、大型裝備建造、航空航天、船舶、汽車、軌道鋪設(shè)等大型零部件檢測和裝配過程中具有非常高的應(yīng)用價值。

根據(jù)激光跟蹤儀測量原理，以及激光測距的精度水平，影響空間坐標(biāo)測量精度的主要因素為經(jīng)緯儀測角精度，在儀器模塊化、小型化的要求下，如何采用小尺寸的測角光柵實(shí)現(xiàn)高精度的角度測量是激光跟蹤儀研制過程中需要解決的難題。自主研發(fā)的激光跟蹤儀采用高精度的圓光柵作為檢測元件，采用莫爾條紋和光電轉(zhuǎn)換原理，將經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)動的角度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號實(shí)現(xiàn)數(shù)字測量，結(jié)合誤差補(bǔ)償與數(shù)字控制，有效提高測角精度，進(jìn)一步體現(xiàn)了光柵編碼器測量精度高、響應(yīng)速度快、測量范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、工作可靠性好、非接觸測量等優(yōu)勢。

2、激光跟蹤儀測角圓光柵的誤差分析

激光跟蹤儀測角系統(tǒng)選用英國雷尼紹公司金屬反射式柱面圓光柵，光柵直徑為100mm，刻線數(shù)為15744

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