CN109764806A - 用于激光跟踪仪的动静态校准装置及动、静态校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光跟踪仪的动静态校准装置及动、静态校准方法，一种用于激光跟踪仪的动静态校准装置，以高精密二维光栅作为标定基准，解决了传统靶球式标定存在的精度不足和单一静态标定的问题。通过探针在二维光栅上移动，利用二维光栅测量具有的高精度，高分辨力的特性，来测量出安放于滑块上靶标所移动的距离，并且使误差控制在10nm——100nm的范围内，同时激光跟踪仪也对靶标进行测量，将二者的数据进行对比，即可提高校准的精度，通过对探针的移动速度以及移动轨迹控制，还可以对激光跟踪仪的动态速度、动态速度极限以及圆轨道进行校准测量，可广泛应用于激光跟踪仪的常规动静态校准。

Description

用于激光跟踪仪的动静态校准装置及动、静态校准方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种用于激光跟踪仪的动静态校准装置及动、静态校准方法。

背景技术

近些年来，随着一些大型工件以及特种工程项目的增多，其对工件的安装定位精度也越来越高，一般要求达到亚毫米的定位精度。普通的测量仪器如经纬仪、全站仪等己经很难满足上述项目的定位测量需求，幸而得益于大尺寸三维坐标测量机——激光跟踪仪在国内各领域的广泛应用。激光跟踪仪是目前工业测量系统中测量精度最高的大尺寸测量仪器，可以实时跟踪空间中运动的目标靶标，通过锁定靶标及激光光束的反射作用测得目标靶标的实时空间三维坐标。

激光跟踪三维测量系统由主机和反射靶标组成。主机通过干涉仪或测距仪与两个相互垂直的测角系统构成，建立了一个球坐标系，通过双轴旋转驱动机构控制光线跟踪反射靶标的移动，同时测量主机到反射靶标之间的距离，以及这些旋转轴的角坐标，确定靶标在坐标系中的位置，可以测量静止目标，跟踪和测量活动目标。

目前的校准方法在校准过程中，靶标与靶坐使用的是标准器件，在校准过程中不会对其本身所具有的误差进行测量，但是在实际应用中，由于器件的制造误差以及人为安装误差等，会对激光跟踪仪最终的校准精度产生影响。当进行动态速度测量时，现有的校准方法需要使用与静态测量所不同的元器件，需要对校准环境重新布置，使得校准过程较为繁琐，无法一次性完成动态以及静态校准。

发明内容

本发明的目的是提供用于激光跟踪仪的动静态校准装置及动、静态校准方法，能够在提高校准精度的同时，还可以进行更简单快捷的动态速度测量。

为达到上述目的，本发明所述用于激光跟踪仪的动静态校准装置包括光栅测量装置和相互垂直的水平板和竖直板，水平板用于放置激光跟踪仪，竖直板上固定有竖向导轨和光栅测量装置中的二维光栅，竖向导轨上滑动连接有滑块，滑块与探针的一端固定连接，探针的另一端与二维光栅相接，滑块还与靶座的一端固定连接，靶座的另一端固定有靶标，探针和靶座相对设置。

进一步的，竖向导轨通过横向导轨与滑块滑动连接，横向导轨与竖向导轨滑动连接，滑块与横向导轨滑动连接。

进一步的，二维光栅的长度和宽度均为1m，二维光栅的栅距为10nm—80μm。

进一步的，水平板和竖直板均由大理石材料制成。

基于上述的一种用于激光跟踪仪的动静态校准装置的静态示值误差校准方法，包括以下步骤：

步骤1、将激光跟踪仪放置于水平板上；

步骤2、用光栅测量装置记录探针的初始位置，用激光跟踪仪记录靶标的初始位置，然后移动滑块，使用激光跟踪仪对靶标进行跟踪，滑块移动至设定距离后停止移动，然后用激光跟踪仪记录靶标的终止位置，用光栅测量装置记录探针的终止位置；

步骤3、计算通过光栅测量装置测量到的探针的移动距离D₁，和激光跟踪仪2测量得到的靶标5的移动距离D₂，D₁和D₂的差值，即为长度示值误差。

进一步的，步骤2中，同一起始和终止位置进行三次测量，通过光栅测量装置测量得到的探针的移动距离L_1n，与激光跟踪仪测量得到的靶标5的移动距离L_2n，用公式计算激光跟踪仪的长度示值误差δ_n，(n＝1,2,3)，

δ_n＝|L_1n-L_2n|，

得到δ1、δ2和δ3，计算测量得到的长度示值误差的最大值δ_max，δmax＝max，比较δ_max与激光跟踪仪在该长度下对应的最大允许误差参数MPE，当δ_max≤|MPE|时，校准结果符合计量要求。

基于1上述的一种用于激光跟踪仪的动静态校准装置的动态示值误差校准方法，使滑块带动靶标和探针在二维光栅上按照圆形轨迹移动，同时利用激光跟踪仪采集靶标运动一周的测量点集，并根据测量点集的坐标计算靶标的圆轨迹直径；使用光栅测量装置测量得到探针运动一周的点位数据，并计算探针运动一周的圆轨迹直径；计算靶标和探针的圆轨迹直径之差，即为激光跟踪仪的动态示值误差。

进一步的，先测量出激光跟踪仪的动态速度极限，然后将滑块的移动速度设置为激光跟踪仪的动态速度极限的0.7倍。

进一步的，激光跟踪仪的动态速度极限由下述方法获得，改变滑块的移动速度，同时用激光跟踪仪对靶标的移动距离进行测量，当滑块的移动速度加大至某值后，激光跟踪仪无法检测到靶标的移动距离，此时滑块移动速度，即为激光跟踪仪的动态速度极限。

进一步的，滑块的移动速度从0开始，每次增加0.5m/s。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明结构基于二维光栅具有空间上二维周期性重复排列的结构，能够对入射光的振幅或相位、或者两者同时进行二维周期性的空间调制；而二维光栅测量原理在此装置中采用干涉测量原理；基于干涉测量原理的光栅位移测量装置使用的光栅栅距较小，光栅的衍射现象明显，通过使光栅的衍射光干涉形成干涉条纹实现位移测量，这种位移测量装置的分辨力和精度都很高。这样，在二维光栅的测量下，对靶标移动距离的测量所产生的误差会在10nm—100nm的范围内，然后与激光跟踪仪所测得的靶标移动距离进行对比，从而对激光跟踪仪进行校准。

1)当通过二维光栅对靶标所移动的距离进行测量时，由于通过二维光栅测量靶标移动距离是通过靶标终止点的位置与初始位置的差值，所测量得到的结果不需要初始点具有特定的坐标值，因此不需要考虑靶标的初始坐标会因为安装过程而导致的误差，而且由于二维光栅本身具有高精度，高分辨力的特点，还可以将使测得的靶标移动距离的误差减小到10nm—100nm，而传统的激光跟踪仪校准所得到的误差是5μm及以上，使用本发明可以大幅提高校准精度；

2)将靶标固定于可移动的探针上，当探针在导轨上移动时，可以直接通过调整探针的移动速度，对激光跟踪仪进行动态速度极限测量，动态示值误差测量，而且不需要重新布置校准环境，使校准更简洁。

3)本发明可广泛应用于激光跟踪仪的常规动静态校准。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的左视图；

图中：1、刚性构件，11、水平板，12、水平板，2、激光跟踪仪，3、二维光栅，41、竖向导轨，42，横向导轨，5、靶标，6、靶坐，7、滑块，8、探针。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1和图2，一种用于激光跟踪三维坐标测量系统动静态校准的任意轨迹发生器装置包括刚性构件1、激光跟踪仪2、光栅测量装置、竖向导轨41、横向导轨42，靶标5、靶坐6、滑块7和探针8。

刚性构件1包括相互垂直的水平板11和竖直板12，竖直板12固定在水平板11一端的上部。竖直板12侧壁固定有一个二维光栅3，二维光栅3的长度和宽度均为1m，二维光栅的栅距设置为20μm，二维光栅3为光栅测量装置的一个部件，将激光跟踪仪2放置于水平板11上，竖直板12的侧面固定有两个相互平行的竖向导轨41，竖向导轨41的长度为1m，竖向导轨41滑动连接有横向导轨42，横向导轨42上滑动连接有滑块7，探针8固定安装在滑块7的靠近二维光栅3的侧壁，使探针8与二维光栅3相接触，并且滑块7可以沿导轨4进行平面内的运动，靶坐6固定于滑块7上，靶座6与探针8相对设置，且靶座6与探针8的中轴线在同一条直线上，将靶标5安装于在靶坐6的末端，使激光跟踪仪2的光线可以追踪靶标5而不会被遮挡。然后通过控制探针8在竖向导轨41上移动来控制靶标5的移动，通过二维光栅3来确定靶标5的移动距离再与激光跟踪仪2所测得的靶标所移动的距离进行比较。

刚性构件1选用大理石材料制造，因为大理石材料具有良好的减震性能以及足够的重量能够有效避免外界因素对校准的影响，并且刚性构件1应有足够的面积来安放激光跟踪仪2以及二维光栅3，导轨4、滑块7等零件。

激光跟踪仪2多应用于汽车，航空航天、检测和机床控制与校准，需要进行较长范围的校准，将二维光栅3的长度设置为0.5m—2m，宽度为0.5m—2m，所使用的二维光栅3的栅距为10nm—80μm。由于激光跟踪仪本身多应用于汽车，航空航天、检测和机床控制与校准，因此需要进行较大长度范围的校准。

探针8与滑块7固定连接，通过滑块7在导轨6上的移动来控制探针8在二维光栅3上的位移动，探针8在二维光栅平面上的移动速度可以达到0—10m/s。

滑块7在平面内移动时，需要两个电机同时来对导轨进行操控，其中一个电机令横向导轨42沿竖向导轨41进行纵向运动，另一个电机使滑块7沿着横向导轨42横向运动。

进行校准时，通过光栅测量装置测得的探针8所移动的相对距离与激光跟踪仪2所测得的靶标5所移动的距离做求差，利用二维光栅3对平面内距离的测量精度可达到10nm—100nm的特性，来对激光跟踪仪2所测出的数值进行校准。

本发明的工作原理以及各部分的功用如下：

静态示值误差的校准过程如下：

将激光跟踪仪2放置于刚性构件1上，将激光跟踪仪2的光源高度设置为h，h应大概处于二维光栅3的中心高度，因为滑块7安装在横向导轨42上，所以在进行测量时，滑块7可以根据实际测量需要进行移动，将靶坐6固定在滑块7上，当滑块7进行移动时，激光跟踪仪2射出的光线不会被遮挡，当滑块7进行移动时，固定于滑块7上的靶坐6也会跟着移动，在靶坐6末端安装靶标5，使用激光跟踪仪2对其进行跟踪，此时开始移动滑块7，滑块7移动50cm-100cm后停止，在移动过程中，确保探针8在二维光栅3的测量范围内，由于二维光栅3有自己的坐标系，在滑块7的初始以及终止位置，探针8会获得两个不同的坐标，通过二维光栅3所测得到的靶标的移动距离将通过探针8的初始位置与终止位置的差值来计算得出，激光跟踪仪2上也可以得到一个移动距离数据，本次测量完成后，记录下实验数据，同一移动距离进行三次测量，通过计算光栅测量装置测量得到的探针8的移动距离L_1n，与激光跟踪仪2测量得到的靶标5的移动距离L_2n，使用公式计算激光跟踪仪2的长度示值误差δ_n，(n＝1,2,3)，

δ_n＝|L_1n-L_2n|，

得到δ1、δ2和δ3，计算测量得到的长度示值误差的最大值δ_max，δmax＝max，比较δ_max与激光跟踪仪2在该长度下对应的最大允许误差参数MPE，当δ_max≤|MPE|时，校准结果符合计量要求。

由于所使用的二维光栅3上测量得到的数据误差为10nm—100nm，误差范围远远小于激光跟踪仪2所测出的数据误差，因此当使用激光跟踪仪2对靶标5进行测量时，将测量所得到的数据与通过二维光栅3测得的数据进行比对，即可大大提高对激光跟踪仪2的校准精度。

当进行动态测量时，不必重新设置实验条件，只需要改变滑块7的移动速度，同时激光跟踪仪2对靶标5的移动距离进行测量，滑块7的移动速度从0开始，每次增加0.5m/s的移动速度，当滑块7的移动速度加大至某一值后，激光跟踪仪2会脱离跟踪状态，无法再对靶标5的移动距离进行检测，即激光跟踪仪2已无法显示滑块7的移动距离，此时滑块7移动速度，即为激光跟踪仪2的动态速度极限。

当进行动态示值误差校准时，不必重新设置实验条件，只需要将滑块7的移动速度设置为动态速度极限的0.7倍，然后使滑块7在二维光栅3上按照圆轨迹进行移动，同时将激光跟踪仪2设置为间隔采样，取一周的测量点集，利用激光跟踪仪2自身携带软件计算圆周直径，使用二维光栅3所测量得到的点位数据，通过软件进行计算获得圆周直径，两个圆轨迹直径之差，即为激光跟踪仪2的动态示值误差。

本发明以高精密二维光栅作为标定基准，解决了传统靶球式标定存在的精度不足和单一静态标定的问题。通过探针在二维光栅上移动，利用二维光栅测量具有的高精度，高分辨力的特性，测量出安放于滑块上靶标移动的距离，并且使误差控制在10nm——100nm的范围内，同时激光跟踪仪也对靶标进行测量，将二者的数据进行对比，即可提高校准的精度，通过对探针的移动速度以及移动轨迹控制，还可以对激光跟踪仪的动态示值误差以及动态速度极限进行测量，可广泛应用于激光跟踪仪的常规动静态校准。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于激光跟踪仪的动静态校准装置，其特征在于，包括光栅测量装置和相互垂直的水平板(11)和竖直板(12)，水平板(11)用于放置激光跟踪仪(2)，竖直板(12)上固定有竖向导轨(41)和光栅测量装置中的二维光栅(3)，竖向导轨(41)上滑动连接有滑块(7)，滑块(7)与探针(8)的一端固定连接，探针(8)的另一端与二维光栅(3)相接，滑块(7)还与靶座(6)的一端固定连接，靶座(6)的另一端固定有靶标(5)，探针(8)和靶座(6)相对设置。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光跟踪仪的动静态校准装置，其特征在于，竖向导轨(41)通过横向导轨(42)与滑块(7)滑动连接，横向导轨(42)与竖向导轨(41)滑动连接，滑块(7)与横向导轨(42)滑动连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于激光跟踪仪的动静态校准装置，其特征在于，二维光栅(3)的长度和宽度均为1m，二维光栅(3)的栅距为10nm—80μm。

4.根据权利要求1所述的一种用于激光跟踪仪的动静态校准装置，其特征在于，水平板(11)和竖直板(12)均由大理石材料制成。

5.基于1所述的一种用于激光跟踪仪的动静态校准装置的静态示值误差校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将激光跟踪仪(2)放置于水平板(11)上；

步骤2、用光栅测量装置记录探针(8)的初始位置，用激光跟踪仪(2)记录靶标(5)的初始位置，然后移动滑块(7)，使用激光跟踪仪(2)对靶标(5)进行跟踪，滑块(7)移动至设定距离后停止移动，然后用激光跟踪仪(2)记录靶标(5)的终止位置，用光栅测量装置记录探针(8)的终止位置；

步骤3、计算通过光栅测量装置测量到的探针(8)的移动距离D₁，和激光跟踪仪2测量得到的靶标5的移动距离D₂，D₁和D₂的差值，即为长度示值误差。

6.根据权利要求5所述的一种激光跟踪仪的静态示值误差校准方法，其特征在于，步骤2中，同一起始和终止位置进行三次测量，通过光栅测量装置测量得到的探针(8)的移动距离L_1n，与激光跟踪仪(2)测量得到的靶标5的移动距离L_2n，用公式(1)计算激光跟踪仪(2)的长度示值误差δ_n，(n＝1,2,3)，

δ_n＝|L_1n-L_2n| (1)，

得到δ1、δ2和δ3，计算测量得到的长度示值误差的最大值δ_max，δmax＝max(δ1、δ2，δ3)，比较δ_max与激光跟踪仪(2)在该长度下对应的最大允许误差参数MPE，当δ_max≤|MPE|时，校准结果符合计量要求。

7.基于1所述的一种用于激光跟踪仪的动静态校准装置的动态示值误差校准方法，其特征在于，使滑块(7)带动靶标(5)和探针(8)在二维光栅(3)上按照圆形轨迹移动，同时利用激光跟踪仪(2)采集靶标(5)运动一周的测量点集，并根据测量点集的坐标计算靶标(5)的圆轨迹直径；使用光栅测量装置测量得到探针(8)运动一周的点位数据，并计算探针(8)运动一周的圆轨迹直径；计算靶标(5)和探针(8)的圆轨迹直径之差，即为激光跟踪仪(2)的动态示值误差。

8.根据权利要求7所述的一种激光跟踪仪的动态示值误差校准方法，其特征在于，先测量出激光跟踪仪(2)的动态速度极限，然后将滑块(7)的移动速度设置为激光跟踪仪(2)的动态速度极限的0.7倍。

9.基于权利要求8所述的一种用于激光跟踪仪的动静态校准装置的动态校准方法，其特征在于，激光跟踪仪(2)的动态速度极限由下述方法获得，改变滑块(7)的移动速度，同时用激光跟踪仪(2)对靶标(5)的移动距离进行测量，当滑块(7)的移动速度加大至某值后，激光跟踪仪(2)无法检测到靶标(5)的移动距离，此时滑块(7)移动速度，即为激光跟踪仪(2)的动态速度极限。

10.根据权利要求9所述的一种用于激光跟踪仪的动静态校准装置的动态校准方法，其特征在于，滑块(7)的移动速度从0开始，每次增加0.5m/s。