第37卷，增刊 红外与激光工程 2008年4月 Vol.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@hpu.edu.cn

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

Calibration of laser tracker and its application in detection of machining tool

YAN 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，China)

Abstract: Calibration method for 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 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 detection

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35 m，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.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： sincossinsincostztztxVHyVHzVρρρ=⋅⋅⎧⎪=⋅⋅⎨⎪=⋅⎩ (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15.1µm，稍微超过了仪

器的出厂精度（10µm＋0.8µm/m×6 m＝14.8µm）。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 Measurement Calibration

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14.3µm，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.3 Angular Measurement Calibration 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720 mm，步距为72 mm，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, 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 system 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A2，同样利用激光跟踪仪测出A2的坐标。依此步骤得