饒建華，梁靜

(1.重慶市勘測院，重慶 401121； 2.中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049)

1 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，需要對(duì)各類零部件和大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行精密三維測量，其具有測量范圍大、精度高、動(dòng)態(tài)測量和實(shí)時(shí)監(jiān)測等特點(diǎn)，傳統(tǒng)測量無法滿足要求，由此產(chǎn)生了iGPS測量系統(tǒng)、關(guān)節(jié)臂式坐標(biāo)測量機(jī)、激光跟蹤測量系統(tǒng)等大尺寸空間坐標(biāo)測量技術(shù)。在大尺寸數(shù)字化測量系統(tǒng)中，激光跟蹤儀測量系統(tǒng)憑借其測量速度快、測量精度高、測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，被稱為移動(dòng)的三坐標(biāo)測量機(jī)[1]。激光跟蹤測量系統(tǒng)由激光跟蹤儀、控制器、反射器、用戶計(jì)算機(jī)等組成。激光跟蹤儀的精度評(píng)定通常是由國外的生產(chǎn)廠家來完成的，國內(nèi)目前還沒有相應(yīng)的規(guī)程來檢測儀器的測量精度，關(guān)于激光跟蹤儀的論文大部分為應(yīng)用型文章，其精度主要是根據(jù)廠家提供的技術(shù)參數(shù)確定[2]。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方案

考慮到國內(nèi)激光跟蹤儀精度檢測現(xiàn)狀，采用FARO Xi跟蹤儀和CCR1.5″反射靶標(biāo)球，利用長城計(jì)量測試技術(shù)研究所的標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)裝置包括 32 m水平導(dǎo)軌和 3 m垂直導(dǎo)軌，利用標(biāo)準(zhǔn)裝置中的雙頻激光干涉儀，導(dǎo)軌上的滑動(dòng)工作臺(tái)滑動(dòng)精度可以精確到微米。將激光跟蹤儀分別架設(shè)在離導(dǎo)軌 9 m、3 m遠(yuǎn)處，在縱向、橫向和垂直方向進(jìn)行測量，通過與標(biāo)準(zhǔn)裝置測量的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，分析測距、水平角及垂直角對(duì)測量精度的影響。

2.1 測距影響實(shí)驗(yàn)

將激光跟蹤儀架設(shè)在32 m水平導(dǎo)軌一側(cè)，激光跟蹤頭與反射球等高，避免測角誤差對(duì)測距精度的影響，反映測距對(duì)結(jié)果的影響。跟蹤儀反射球和標(biāo)準(zhǔn)裝置反射器都固定在滑動(dòng)工作臺(tái)上，它們在工作臺(tái)上運(yùn)動(dòng)的距離是一致的。通過激光跟蹤儀測量反射球在縱向的移動(dòng)距離，并與干涉儀給出的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，可以得出激光跟蹤儀縱向精度，分析激光跟蹤儀測距誤差對(duì)精度的影響。反射球從近端向遠(yuǎn)端每滑動(dòng) 1 m，激光跟蹤儀測量一次距離，同時(shí)雙頻干涉儀記錄距離真值。然后反射球從遠(yuǎn)端到近端每滑動(dòng) 1 m再測量一次距離?？v向試驗(yàn)對(duì)FARO XI跟蹤儀和CCR1.5″進(jìn)行了兩次重復(fù)測量，共進(jìn)行120次距離觀測，縱向試驗(yàn)示意圖如圖1所示。

圖1 縱向試驗(yàn)示意圖

2.2 水平角影響實(shí)驗(yàn)

激光跟蹤儀兩次分別架設(shè)在距離水平的激光導(dǎo)軌 9 m及 3 m處，通過測量反射球在橫向的移動(dòng)距離，并與干涉儀給出的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，可以得出激光跟蹤儀橫向精度。受現(xiàn)場場地的影響，跟蹤儀距標(biāo)準(zhǔn)裝置距離 9 m時(shí)，測量范圍為 4 m，反射球每滑動(dòng) 0.3 m測量一次距離，反復(fù)測量4遍，共進(jìn)行48次距離觀測。跟蹤儀距標(biāo)準(zhǔn)裝置，距離為 3 m時(shí)，測量范圍為 8 m，反射球每滑動(dòng) 0.8 m測量一次距離，反復(fù)測量4遍，共測量40次距離觀測。橫向?qū)嶒?yàn)中，激光跟蹤頭與反射球等高，避免垂直角測量誤差對(duì)結(jié)果的影響，主要反映跟蹤儀水平測角對(duì)測量結(jié)果的影響，橫向試驗(yàn)示意圖如圖2所示。

圖2 橫向試驗(yàn)示意圖

2.3 垂直角影響實(shí)驗(yàn)

激光跟蹤儀兩次分別架設(shè)在距離垂直的激光導(dǎo)軌 9 m及3 m處，測量范圍 2 m，通過測量反射球在垂直方向的移動(dòng)距離，反射球每滑動(dòng) 0.1 m測量一次距離，反復(fù)測量4遍，共進(jìn)行49次距離觀測。測量時(shí)水平度盤保持不動(dòng)，與干涉儀給出的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，可以得出激光跟蹤儀豎向精度，即垂直角對(duì)測量精度的影響，垂直試驗(yàn)示意圖如圖3所示。

圖3 垂直試驗(yàn)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 測距對(duì)激光跟蹤儀精度影響結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，測距對(duì)激光跟蹤儀精度影響結(jié)果主要體現(xiàn)在激光跟蹤儀縱向精度。表1給出了部分距離觀測與標(biāo)準(zhǔn)距離的結(jié)果。

激光跟蹤儀測距精度較高，縱向?qū)嶒?yàn)中，測量值與真值的差值均方根僅為 4.3 μm，結(jié)果如表2所示，這與儀器的標(biāo)稱精度相符。

縱向?qū)嶒?yàn)測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的差值統(tǒng)計(jì) 表2

3.2 水平角對(duì)激光跟蹤儀精度影響結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，測距對(duì)激光跟蹤儀精度影響結(jié)果主要體現(xiàn)在激光跟蹤儀橫向精度。表3給出了部分距離觀測與標(biāo)準(zhǔn)距離的結(jié)果。

并對(duì)橫向?qū)嶒?yàn)結(jié)果進(jìn)行測量精度統(tǒng)計(jì)分析與計(jì)算，結(jié)果如表4所示，可以看到水平角測量誤差隨著距離的增大而增加。

橫向?qū)嶒?yàn)測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的差值統(tǒng)計(jì) 表4

3.3 垂直角對(duì)激光跟蹤儀精度影響結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，測距對(duì)激光跟蹤儀精度影響結(jié)果主要體現(xiàn)在激光跟蹤儀豎向精度。表5給出了部分距離觀測與標(biāo)準(zhǔn)距離的結(jié)果。

9 m豎向?qū)嶒?yàn)部分距離觀測值與標(biāo)準(zhǔn)值的差值 表5

并對(duì)豎向?qū)嶒?yàn)結(jié)果進(jìn)行測量精度統(tǒng)計(jì)分析與計(jì)算，結(jié)果如表6所示，可以看到隨著垂直角角度的增大，測量誤差增加。

豎向?qū)嶒?yàn)測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的差值統(tǒng)計(jì) 表6

4 結(jié) 語

本文將測距測角對(duì)激光跟蹤儀的精度影響進(jìn)行了深入研究，以FARO XI跟蹤儀和CCR1.5″為例，利用激光干涉儀標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，通過橫向、縱向及垂直三個(gè)方向?qū)嶒?yàn)分析測距、水平角測量、垂直角測量對(duì)激光跟蹤儀測量精度的影響。在 30 m的水平導(dǎo)軌及 3 m的垂直導(dǎo)軌上或者激光跟蹤儀系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)裝置的距離觀測值，通過對(duì)兩套觀測值的差異分析，得出激光跟蹤儀測距精度較高，與干涉儀的差值均方根僅為 4.3 μm，水平角測量誤差隨著距離的增大而增加，垂直角測量誤差隨著角度的增大而增加的結(jié)論。