利用激光跟踪仪测量超长导轨直线度的方法

随着工业技术 的不断发展 ，超 长度导轨正越来越多地在多个领域被应用，如机床设备、传送装置 、铁路轨道等口 ]。而直线度是导轨最重要 的技术指标 ，它是指被测导轨实 际线对其 理想直线 的变动量 ，导轨直线度误 差是形状误差之 -。形状误差是被测实际要素对其理想要素 的变 动量 ，理想要素的位置要符合最小条件。所谓最小条件是指被测实际要素对其理想要素的最大变动量为最校导轨直线度精度的高低直接关系着设备的准确性、可靠性和稳定性l3 j，因此有必要对其进行精确测量和标定 。目前，测试导轨 直线度 的方法很多，-般有 3种方法，分别为水平仪测量法、自准直仪测量法和激光干涉仪测 量法 。水平仪测量法是- 种传统的直线度测量手段，它操作简单，使用方便 ，成本较低。但是其测量精度较低 ，-般只能达到 2O/，m/m。用水平仪测量法，需要图解法求解导轨直线度误差 ，数据 的采集和分析很容易出错 ，该方法需 要手动采 集导轨 上某些 固定采 样点 坐标 ，因此对于超长导轨直线度 的测量实现起来非常困难[5]。自准直仪测量法的精度相对水平仪测收稿 日期 ：2013-O1-06； 修 回 日期 ：2013 02-20基金项目：863基金资助项目(08663NJ090)；国家自然科学基金重点项目(61036015)；973基金资助项 目(2011CBO132005)；国防项 目(YOJGJX0036)作者简介 ：：王孝坤 (1980-)，男 ，江苏丹 阳人 ，中国科学院长春光学精密机械与物理 研究所博 士、副研究 员、硕导 ，主要从事先进 光学 制造技术研究 。E-mail：jimwxk###sohu.corn应用光学 2013，34(4) 王孝坤：利用激光跟踪仪测量超长导轨直线度的方法 ·687 。

量法有所提高，-般为 5 tLm/m，但是还难于满足高精度导轨直线度的测试要求。此外，由于测试光线在空气 中并非绝对准直 ，测量 范围越大 ，其偏差就越大 ，因此对于超长导轨的测量 ，其测量误差就很大 ]。激光干涉仪测量法测量距离大且测试精度较高，测量精度-般可到达 0.4 m/m。但是对于超 长导 轨 的测量 ，由于光路 过 长，空气 扰动、振动等-系列因素将会对测量产生很大的影响，且该方法的数据处理和运算 等比较复杂 ，因此很难高精度地完成对超长导轨直线度的测量l6]。

本文提出-种利用激光跟踪仪测量超长导轨直线度的方法。通过激光跟踪仪测量超长导轨上多点的空间坐标 ，对测试数据进 行空间直线最 小二乘拟合即可求解超长导轨的直线度 。该方法能够精确实现对超长导轨直线度的测量，且操作方便、数据处理简单、测量时间短、测试成本低。

1 基本原理利用激光跟踪仪测量超长导轨 的装置构成如图 1所示，它主要包括激光跟踪仪、超长导轨、球形固定反射器 、球形固定反射器基座和导轨滑座等。

图 1 激光 跟踪 仪测量超 长导轨直线度的设备示意 图Fig.1 Sketch of setup for testing linearityerror of long guideway by laser tracker激光跟踪仪是-种高精度、大容量的便携式三维坐标测量设备，激光跟踪仪发射出激光束，光束经反射器回到激光器。通过水平和垂直 2个旋转角编码器和 1个基于激光 的距离测量系统 ，激光跟踪仪能够确定反射器 目标的位 置。球形 固定反射器(SMR)是激光跟踪器 的 目标 ，它包含 3个相互垂直的、定位到 SMR 中心点 的反射镜 。激光跟踪仪实时地跟踪 、定位 SMR的位置。所有打入反射器(SMR)的光束与入射光平行偏移 的方式返回。激光跟踪仪内位置传感器探测到反射光束的位置并驱动伺服马达使跟踪仪始终瞄准反射器(SMR)的 中心 位 置。这 个 闭 环 系统 每 秒 更 新1 000次 ，并使跟踪头跟踪靶标 移动。跟踪器通过2个高精度的编码器来测量水平转角和垂直转角。

水平或方位角编码器位 于柱 型跟踪器 的底部 ，它的分辨率为 0.02 rad·S(5.5×1O o))。垂直的或顶点轴编码器定位于跟踪头 的垂直顶部 (跟 踪头内部)，且具有相同的分辨率。位置感应探测 器(PSD)同样部分地测量 目标 的角度位置 。跟踪 器从角度编码器和 PSD上取得信息后通过运动模式传递信息出去。这个模式包含 2个转动的和 2个平移 的参数，该模式可以消除跟踪仪的系统误差 。

激光跟踪仪-般用来测量物体之间的相对位置，但是可以拓宽其功能，实现对超长导轨直线度的测量。由于使用激光技术，其测量范围可达 230英尺(70 m)，激光跟 踪仪 的高 精度选 项-干 涉仪(IFM)的最大允许误差为 2肛mL·0.4 m/m，其中L为激光跟踪仪与超长导轨之间的距离。因此，利用激光跟踪仪测量超长导轨的长度将可以达到 70 rl，检测精度为 0.4 p.m/m，即在测距过程中距离每增加 1 Il所引起的测量距离误差最大为0.4 p.m。此外 ，由于跟踪仪测量包括 2个角度测量和 1个距离测量，如果用跟踪仪测量的特征基本上是沿着光 速通路的方 向，角度 编码 器的移动将会很小，其测量精度将会大幅提高。因此，测量时我们将跟踪仪 的主机 出光孔基本沿着超长导轨竖直方 向安置 ，角度编码器引入的误差将会很小 ，检测精度将会提升。

激光跟踪仪测量超长导轨直线度的流程 图如图 2所示，其具体的实现流程如下：N图 2 测试流程 图Fig.2 Flow chart of measurement· 688 · 应用光学 2013，34(4) 王孝坤 ：利用激光跟踪仪测量超长导轨直线度的方法1)规划测试点按照等 间隔，在超长导轨上规划若干测试采样点 。

2)调节光路将球形固定反射器基座 (有磁性 )吸附在导轨滑座上，将球形固定反射器吸附在反射器基座上 ，由于是磁性吸附，它们之间的连接非常平稳 ，连接完毕后 ，调节光路 ，使激光跟踪仪对准第 1个测试点 。由于导轨滑座与导轨 面是平行的，因此，测量不同位置导轨滑座面上的点 的起伏就反映导轨的直线度。

3)测试点测量用激光跟踪仪对准第 1个测试点，记录并采集到第 1个测试点 的空 间位置坐标 (X ，Y ，Z )，通过数控机构等间隔调整移动导轨滑座 ，激光跟踪仪将会-直跟踪球形固定反射器，从而可以测定并 采集 到其他 测试 点 的空间位 置坐标 (X ，Y ，Zz)，(X。，Y。，Z。)，，(X ，Y ，Z )(假设共有 N个测试点)。

4)数据判定判定数据是否准确可靠，若测量数据坏点较多，则重新调节光路 ，对测试点进行再次测 量和数据采集，如数据准确可靠，则进行直线度计算。采样数据判断有-定阈值，阈值与所测量的超长导轨本身的精度有关，对于高精度超长导轨的测量，阈值-般 为 30 m，对于 中低精度超长导轨 的测量 ，阈值-般为 100m。

5)直线度计算N个测试点是 空间直线上 的多个 离散点 ，对这些点进行 最小 二乘拟合 即可得 到-条 空 间直线 ，如图 3所示 ，这是-条包容实际线 的最小圆柱面的直线，圆柱的直径值 D即为空间直线的直线度 ，亦为导轨的直线度 ，这是导轨沿 2个方 向综合的直线度 。

6)直线度分离将测量得 到的离散数 据点 分别投 影到 导轨的 2个基 面上 (如 图 1所 示 ，可 以选 择导 轨滑座表面和与其相互垂直的另-个平面)，在 2个基面上 即可得 到- 系列 离散 点 ，在 各 自基面 上分别 对这 些离 散点 进行 直线 拟合 ，即可 得 到 2条直 线 的直线 度 ，即为导 轨分 别沿 2个 方 向上 的直线度 。

图 3 直线度示意图Fig.3 Sketch of linearity error2 检测实验结合工程实践，对-数控机床中的 20 m超长导轨的直线度进行 了测量 ，检测装 置图如 图 4所示 〖虑测试环境影响、测量和机构调整时间、以及被测导轨本身长度等因素，按照每800 mm-个测试点规划 ，共有 26个测试点 。测量得到 26个测试点的空间坐标数值如表 5所示 。对测试采样点进行最小二乘拟合可得到-条空间直线，如图6所示 ，计算得到其直线度为 36 um，这是导轨沿 2个方 向综合的直线度。利用激光跟踪仪测量得到导轨滑座表面和与其相互垂直的另-个平面的 2个平面 ，将测量得到的离散数据点分别投影到这 2个平面 ，得到导轨分别沿 2个方向上的直线度分别为27 m 和 25 m。

图 4 检测设备图Fig.4 Test equipment超长导轨应用光学 2013，34(4) 王孝坤：利用激光跟踪仪测量超长导轨直线度的方法 ·689 ·表 5Table 5测试点的空 间坐标数值Coordinate of sampling points2.8图 6 测试点的空 间分布及直线拟合 圈Fig.6 Distribution and linear fitting of sampling points3 结论本文在拓宽了激光跟踪仪现有功能的基础上，提出利用激光跟踪仪测量超长导轨直线度的方法，结合工程实践，对-长度为 2O 1TI的超长导轨的直线度进行 了检测，测量得到其直线度为 36肚m。该方法能够实现对导轨 2个方向直线度的分离，从而为导轨的安装和调试提供保障。