激光跟踪仪的现场校准

本文根据现有的激光跟踪仪现场校准设备激光导轨的缺点，探讨了改进方案的导轨安装及干涉系统装校等相关问题，Z后通过实验验证了改进后的设备能够为激光跟踪仪的现场校准提供精度高、寿命长且使用便捷的解决方案。

作为一种便携式大尺寸坐标测量系统，激光跟踪仪在航空航天、船舶制造、风电、加速器等领域的应用不断深入，相应的计量校准研究也在不断发展。

在激光跟踪仪的实际使用过程中，由于仪器经常性的组装、搬运以及环境因素的不断变化都会引起系统参数的变化，从而导致系统测量精度不稳定。因此，对激光跟踪仪仪进行现场校准及现场测量精度研究的需求也越来越多。目前国内可应用的激光跟踪仪现场校准的产品非常少，且在使用便捷性或精度、寿命等方面存在着诸多问题，制约了激光跟踪仪的现场应用，成为了大尺寸计量领域一个亟待解决的问题。为此，本文探讨了改进此类激光导轨的方案及相关问题。

1、激光跟踪仪的校准方法

激光跟踪仪的校准方法按原理可分两类。一类以点到点长度测试为主要手段，ZD研究跟踪仪系统误差的标定以及标准长度的实现方式。如美国国家标准与技术研究院(NIST)研究了跟踪仪系统误差与点到点长度测试的位置、方向的关系，开发了便携式激光导轨校准系统，用于跟踪仪现场测试。德国联邦物理技术研究院(PTB)采用长度标准杆建立参考墙用于校准激光跟踪仪。

此外，芬兰计量与认证ZX(MIKES)采用30m的一维干涉仪实现跟踪仪的测距及水平码盘的位移和偏心距的校准。西班牙的RAcero等人采用转台及多个目标点产生虚拟长度实现跟踪仪校准，这些方法可轻松产生任意尺寸的标准长度，但是转台的设计及调整较为复杂。以上是激光跟踪仪经典的校准方法。

另一类是基于多目标点网络的跟踪仪校准方法，该方法以光束平差算法为基础，通过跟踪仪在多站位测量多个目标点实现。英国国家物理实验室(NPL)采用该方法标定其内部几何偏差，同时评价其测距、测角不确定度。这种校准方法具有快速、简便、无需标准件的优点，虽然可以实现激光跟踪仪的自校准，但溯源方式、网络布局等问题仍需得到进一步研究。所以，采用标准件的方法依然是现阶段激光跟踪仪现场测量的shou选方案。

目前适用于激光跟踪仪的现场校准设备，除NIST开发的激光导轨校准系统外，美国API公司也曾推出激光导轨产品，可提供2.3m的有效标准长度，但其采用铝制滑动导轨，变形情况受温度波动影响较大，且使用寿命低。该激光导轨有一定重量，其上又有激光干涉仪，为防磕碰需谨慎操作，调整0°、45°、90°等几种姿态时需要3～4人才能顺利完成，操作非常不便，这些因素严重影响了激光跟踪仪检测的精度和工作效率。

2、激光跟踪仪校准设备的构成

2.1导轨相关问题

为降低激光导轨的重量，一般选择铝型材作为标准器的主体，但普通铝型材由于刚性差易变形等原因无法胜任。可选择承重梁型铝型材，相较于普通的铝型材具有更厚的壁厚以及更好的刚性，可有效降低挠度变形情况。

原API激光导轨产品直接采用滑板在铝制轨道上的滑动形式，因为摩擦力、轨道与滑块间隙等原因，不仅运动直线度难以保证，使用寿命也非常有限。可选用钢制滚珠导轨来解决这一问题，但为保证滚珠导轨的运行精度，需满足导轨轨道的安装基准面的直线度和平面度。铝型材自身的精度指标难以满足滚珠导轨的安装基准面，即使进行再次加工也很难满足。

为解决这一问题，可采用增加钢制导轨连接片作为轨道安装基准面的方案。将经过磨削处理平面度和直线度达到30μm以内的导轨连接片安装在铝型材基座上，再将滚珠导轨的轨道安装在导轨连接片上，以连接片的侧向基准面为直线度基准，利用电感测微仪或千分表的辅助，通过螺孔间隙调整滚珠导轨的轨道与连接片的侧向基准面平行。从一端开始一边调整轨道的直线度，一边将装配螺栓全部锁紧，进而保证滚珠导轨的运行精度。

滚珠导轨安装完毕后，使用光电准直仪测量滑块的运行直线度，将光电准直仪的反射镜固定在滑块上，设定光电准直仪分辨率为0.1μm/m，测量桥板长度160mm，X方向数值代表滑块的左右方向偏摆，Y方向数值代表滑块的高低方向偏摆，测量行程为2400mm，单向运动测量15个点。

此外，激光导轨在使用时，需进行0°，45°，90°的姿态改变。有多种方案可实现，包括螺旋式液压摆动缸、多级伸缩液压油缸、垂直位移台以及摆动气缸等。液压摆动缸的方案具有扭矩较大的优势，但是成本过高，且体积较大。综合所需功能及成本，气动摆动缸可作为一个优选方案。实现姿态的自动改变，可节省人力，提高检测效率。

2.2激光干涉光路相关问题

激光导轨上需安装激光干涉仪提供导轨的测量值，因此需选择可固定在设备上使用的激光干涉仪，例如安捷伦5517B干涉仪激光头，该激光头采用稳频精度≤0.04μm/m的氦氖双频激光器，光束直径6mm。同时需要折转反射镜、耦合有光纤接收器的干涉测量镜，并可选用激光跟踪仪的靶球作为反射棱镜，实现干涉测量的目的。

由于激光干涉仪需固定在标准器主体上，且光路需经过两次90°的折转，给光路的调校带来困难。但光路的准直程度决定着干涉系统的测长精度，以下详述干涉光路准直的调校过程。

首先使用高度尺分别测量激光干涉仪的出光口ZX位置、转向镜、干涉镜以及反射镜角锥的ZX位置。通过调整相应镜座或连接件的螺纹间隙，使四者等高。

将用于光路调节的磁性靶标在转向镜的入光口处，调节干涉仪的俯仰，使入射光完全入射在靶标的圆孔处，调节完成后将干涉仪激光头完全固定。将磁性靶标更换至干涉镜的入光口处，微调转向镜座的左右位置和俯仰角度，使入射光完全入射在靶标的圆孔处，调节完成后将转向镜完全固定。将磁性靶标更换至干涉镜的出光口处，并将带有反射角锥棱镜的滑动工作台滑动到远离干涉镜的一端，微调干涉镜座的左右位置和俯仰角度，使从反射角锥棱镜反射回的光入射在靶标的圆孔处，调节完成后将干涉镜完全固定。

整个调校过程，来回推动滑动工作台在滚珠导轨上滑动，本着近处调高低，远处调偏摆和俯仰的原则，Z终使得滑动工作台在导轨上运行全程中，从反射角锥镜中反射回的光始终入射在干涉镜的ZX位置。至此，完成干涉光路的准直调节。