激光跟踪伺服系统设计与误差分析

三维伺服机构在柔性坐标测量系统中占有极重要的地位，在分析了其它激光跟踪机构的基础上，提出了一种匠独立式三维跟踪机构，详细论述了它的工作原理，同时也对伺服机构的加工误差，安装误差，伺服电路控制误差等进行了分析，实验证明了伺服转镜机构工作性能可靠，测量误差小，结构简单，容易控制。     

增量式编码器的相位编码细分研究

在球坐标激光跟踪测量系统中采用球坐标法可将空间运动物体的三维坐标求出。增量式编码器的精度对于整个测量系统的精度而言，占主导作用。本论文对输出信号为正弦信号的增量式编码器提出一种细分方法一相位编码细分方法，从原理上进行了深入的分析，并设计了硬件电路。与其他方法相比，该方法具有细分数高且任意可调的特点。     

基于PSD的激光跟踪测量控制系统研究

针对空间点坐标的测量问题,对激光跟踪仪、双站式经纬仪及多站式全站仪等坐标测量系统等方面进行了研究,对坐标测量原理进行了归纳,基于三角法设计了一种新型PSD激光跟踪测量系统,介绍了工作原理与实现流程,设计了应用于该测量系统的控制系统。工控机IPC、运动控制卡PCI-8134组成上位机控制系统,陀螺仪MPU6050采集角度信息、PSD处理器将数据放大、AD7606将模拟量转成数字量处理、射频模块NRF24L01发送和接收数据信息,配合嵌入式微处理器STM32进行了数据处理,共同组成了下位机数据采集系统。实验结果表明,该控制系统稳定可靠,基本满足大尺寸坐标测量的要求,并成功应用于激光跟踪测量系统。     

特大型齿轮激光跟踪在位测量原理及关键技术

为了实现特大型齿轮精密测量,介绍了作者提出的特大型齿轮激光跟踪在位测量原理,重点阐述了其中的几项关键技术.特大型齿轮激光跟踪在位测量系统整合了激光跟踪仪的大尺寸测量能力和三坐标测量机的高精度,采用激光跟踪仪建立齿轮工件坐标系和三维测量平台坐标系,通过激光跟踪仪坐标系将齿轮工件坐标系与三维测量平台坐标系关联起来,并建立了相应坐标系的拟合模型及算法.同时,建立了三维测量平台的姿态调整模型,通过姿态调整机构完成了三维测量平台的姿态调整,进而确保三维测量平台与齿轮轴线的位置关系满足要求.最后,给出了该在位测量系统的实测结果.实验结果表明:特大型齿轮激光跟踪在位测量系统原理正确可行,满足6级以下特大型齿轮的精密测量.     

四路激光跟踪柔性坐标测量系统的跟踪器设计

激光跟踪器是激光跟踪坐标测量系统的关键部件。采用双电机驱动的单转镜结构,模拟式的P ID与单片机的数字式P ID相结合的闭环控制方案,设计了一种新型的激光跟踪器。该跟踪器具有跟踪快速、平稳,反射基点在跟踪过程中保持不动,跟踪精度高等优点,并成功的应用于四路激光跟踪柔性坐标测量系统。实验表明,激光跟踪测量系统的有效跟踪速度优于0.4m/s,综合测量精度1.2μm。     

距离法运动目标激光跟踪测量系统的研究

运动目标空间位置坐标激光跟踪测量是计量测试领域的前沿课题。该测量系统集激光干涉测距、光电检测、精密机械、计算机及控制系统和现代数值计算于一体 ,对空间运动目标进行跟踪并实时测量其坐标和姿态。采用多个激光干涉仪进行冗余设计 ,仅通过测量距离的变化量而不需要测量角度量 ,就可以通过解最小二乘方程组计算出被测点的坐标。文中论述了纯距离法跟踪测量的数学模型、系统的光路设计以及基于 PID控制方法的跟踪控制系统 ,并完成了平面内运动物体的跟踪及测量可行性实验     

激光跟踪测量系统研究

介绍了激光跟踪测量系统的结构.分析了激光跟踪测量系统利用目标反射镜和转镜的配合实现跟踪的原理,利用球坐标系、干涉测距实现坐标的原理,并对系统测量误差的产生原理及防止误差的方法进行了讨论,最后对激光跟踪测量系统的发展趋势做了展望.     

激光跟踪测量系统跟踪转镜的误差分析

激光跟踪测量系统是目前最新型的便携式空间大尺寸坐标测量系统,可对空间运动目标进行跟踪并实时测量其三维空间坐标,具有精度高、范围大、实时快速等特点。然而,激光跟踪测量系统中跟踪转镜的几何误差严重影响了其测量精度;所以激光跟踪测量系统在使用前必须对其进行建模和误差分析。在全面研究了激光跟踪测量系统结构和工作原理的基础上,建立了系统运动学模型和跟踪转镜中心偏移数学模型。详细分析了系统测量中基点位置变动误差、转镜跟踪目标反射器跟踪误差和转镜反射面与激光束不垂直误差等。结果表明跟踪转镜中心偏移、回转轴不对称、基点位置变动、光束反射点与基点不重合是导致测量误差的主要原因。因此,在跟踪转镜结构设计中,为保证激光束反射点与基点位置重合及转镜旋转跟踪目标反射器时基点空间位置保持不变,应尽量减少跟踪转镜旋转点与镜面之间的距离。     

四路激光跟踪干涉三维坐标测量系统自标定与仿真

介绍了四路激光跟踪干涉三维坐标测量系统的工作原理，由于系统具有冗余特性，可以实现系统的自标定。重点研究了系统自标定的原理，采用初始动点的概念代替初始长度，建立了正确的自标定模型。提出了系统的标定和测量过程相互统一的新特征。最后综合运用各种数值算法对自标定模型进行了计算机仿真。仿真结果表明，激光跟踪干涉仪的测量误差对自标定参数的计算结果有重大影响。因此，自标定过程中需要保证激光跟踪干涉仪的测距精度。     

激光跟踪测量系统角度自动校正装置设计

激光跟踪测量系统是目前最新型的便携式空间大尺寸坐标测量系统,利用激光干涉测长、精密测角及目标跟踪技术,可对任意点的空间位置进行实时跟踪测量。然而,目标反射器接收角度的大小严重影响了激光跟踪测量系统角度测量精度,为解决激光跟踪测量系统在动态测量中因角锥棱镜逆反射器接收角度范围限制而导致无法测量问题,研制开发了一种能使激光跟踪测量系统在动态条件下连续测量的角度自动校正装置。它主要由精密圆形导轨和角度方位自动调节机构组成,能使角锥棱镜在动态测量过程中始终指向激光跟踪测量系统,从而实现在动态条件下的连续工作。最后利用研制角度自动校正装置对激光跟踪测量系统进行了角度误差补偿实验,结果表明该装置使激光跟踪测量系统的水平角测量误差由34.69µm减小到9.71µm,垂直角测量误差由35.43µm减小到10.03µm,从而有效地提高了激光跟踪测量系统的角度测量精度。     

Estimation of three-dimensional volumetric errors of machining centers by a tracking interferometer

A tracking interferometer is a laser interferometer with the mechanism to steer the laser direction to automatically follow a target retroreflector. This paper experimentally investigates the performance of the tracking interferometer prototype, developed by a part of the authors, in estimating the volumetric accuracy of a machining center based on the multilateration principle. Then, the prototype's technical issues are discussed based on the measurement uncertainty analysis. This paper briefly reviews the direct algorithm to calculate the three-dimensional position of the target, as well as the indirect algorithm to estimate geometric error parameters of the machine's kinematic model. Their comparison is also presented based on the uncertainty analysis.     

焊缝跟踪应用的线激光视觉伺服控制系统

设计了一套由三轴直角坐标机器人、线激光传感器和工业计算机组成的焊缝跟踪系统。研究了该系统所涉及的测量原理、特征点测量方法和基于模糊自适应的控制方法。通过高斯核相关算法(KCF)在焊接过程中实时检测焊缝特征点,并根据测量原理计算获得特征点相对于相机坐标系的三维坐标值。设计了一种自适应模糊控制器,通过自适应模糊控制器计算坐标的偏差值和偏差变化率得到焊枪末端运动轨迹的控制量,同时对模糊控制器的输入输出论域、模糊规则和隶属函数进行实时动态更新。实施了焊缝跟踪实验。结果显示:采用最大焊接电流为350 A的惰性气体保护焊(MIG),在强烈弧光和飞溅的干扰下,该系统能实时跟踪焊接工件,跟踪精度为0.325 3mm,传感器测量频率为20Hz。焊接过程中焊枪末端运行平稳,焊缝轨迹跟踪准确,且抗干扰能力,能满足焊接应用要求。     

基于FPGA的精跟踪系统

主要研究空间激光通信系统中精跟踪技术,根据精跟踪系统的组成原理与工作原理,设计了一种轻小型化、智能化精跟踪系统,该系统以FPGA作为核心器件,完成光斑图像采集、图像滤波、光斑位置计算、数字控制补偿函数及脱靶量的实时输出等功能。同时系统可根据外部环境变化,自动调整相机阈值、开窗口位置、积分时间。搭建试验系统完成精跟踪实验,实验表明系统可实现脱靶量实时输出3 000 Hz以上,符合精跟踪控制系统技术指标要求。系统在像元分辨力为3μrad的情况下,实时跟踪均方根值为1.17μrad,满足空间激光通信对精跟踪的要求,为其在空间激光通信中应用打下基础。     

基于视觉技术的边缘跟踪轮廓测量系统

激光跟踪测量法在测量工件轮廓方面具有精度高、实时快速、动态测量、操作简单等特点,越来越广泛的被应用.但激光光束易受气象条件影响,不能全天候使用.针对这一问题,介绍了一种基于视觉技术的工件轮廓的跟踪测量,根据系统硬件平台的具体结构采用边缘跟踪轮廓测量可以加快处理速度,对于图像的实时处理有很大好处.基于视觉的边缘跟踪轮廓测量系统利用传统的图象处理,边缘检测和曲线拟合技术,对CCD拍摄下来的图像进行边缘轮廓提取.并像结束点的坐标.结合可重组测量技术达到了高精度检测工件合格率的要求.     

‘Open-loop’ tracking interferometer for machine tool volumetric error measurement—Two-dimensional case

The tracking interferometer, or the laser tracker, is a laser interferometer with a steering mechanism to regulate the laser beam direction to follow a retroreflector (“target”). Applying the multilateration principle, it measures the target's three-dimensional position at an arbitrary location in the workspace. Its application to the volumetric accuracy measurement for coordinate measurement machines or machine tools has been long studied. In this paper, we propose the ‘open-loop’ tracking interferometer, where the laser beam is regulated toward the command target position. This eliminates the automated tracking mechanism and thus may significantly reduce the manufacturing cost of conventional tracking interferometers. The objective of this paper is to validate this ‘open-loop’ tracking interferometer concept by investigating its measurement uncertainty both experimentally and analytically. To simplify the problem, this paper focuses on the measurement of the target's two-dimensional position by using a single-axis ‘open-loop’ tracking interferometer prototype.     

Measuring large 3D structures using four portable tracking laser interferometers

A new concept that allows measuring 1D–3D objects in the range of several centimeters to 5 m × 5 m × 5 m is presented. In general terms the concept can be seen as a task specific correction of geometrical errors of coordinate measuring machines (CMMs). The developed system comprises a commercial CMM, its measurement and its evaluation software and a set of at least four high accurate tracking laser interferometers. The CMM is simply used as a mover which allows to capture points on the surface of a measuring object. In parallel the tracking laser interferometers follow a retro-reflector located close to the stylus tip of the tactile probe of the CMM. Based on a multi-lateration algorithm 3D-positions are calculated from the measured interferometric distances. Finally, two sets of coordinates emerged, namely, one by the CMM and the second from the metrological frame of the tracking laser interferometers. The interferometrically measured positions are usually more precise than the positions measured by the CMM. This is due to the high accuracy of the interferometric system and also due to the fact that the measurement positions are taken in a manner which almost avoids Abbe errors. Because of that, the measurement positions of the CMM are substituted with the more accurate measurement points calculated from distance measurements of the tracking interferometers. The position coordinates thus obtained are used for the further computerized evaluations, which yield the geometric parameters of the object measured. First measurements under laboratory condition show very promising results. It has been demonstrated that the concept is suitable for the high precision calibration of large workpieces with small tolerances, for instance, for the calibration of large gears for the windmill industry.     

激光制导测量机器人系统设计及运动学分析

提出新型“光束运动—光靶跟踪”激光跟踪测量方法,并在此方法基础上研究激光制导测量机器人技术,研制并开发一种能够在水平和垂直被测对象表面上运动的小型轮臂复合式激光制导测量机器人系统。该机器人机构融合轮式机构、爬行臂式结构和真空吸附式机构的优点,具有重量轻、体积小、运动灵活和反应快速等特点,可以根据不同被测对象表面特征变换测量模式,利用轮式结构实现机器人在水平被测表面上高速远距离运动,利用爬行臂式和真空吸附式机构实现机器人在倾斜光滑表面上灵活地爬行和转向。建立机器人的运动学模型并对其运动特性进行分析,利用激光跟踪仪和三坐标测量机对研制激光制导测量机器人进行性能测试,试验结果不仅证明了该机器人能够跟踪激光束自动高效地完成被测对象实体测量,同时也验证了所建模型的有效性和正确性。     

激光跟踪运动物体空间坐标测量系统研究

基于激光跟踪干涉测量法建立的柔性三坐标测量系统能够有效地解决运动物体 (如机器人手臂、数控机床刀具 )空间位置测量 ,并且有望获得高的精度。讨论了球坐标法激光跟踪干涉动态测量 ,给出了测量原理和系统构成 ,建立了数学模型和实验。