激光跟踪仪测角误差的现场评价

　　1 引 言

　　近年来，随着国家先进制造工业快速、稳定的发展，在精密制造、在线装配及检测等工业和精密工程测量领域，先进的几何量测量手段和精度保证已成为重大装备技术进步的主要支撑，几何量测量为工业产品的设计、制造工艺的改善以及产品质量保证提供了必要的数据支持。为了反映几何量测量结果的可靠性，需要建立测量仪器误差的评价体系，相对于比较成熟的常规尺寸误差评价方法，大尺寸测量仪器的误差评价还没有统一的标准，而仪器生产厂家给出的精度指标是在理想的实验室环境下得到的，现场测量精度往往达不到相应的指标，因此不能反映现场条件下测量仪器的真实性能[1-2]。

　　目前，用于大尺寸几何量测量仪器中，激光跟踪仪具有测量范围大、精度高、良好的动态测量特性等优点，在重大装备精密测量、大型零部件安装定位以及机器人校准等方面具有显著的优势。随着激光跟踪仪在测量应用的不断扩展，国内外许多专家学者从多个角度对其整体测量误差评价方法进行了研究，包括标准件比对法、解析法以及统计法等[3-6]。标准件比对法需要的大尺寸标准实物制造困难，现场携带维护不方便; 解析法对于非正交系统所建立的复杂非线性测量模型进行解算较为困难，且忽略了现场影响测量精度的各种因素; 统计法用于误差分析所需样本数较大，实现周期较长。国际上评价激光跟踪仪测量性能的标准是美国国家标准技术研究院( NIST) 制定的ASME B89. 4. 19 标准[7]，该标准采用基于不同位置和量程范围的实验方法来校验激光跟踪仪的测量误差。上述方法都是基于激光跟踪仪实际应用对测量性能的评价，并没有涉及对跟踪仪原理性误差因素的评价方法。

　　由于激光跟踪仪测角误差远大于测长误差，在现场测量距离达到十几米甚至几十米时，跟踪仪测量误差将显著增大，因此，测角误差就成为评价跟踪仪测量精度的重要指标。文献[8-10]采用标准微小位移或转角对相应仪器测角误差进行标定，但通过有限位置的微小量还不能完全定性地评价测角误差; 文献[5-6]利用激光跟踪仪自身参数通过计算机仿真来反映测量误差的蒙特卡罗模拟法，模拟法实现简单快速，但无法客观反映现场测量情况; 文献[11-12]通过激光跟踪仪多站角度交汇测量形成多余观测，利用定向精度来评价测量误差，但该方法没有利用跟踪仪高精度测长特点，无法准确反映跟踪仪测角误差。

　　为了在现场条件下方便快速地评价跟踪仪的测角误差，通过跟踪仪多个测量站位对空间若干个被测点进行观测，利用测量点坐标的不变性及高精度长度测量值建立测量误差方程，为避免标量长度值方向性约束不足，以测长方向上的矢量位移对测长误差进行约束，从而解算获得测量点在激光跟踪仪水平角和垂直角测量方向上的坐标改正值，再结合当前的测量距离来评价激光跟踪仪的测角误差。