本文根據(jù)現(xiàn)有的激光跟蹤儀現(xiàn)場校準設(shè)備激光導(dǎo)軌的缺點，探討了改進方案的導(dǎo)軌安裝及干涉系統(tǒng)裝校等相關(guān)問題，Z后通過實驗驗證了改進后的設(shè)備能夠為激光跟蹤儀的現(xiàn)場校準提供精度高、壽命長且使用便捷的解決方案。

作為一種便攜式大尺寸坐標測量系統(tǒng)，激光跟蹤儀在航空航天、船舶制造、風(fēng)電、加速器等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，相應(yīng)的計量校準研究也在不斷發(fā)展。

在激光跟蹤儀的實際使用過程中，由于儀器經(jīng)常性的組裝、搬運以及環(huán)境因素的不斷變化都會引起系統(tǒng)參數(shù)的變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)測量精度不穩(wěn)定。因此，對激光跟蹤儀儀進行現(xiàn)場校準及現(xiàn)場測量精度研究的需求也越來越多。目前國內(nèi)可應(yīng)用的激光跟蹤儀現(xiàn)場校準的產(chǎn)品非常少，且在使用便捷性或精度、壽命等方面存在著諸多問題，制約了激光跟蹤儀的現(xiàn)場應(yīng)用，成為了大尺寸計量領(lǐng)域一個亟待解決的問題。為此，本文探討了改進此類激光導(dǎo)軌的方案及相關(guān)問題。

1、激光跟蹤儀的校準方法

激光跟蹤儀的校準方法按原理可分兩類。一類以點到點長度測試為主要手段，ZD研究跟蹤儀系統(tǒng)誤差的標定以及標準長度的實現(xiàn)方式。如美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)研究了跟蹤儀系統(tǒng)誤差與點到點長度測試的位置、方向的關(guān)系，開發(fā)了便攜式激光導(dǎo)軌校準系統(tǒng)，用于跟蹤儀現(xiàn)場測試。德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)采用長度標準桿建立參考墻用于校準激光跟蹤儀。

此外，芬蘭計量與認證ZX(MIKES)采用30m的一維干涉儀實現(xiàn)跟蹤儀的測距及水平碼盤的位移和偏心距的校準。西班牙的RAcero等人采用轉(zhuǎn)臺及多個目標點產(chǎn)生虛擬長度實現(xiàn)跟蹤儀校準，這些方法可輕松產(chǎn)生任意尺寸的標準長度，但是轉(zhuǎn)臺的設(shè)計及調(diào)整較為復(fù)雜。以上是激光跟蹤儀經(jīng)典的校準方法。

另一類是基于多目標點網(wǎng)絡(luò)的跟蹤儀校準方法，該方法以光束平差算法為基礎(chǔ)，通過跟蹤儀在多站位測量多個目標點實現(xiàn)。英國國家物理實驗室(NPL)采用該方法標定其內(nèi)部幾何偏差，同時評價其測距、測角不確定度。這種校準方法具有快速、簡便、無需標準件的優(yōu)點，雖然可以實現(xiàn)激光跟蹤儀的自校準，但溯源方式、網(wǎng)絡(luò)布局等問題仍需得到進一步研究。所以，采用標準件的方法依然是現(xiàn)階段激光跟蹤儀現(xiàn)場測量的shou選方案。

目前適用于激光跟蹤儀的現(xiàn)場校準設(shè)備，除NIST開發(fā)的激光導(dǎo)軌校準系統(tǒng)外，美國API公司也曾推出激光導(dǎo)軌產(chǎn)品，可提供2.3m的有效標準長度，但其采用鋁制滑動導(dǎo)軌，變形情況受溫度波動影響較大，且使用壽命低。該激光導(dǎo)軌有一定重量，其上又有激光干涉儀，為防磕碰需謹慎操作，調(diào)整0°、45°、90°等幾種姿態(tài)時需要3～4人才能順利完成，操作非常不便，這些因素嚴重影響了激光跟蹤儀檢測的精度和工作效率。

2、激光跟蹤儀校準設(shè)備的構(gòu)成

2.1導(dǎo)軌相關(guān)問題

為降低激光導(dǎo)軌的重量，一般選擇鋁型材作為標準器的主體，但普通鋁型材由于剛性差易變形等原因無法勝任?？蛇x擇承重梁型鋁型材，相較于普通的鋁型材具有更厚的壁厚以及更好的剛性，可有效降低撓度變形情況。

原API激光導(dǎo)軌產(chǎn)品直接采用滑板在鋁制軌道上的滑動形式，因為摩擦力、軌道與滑塊間隙等原因，不僅運動直線度難以保證，使用壽命也非常有限。可選用鋼制滾珠導(dǎo)軌來解決這一問題，但為保證滾珠導(dǎo)軌的運行精度，需滿足導(dǎo)軌軌道的安裝基準面的直線度和平面度。鋁型材自身的精度指標難以滿足滾珠導(dǎo)軌的安裝基準面，即使進行再次加工也很難滿足。

為解決這一問題，可采用增加鋼制導(dǎo)軌連接片作為軌道安裝基準面的方案。將經(jīng)過磨削處理平面度和直線度達到30μm以內(nèi)的導(dǎo)軌連接片安裝在鋁型材基座上，再將滾珠導(dǎo)軌的軌道安裝在導(dǎo)軌連接片上，以連接片的側(cè)向基準面為直線度基準，利用電感測微儀或千分表的輔助，通過螺孔間隙調(diào)整滾珠導(dǎo)軌的軌道與連接片的側(cè)向基準面平行。從一端開始一邊調(diào)整軌道的直線度，一邊將裝配螺栓全部鎖緊，進而保證滾珠導(dǎo)軌的運行精度。

滾珠導(dǎo)軌安裝完畢后，使用光電準直儀測量滑塊的運行直線度，將光電準直儀的反射鏡固定在滑塊上，設(shè)定光電準直儀分辨率為0.1μm/m，測量橋板長度160mm，X方向數(shù)值代表滑塊的左右方向偏擺，Y方向數(shù)值代表滑塊的高低方向偏擺，測量行程為2400mm，單向運動測量15個點。

此外，激光導(dǎo)軌在使用時，需進行0°，45°，90°的姿態(tài)改變。有多種方案可實現(xiàn)，包括螺旋式液壓擺動缸、多級伸縮液壓油缸、垂直位移臺以及擺動氣缸等。液壓擺動缸的方案具有扭矩較大的優(yōu)勢，但是成本過高，且體積較大。綜合所需功能及成本，氣動擺動缸可作為一個優(yōu)選方案。實現(xiàn)姿態(tài)的自動改變，可節(jié)省人力，提高檢測效率。

2.2激光干涉光路相關(guān)問題

激光導(dǎo)軌上需安裝激光干涉儀提供導(dǎo)軌的測量值，因此需選擇可固定在設(shè)備上使用的激光干涉儀，例如安捷倫5517B干涉儀激光頭，該激光頭采用穩(wěn)頻精度≤0.04μm/m的氦氖雙頻激光器，光束直徑6mm。同時需要折轉(zhuǎn)反射鏡、耦合有光纖接收器的干涉測量鏡，并可選用激光跟蹤儀的靶球作為反射棱鏡，實現(xiàn)干涉測量的目的。

由于激光干涉儀需固定在標準器主體上，且光路需經(jīng)過兩次90°的折轉(zhuǎn)，給光路的調(diào)校帶來困難。但光路的準直程度決定著干涉系統(tǒng)的測長精度，以下詳述干涉光路準直的調(diào)校過程。

首先使用高度尺分別測量激光干涉儀的出光口ZX位置、轉(zhuǎn)向鏡、干涉鏡以及反射鏡角錐的ZX位置。通過調(diào)整相應(yīng)鏡座或連接件的螺紋間隙，使四者等高。

將用于光路調(diào)節(jié)的磁性靶標在轉(zhuǎn)向鏡的入光口處，調(diào)節(jié)干涉儀的俯仰，使入射光完全入射在靶標的圓孔處，調(diào)節(jié)完成后將干涉儀激光頭完全固定。將磁性靶標更換至干涉鏡的入光口處，微調(diào)轉(zhuǎn)向鏡座的左右位置和俯仰角度，使入射光完全入射在靶標的圓孔處，調(diào)節(jié)完成后將轉(zhuǎn)向鏡完全固定。將磁性靶標更換至干涉鏡的出光口處，并將帶有反射角錐棱鏡的滑動工作臺滑動到遠離干涉鏡的一端，微調(diào)干涉鏡座的左右位置和俯仰角度，使從反射角錐棱鏡反射回的光入射在靶標的圓孔處，調(diào)節(jié)完成后將干涉鏡完全固定。

整個調(diào)校過程，來回推動滑動工作臺在滾珠導(dǎo)軌上滑動，本著近處調(diào)高低，遠處調(diào)偏擺和俯仰的原則，Z終使得滑動工作臺在導(dǎo)軌上運行全程中，從反射角錐鏡中反射回的光始終入射在干涉鏡的ZX位置。至此，完成干涉光路的準直調(diào)節(jié)。