激光跟踪仪基本工作原理及应用

激光跟踪仪是一种高精度的测量仪器，在多个领域都有着广泛的应用。以下将对激光跟踪仪的工作原理、结构特点、应用领域以及误差修正方法等方面进行详细介绍。

一、工作原理

激光跟踪仪内部的激光干涉仪测量出仪器与安装在目标物体上的靶镜之间位移的变化量，从而对目标物体的运动误差进行计算。具体来说，对于目标的位置测量，主要有基于相位差的激光干涉（IF）测量方法和基于双频调制信号的绝对距离（AD）测量方法。为确保位置测量精度，需要明确两种测量方法的切换条件和操作模式，其测量精度可达 6μm/m。

二、结构特点

通过使用标准球反射镜与万向节式回转轴系，可以减小系统误差对测量精度的影响。

三、应用领域

1.在数控装备领域，激光跟踪仪可用于计算数控装备的运动误差，并分离出每一根轴的各项几何误差，同时合成数控装备在空间任意位置的误差，从而实现对数控装备误差的修正。

在大型预埋钢板安装测量中，采用可调节高度的等高控制点确定平面基准，激光跟踪仪测量预埋钢板的孔位空间位置，确定形位误差并进行调整，最后进行二次检核，通过加权总体最小二乘拟合钢板平面，计算平面度，有效解决了振动台预埋钢板的高精度安装问题。

2.在机器人领域，激光跟踪仪可作为机器人末端执行器位置和姿态的测量设备，为机器人校准奠定基础。基于激光跟踪仪构建的位置和姿态测量系统，可设置机器人末端执行器按照预定线性轨迹以不同速度移动，然后用激光跟踪仪测量机器人末端执行器轨迹离散点的位置和姿态，并分析其位置误差和姿态误差，以检验机器人末端执行器的定位精度。

GTS激光跟踪仪测试服务机器人目标定位性能具体应用流程如下:

设定机器人装载额定负载和额定速度，以单一方向控制机器人在试验区域里，从起始点A开始，按照设定的速度及轨迹运行，当机器人停车定位在终止点B时，则完成一个运动测试循环。利用激光跟踪仪测量并记录机器人在终止点B时停止位置的参数，重复测量机器人30次在终止点B时停止位置的参数。

3.在粒子加速器领域，由于光学技术的进步、低成本计算和快速数据采集，激光跟踪仪常用于大规模尺寸计量（LSDM）领域。在粒子加速器中，激光跟踪仪可用于各种精密定位活动，将组件在其标称值下以优于 ±100μm 的精度在数百米至几公里的距离范围内进行定位。

4.在复合材料制品测量中，随着我国科技水平的不断提升和工业制造的迅猛发展，对航空航天工业材料的性能及精度提出了更严格的要求，而复合材料在该领域得到广泛应用。由于该类材料制造工艺复杂、尺寸较大，常规测量难以满足生产所需精度，激光跟踪仪等便携式测量坐标系统的出现为复合材料的检测提供了必备的检测工具。

5.在工业测量领域，近年来，随着现代三维空间技术的快速发展，激光跟踪仪已成为工业测量系统中一种成熟、高效、稳定且性能可靠的高精度大型测量仪器。在一些重大行业中，以激光跟踪仪为代表的三维高精度测量方法已逐渐取代传统测量方法，广泛应用于大型精密设备的安装和检测。

四、误差修正方法

利用多基站下的全球定位系统（GPS）原理确定各基站在数控装备坐标系下的坐标，并通过对数控装备运动误差的计算，分离出每一根轴的各项几何误差，同时合成数控装备在空间任意位置的误差，从而实现对数控装备误差的修正。

对于激光跟踪仪的测距精度，提出一种基于阿贝原理的通用方案来校正激光跟踪仪的距离精度。通过分析阿贝偏移的原因并进行理论计算和模拟验证，利用自准直仪构建阿贝误差补偿系统，对自制激光跟踪仪的距离精度误差进行补偿，实验结果表明补偿后的测距精度可从 1.828ppm 提高到 0.496ppm，该方法也适用于其他亚微米测量仪器的距离精度校准。

综上所述，激光跟踪仪凭借其高精度、实时快速、动态测量、便于移动等优点，在多个领域发挥着重要作用。同时，通过不断改进和完善其工作原理、结构特点以及误差修正方法，激光跟踪仪的性能将得到进一步提升，为各领域的发展提供更有力的支持。