激光跟踪仪在平面度测量中的应用

激光跟踪仪在平面度测量中的应用

高瑞翔计强蔡黎勇

上海建科检验有限公司

[摘要] 大型零件的平面度，一直是机械加工中需要测量的重要参数，对于零件的精度和后续的装配有直接的影响。传统的方法是通过电子水平仪来进行测量，但是该方法存在耗时长，对于异形平面测量误差大的问题。本文通过使用激光跟踪仪进行平面度测量，并通过与水平仪测量得到的结果进行比较，确定该方法的可行性。

[关键词] 平面度；电子水平仪；激光跟踪仪；平板

0 引言

在机械加工中，对于大形零件的平面度测量是十分重要的。平面度是否符合要求会直接影响零部件的后续装配。对于用于测量基准的标准平面，国家出台了对应的JJG 117-2013 《平板检定规程》，其中使用电子水平仪作为测量设备，对标准平面的平面度进行测量[1]。但是，在实际操作过程中对于大型平面和不连续平面的平面度测量过程中[2]，使用电子水平仪测量存在过程复杂，耗时长，不能在测量过程中发现是否存在数据采集错误的劣势[3]。

激光跟踪仪作为一种现场坐标测量设备，能够快速采集测量点的坐标，通过对平面表面点的数据拟合，能够快速得到平面度数据[4][5]。本文通过使用两种方法对于同一块标准平面进行数据采集，计算平面度值。研究激光跟踪仪测量法，能否满足实际的使用需求。

1、激光跟踪仪测量原理

激光跟踪仪可以测量目标点距离和水平、垂直方向偏转角。其基本原理是在目标位置上安置一个反射器，激光跟踪头发出的激光射到反射器上并返射回到跟踪头，当目标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标。同时，返回光束为检测系统所接收，用来测算目标的空间位置。总之，激光跟踪仪是通过测量一个在目标点上放置的反射器的位置，进而确定目标点的空间坐标[6]。

激光跟踪仪能直接测量出空间点的三维坐标，这些三维坐标是在激光跟踪仪的仪器坐标系下得到的。该坐标系定义为：以跟踪头中心为原点，以度盘上的读数方向为X轴，以度盘平面的法线向上方向为Z轴，以右手坐标系规则确定Y轴，如此建立起仪器坐标系，如图1。

图1 激光跟踪仪原理图

当反射器离开基准位置（基准位置距仪器中心的距离已知），并在空间移动时，激光跟踪仪会自动跟踪反射器，同时记录干涉测距值D 及垂直度盘和水平度盘上的角度值α、β，用这3个观测值，通过下列公式就可得到点的空间三维直角坐标（x, y, z）。

X=D·sinα·cosβ

Y=D·sinα·sinβ

Z=D·cosα

在对于平面度参数的测量过程中，激光跟踪仪会测量平面上的多个点，通过记录多个点的数据，在配套的软件中进行处理，使用最小二乘法拟合出平面的平面度。

2、测量过程

2.1 样品的选择

被测量的样品为由大理石经过平磨得到的标准平板，在平板下方由五点支撑，且水平度已经经过调整。大理石平板的尺寸为1000mm×1000mm。为了减少环境对于测量结果的影响，该样品提前防止于（20±1）℃的恒温实验室中，且已静置超过24小时，在测量过程中避免环境震动。

2.2使用电子水平仪进行测量

在JJG 117-2013 《平板检定规程》中，对于标准平面的测量为使用电子水平仪，本次使用的电子水平仪的最小分度值为0.001mm/m。根据规程中的要求，使用节距法对平板的平面度进行测量。对于尺寸为1000mm×1000mm的平板，测量点数应不少于25个点，测量点的分布如图2。

图2 点位分布图

测量点采用对角线分布，将被测量的界面分成若干段，用电子水平仪测量角度的变化量。再经计算求得被测截面各测量点对两端点连线的偏差，最后计算得到平板的平面度。测量时，电子水平仪固定在桥板上，根据跨距依次将桥板沿直线从测量线的一端移至另一端，并在电子水平仪上读出数据。每次移动桥板时，必须首尾衔接。在桥板移动过程中，电子水平仪与桥板不得有相对位移。根据自准直仪或水平仪在各截面每个测点位置的读数，按平面度评定方法进行数据处理。

计算得到平面度为17μm。

2.3使用激光跟踪仪进行测量

激光跟踪仪能够测量各个点的坐标值，通过后处理软件能够通过对多个测量点进行拟合得到一个测量平面，并得到平面的平面度值。

本次使用的激光跟踪仪的最大允许误差为10μm+5μm/m，为了能够更好的进行比较，测量点的位置与使用水平仪测量的一致。

计算得到平面度为：9μm。

3、数据结果分析

由两种不同方法得到的数据可得，测量结果总体相接近，但是仍有8μm的差值。分析两次的测量方法和过程，其中的差距主要来源于激光跟踪仪的固有误差：10μm+5μm/m。因此使用激光跟踪仪对平面度进行测量时，需要评估该误差是否能够忽略。根据三分之一原则，当平面度大于30μm时，激光跟踪仪固有误差的影响可以忽略。

4、展望

根据实验结果可得，使用激光跟踪仪可以用于平面度的测量，但在测量过程中需要评估激光跟踪仪的影响是否显著。使用激光跟踪仪可以大幅度减少测量过程中消耗的时间，对于普通精度的测量可以提高效率。

参考文献

[1]李瑞敏,侯延星,侯春华.平面度的水平仪检测及其数据的MATLAB处理[J].组合机床与自动化加工技术,2013:43-45.

[2]温秀兰,方福来,田朝平.用封闭法测量平板平面度[J].计量技术,1999:34-36.

[3]王金星,蒋向前,马利民.平面度坐标测量的不确定度计算[J].中国机械工程,2005:12-14.

[4]甘霖,李晓星.激光跟踪仪现场测量精度检测[J].北京航空航天大学学报,2009:97-99.

[5]张春富,张军,唐文彦.激光跟踪仪在大尺寸工件几何参数测量中的应用[J].工具技术,2002:26-28.

[6]周维虎,费业泰,李百源.激光跟踪仪几何误差修正[J].仪器仪表学报,2002:58-61+65.