平行度誤差激光準(zhǔn)直測量技術(shù)研究

陳強，李傳文

1.南京航空航天大學(xué)，江蘇南京，210016；2.成都國營錦江機器廠，四川成都，610043

0 引言

激光準(zhǔn)直測量技術(shù)以激光技術(shù)為原理，利用激光技術(shù)的優(yōu)異性特點，選取光源，配以相應(yīng)的光源感應(yīng)元件，通過點線連接實現(xiàn)測量需求[1]。這種檢測技術(shù)具有精度高、測量范圍廣以及非接觸等特點，常用在水平測量、轉(zhuǎn)角測量以及位移測量中。目前，基于激光測量技術(shù)的發(fā)展，它已在我國諸多領(lǐng)域進行了應(yīng)用，如科技工業(yè)、機械工業(yè)等高精度工業(yè)[2]。

1 激光測量技術(shù)的特點和方法

1.1 特點

（1）亮度高。激光是目前所記載光束中亮度最高的光。太陽光在我們認(rèn)知中是亮度較高的，其亮度為1.865×109cd/m2，而用一臺功率較大的激光打出的光是太陽光亮度的十幾個數(shù)量級。由于其亮度高，具備普通光源所具有的穿透力等特點，所以激光能夠在極微小的空間中打出光束，并可通過光點感應(yīng)位置，在無接觸的環(huán)境下實現(xiàn)對某個位置和距離的測量[3]。

（2）單色性好。不管是激光還是太陽光，其顏色都與光的波長有著密切關(guān)系。太陽光包含七色光源，也就是說在太陽散發(fā)光的過程中，產(chǎn)生了7種長度不同的光束。激光是一種電磁光，其光波主要依賴電磁范圍和光譜領(lǐng)域，其波長往往集中在十分窄的光譜波段中，平行度和誤差度非常小。因而在精密度較高的儀器中使用較多，如機械加工、印刷通信、軍事科技等。

（3）方向性好。普通光源具有向外擴散的特點，而激光產(chǎn)生于極窄的光譜波段中，因此與普通光相比，激光具有單向延伸的特點。

（4）相干性好。相干性是相對普通光源受干擾性而言的一種特性。普通光源在受到地面物干擾之后光源方向會隨之產(chǎn)生變化，這就是我們所說的光折射。而激光方向性以及單色性等特點，決定了激光抗干擾性強于普通光源。

1.2 方法

激光脈沖測距法利用激光發(fā)出激光光束，在經(jīng)激光感應(yīng)元件感應(yīng)之后，將激光向其他方向反射。激光相位測距主要是通過調(diào)制光波發(fā)出一段低頻信號，并利用光波長短的變化，對往返之間的距離進行測量。激光三角測距是將激光打到特定位置上，然后利用激光感應(yīng)器對光源的捕捉，將激光進行折返和散射，使其重新匯聚在要測量的位置。待測量物體發(fā)生位置轉(zhuǎn)移后，再用一束光重復(fù)上述操作，最后將前后兩次光聚集中心位置代入幾何三角中，以此計算物體之間的實際距離。

2 激光測量技術(shù)原理及設(shè)備

目前激光設(shè)備主要有激光發(fā)射設(shè)備和激光光源接收設(shè)備[4]。以相位激光測量方法為例，其主要原理為：采用無線電波段頻率的激光，進行幅度調(diào)制，并將正弦調(diào)制光來回測距儀與目標(biāo)物間距離所產(chǎn)生的相位差測定，并按照調(diào)制光的波長和光的頻率，換算出激光的飛行時刻，再依次計算出待測距離。此方法需要在待測物體中安置光源反光設(shè)備，在光源打到待測物體后，通過光源接收設(shè)備將光折射回來，由激光設(shè)備中的計算系統(tǒng)計算出偏離位置。

3 激光測量技術(shù)實際應(yīng)用

3.1 應(yīng)用領(lǐng)域

（1）金屬工業(yè)領(lǐng)域。金屬工業(yè)是我國重工業(yè)之一，因材料的密度和所使用規(guī)格的不同，需要進行精準(zhǔn)切割。若采用傳統(tǒng)計算方式對金屬材料進行分割，極易造成材料的浪費和材質(zhì)的破壞。而將激光技術(shù)運用在金屬材料切割中，不僅能夠達到精準(zhǔn)切割且能減少材料的浪費。此外，由于鍛造需要較高溫度，人員不易進行檢測，此時可利用激光測距實現(xiàn)無接觸鍛造監(jiān)測，捕捉鍛造中位置偏移，對鍛造設(shè)備進行調(diào)整，進而提高鍛造效率[5]。

（2）橋梁建筑領(lǐng)域。建筑施工是我國工業(yè)建設(shè)中的重要內(nèi)容，其許多領(lǐng)域都需要高精度的測量。在建筑橋梁時，需要對橋面、橋體以及橋身等進行嚴(yán)格的監(jiān)測，只有使其保持在水平位置上，才能夠減少橋體坍塌和橋體變形的風(fēng)險。通過利用激光測量技術(shù)，在每個建筑節(jié)點進行水平對照，監(jiān)控微小的“偏移”，保證在合理誤差之內(nèi)，確保建筑安全穩(wěn)定。

（3）鐵路、飛機跑道等領(lǐng)域。這方面主要是在建筑施工、道路建設(shè)過程中應(yīng)用，防止位置偏離。

3.2 飛機跑道具體應(yīng)用案例

3.2.1 跑道鋪設(shè)和監(jiān)測

首先，在建設(shè)跑道的位置，安置激光設(shè)備，按照跑道建設(shè)寬度、坡度、跑道順序打出激光光束，以此將跑道分成若干個建設(shè)區(qū)域。再根據(jù)光點之間的連接，確定坡度建設(shè)位置。其次，根據(jù)光點之間的位置，安設(shè)激光光點和激光接收設(shè)備，對每個建筑過程進行實時監(jiān)測。再次，對激光光束重合的位置進行調(diào)整，并標(biāo)注出飛機跑道坡高的具體高度。精確調(diào)整光束方向，使其光斑與光電接收器達到高度吻合。最后，在道路鋪設(shè)設(shè)備中重新安置一臺激光設(shè)備，此時就可對這臺工作設(shè)備做到實時監(jiān)控。

3.2.2 跑道精確度

激光準(zhǔn)直測量技術(shù)在橫向以及豎向的測量上能夠得到相對的零誤差。橫向以及豎向激光工作原理的應(yīng)用，繪制成了飛機跑道坡度精度。在飛機跑道鋪設(shè)過程中，安置多臺激光光點設(shè)備和多個激光光源接收設(shè)備，就可實現(xiàn)豎向和橫向的多面連接，并對每個位置做到精度確定和監(jiān)測。這樣就能夠保障飛機跑道建設(shè)的零誤差[6]。

4 實驗測量技術(shù)分析

結(jié)合上述飛機跑道建設(shè)的案例，可知在應(yīng)用激光測量技術(shù)時，首先運用技術(shù)對地面水平因素進行確定，再通過隔振和同軸技術(shù)處理，確定激光光點設(shè)備安裝位置，即先確定激光準(zhǔn)直線位置；將光源接收設(shè)備或者反光鏡置于水平基線的前端，并通過光源折返方向?qū)︻A(yù)設(shè)建設(shè)位置進行調(diào)整，通過多次移動調(diào)整光源和建設(shè)設(shè)備位置，確定前期設(shè)備的安裝位置。之后，重復(fù)上述步驟，確定每個跑道建設(shè)的最終數(shù)據(jù)，再輸入到計算系統(tǒng)中，采用最小包容區(qū)域法進行計算和測評，得出平行度誤差數(shù)據(jù)。

最小包容區(qū)域法是評定測量誤差的一種方式，其評定結(jié)果接近零誤差，能夠最大限度地保障后期建設(shè)的精度。最小包容區(qū)域法評定方法為：在給定的一個區(qū)域內(nèi)，用兩條平行的直線包含被測的區(qū)域，若實際測量線與包容測量線產(chǎn)生高、低、高的三點接觸，則此包容線內(nèi)的區(qū)域稱為最小區(qū)域。按照最小區(qū)域的評定方式，目前計算平行度誤差的方法主要為圖解法、計算法和旋轉(zhuǎn)法[7]。

平行度誤差與位置誤差采用最小包容區(qū)域進行最小誤差計算時，最好的方法就是采用旋轉(zhuǎn)法。也就是說，在確定測量線和包容線之后，通過平移或者旋轉(zhuǎn)的方式調(diào)整包容線測量位置，使不符合最小區(qū)域的數(shù)據(jù)屬于最小區(qū)域，直至測量線內(nèi)的所有數(shù)據(jù)都包含在最小區(qū)域內(nèi)。旋轉(zhuǎn)法其實是另外一種形式的力矩計算法。以一個位置為基點，通過旋轉(zhuǎn)和調(diào)整相關(guān)物體位置，使此區(qū)域內(nèi)的所有位置都與基點位置保持距離相等。

5 平行度測量誤差原理分析

平行度誤差測量主要是利用兩條平行線對測量基點進行位置上的確定。需要注意的是，要在測量范圍內(nèi)得到兩條絕對平行的直線，要在此區(qū)域內(nèi)沿縱向以及橫向區(qū)域先得到兩個正交的線，進而再利用相交的線確定兩條平行線。通過上述分析可知，平行度誤差測量的主要方法是：第一，從基點位置確定橫向或者是縱向軸線；第二，根據(jù)所繪制的一條直線，確定另外一條直線；第三，在每次測量后把與基點數(shù)據(jù)對照的測量數(shù)據(jù)進行保存；第四，通過最后的計算得出最終的測量結(jié)果，進而得到平行度誤差。

6 基于平行度測量的激光準(zhǔn)直技術(shù)發(fā)展趨勢

第一，加強激光對抗光波范圍。激光屬于一種電磁光，主要受光波波長影響。機械、建筑等領(lǐng)域受激光光波影響較少。但對于軍事領(lǐng)域而言，未來將對光波有更廣范圍的需求。如，隨著軍事領(lǐng)域?qū)烧{(diào)激光技術(shù)的應(yīng)用，戰(zhàn)場上將出現(xiàn)可調(diào)激光目標(biāo)指示器、激光武器等。未來將從激光技術(shù)光波范圍更廣領(lǐng)域進行研究，使其能夠覆蓋更廣的范圍，且使其光波覆蓋范圍內(nèi)可見光、近紅外、中紅外等光源有極好的分辨力。

第二，增強激光測距抗干擾能力。激光測距技術(shù)主要利用激光亮度高、單色性好、相干性好等特點，雖然有著探測距離遠、測量精度高以及便捷性等應(yīng)用優(yōu)勢，但易受自然環(huán)境影響。未來，為了更好地發(fā)揮激光測距的優(yōu)勢，就需要從激光免受環(huán)境影響方面加強研究。

第三，光能驅(qū)動技術(shù)的研究。目前，已有的光能驅(qū)動技術(shù)主要為光致動器，工作原理為將光照在形狀記憶合金上，反復(fù)地通、斷使材料伸縮，再利用感溫磁性體的溫度特性，將材料末端吸附在襯底上。利用材料本身的伸縮和端部的吸附特性，加上光的通斷便能實現(xiàn)所要求的動作。該研究目前處于初級階段，如果能發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異光作用特性的動態(tài)物質(zhì)，則可使光能驅(qū)動技術(shù)廣泛應(yīng)用。

第四，激光快速成型技術(shù)。激光快速成型是利用計算機將復(fù)雜的三維物體轉(zhuǎn)化為二維層，將熱塑性塑料粉末或膠粘襯底片材紙張燒結(jié)，由點、線構(gòu)造零件的面（層），然后逐層成型。目前，激光成型技術(shù)尚處于開發(fā)研究階段，若激光成型技術(shù)能夠研究成功，將加快新產(chǎn)品投入市場的效率，并能夠極快地推進汽車生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展。

第五，激光精度和抗干擾的加強。目前，激光技術(shù)雖然在精度和抗干擾能力方面已經(jīng)十分成熟，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能航天、機械手臂、軍事科技等行業(yè)快速發(fā)展，將對諸多零件有更高精度的需求，必然也會對激光抗干擾能力有更大的需求。

第六，加強激光防護和加固技術(shù)的研究。激光在生活諸多領(lǐng)域的應(yīng)用顯現(xiàn)了激光超強的實用性能。作為一種應(yīng)用范圍廣且非觸摸環(huán)境下就可操作的一種技術(shù)，在更高、更快、更強、更穩(wěn)定應(yīng)用需求下，應(yīng)研究超快光開關(guān)、非線性光學(xué)材料，對激光所應(yīng)用領(lǐng)域中的光電傳感器進行激光防護和加固。

7 結(jié)語

激光技術(shù)是一種高度柔性和智能化的先進加工技術(shù)，它與機械加工、信息技術(shù)加工等都有著較高的適應(yīng)性和匹配度，因此能夠支撐各項科技成果研發(fā)，有著較大的應(yīng)用空間。激光加工具有非接觸、無污染、熱影響區(qū)域小、加工精度高以及可選區(qū)加工等特點，而且在特定的加工情況下是其他制造方法不可替代的。