用於補償雷射跟蹤儀中的軸承徑向跳動的裝置和方法

2023-06-28 04:59:16

用於補償雷射跟蹤儀中的軸承徑向跳動的裝置和方法
【專利摘要】提供了用於對通過坐標測量設備對回射器的三維坐標測量中的誤差進行校正的裝置和方法。該方法包括：測量多個第一角度以及沿軸線的多個第一和第二位移；將光束髮射至回射器目標；測量相對於回射器的兩個角度和距離；以及確定回射器的三維坐標。
【專利說明】用於補償雷射跟蹤儀中的軸承徑向跳動的裝置和方法

【背景技術】
[0001]本公開涉及一種坐標測量設備。一組坐標測量設備屬於通過將雷射束髮送到點來測量該點的三維(3D)坐標的一類儀器。雷射束可以直接撞擊到點上，或者撞擊到與點相接觸的回射器目標上。在任一情況下，儀器通過測量到目標的距離和兩個角度來確定該點的坐標。用諸如絕對測距儀或幹涉儀的距離測量設備來測量距離。用諸如角度編碼器的角度測量設備來測量角度。儀器內的裝有萬向節的射束調向機構將雷射束指引至興趣點。
[0002]雷射跟蹤儀是使用其發射的一束或多束雷射束跟蹤回射器目標的特定類型的坐標測量設備。與雷射跟蹤儀最密切相關的坐標測量設備是雷射掃描儀和全站儀。雷射掃描儀將一束或更多束雷射束遞送(step)至表面上的點。雷射掃描儀拾取自該表面散射的光，並且通過該光確定相對於每個點的距離和兩個角度。在測量應用中最常用的全站儀可以用於測量漫散射目標或回射目標的坐標。在下文中，術語雷射跟蹤儀在廣義上用於包括雷射掃描儀和全站儀。
[0003]通常，雷射跟蹤儀將雷射束髮送到回射器目標。普通類型的回射器目標是球形安裝的回射器(SMR)，其包括嵌入在金屬球體內的立方隅角回射器。立方隅角回射器包括三個相互垂直的鏡。作為三個鏡交叉的公共交點的頂點位於球體的中心。由於立方隅角在球體內的這種布局，使得即使SMR在旋轉時，從頂點到SMR所擱置的任意表面的垂直距離都保持恆定。因此，雷射跟蹤儀可以通過跟隨在表面上移動的SMR的位置來測量表面的3D坐標。另一種說法，雷射跟蹤儀只需要測量三個自由度(一個徑向距離和兩個角度)來充分地表徵表面的3D坐標的特徵。
[0004]一種類型的雷射跟蹤儀僅包括幹涉儀(IFM)而不包括絕對測距儀(ADM)。如果物體阻擋來自於這些跟蹤儀中的一個跟蹤儀的雷射束的路徑，則IFM失去其距離基準。那麼操作者在繼續該測量之前必須跟蹤回射器至已知的位置以重置基準距離。一種避開(around)該限制的方式是將ADM置於跟蹤儀中。如在下文更加詳細描述的那樣，ADM可以以點攝(point-and-shoot)的方式測量距離。一些雷射跟蹤儀僅包括ADM而不包括幹涉儀。Bridges等的美國專利N0.7，352，446 ( 『446)描述了一種僅具有ADM(並且沒有IFM)的雷射跟蹤儀，該雷射跟蹤儀能夠精確地掃描移動的目標。在『446專利之前，絕對測距儀太緩慢以至於不能精確地找到移動的目標的位置。
[0005]雷射跟蹤儀內的萬向節機構可以用於將雷射束從跟蹤儀指引至至SMR。由SMR回射的光的一部分進入雷射跟蹤儀並且傳遞至位置探測器。雷射跟蹤儀內的控制系統能夠用位置探測器上的光的位置來調整雷射跟蹤儀的機械軸(axes)的旋轉角度，以保持雷射束在SMR中心上居中。以此方式，跟蹤儀能夠跟隨(跟蹤)在興趣物體的表面上移動的SMR。
[0006]諸如角度編碼器的角度測量設備附接至跟蹤儀的機械軸。由雷射跟蹤儀執行的一個距離測量和兩個角度測量足以完全地確定SMR的三維位置。
[0007]可獲得或已提出了用於測量六個而不是普通的三個自由度的若干雷射跟蹤儀。在Bridges等的美國專利N0.7，800，758( 『758)以及Bridges等的公開的專利申請N0.2010/0128259中描述了示例性的六自由度(6-D0F)系統。
[0008]補償參數是儲存在跟蹤儀可訪問的的軟體或固件中的數值。將些數值應用於原始跟蹤儀數據，以提高跟蹤儀的精度。跟蹤儀的製造商以及在一些情況下的使用者通過執行被稱為補償過程的測量來找到補償參數。當今，雷射跟蹤儀除了將補償參數用於諸如軸線不垂直度以及軸線偏移的機械誤差的消除(account for)，以及消除諸如相對於跟蹤儀萬向節點的射束角度偏差與雷射束偏移的光機誤差。然而，在目前這代雷射跟蹤儀中，不包括消除軸承徑向跳動的影響的補償參數。這樣的影響可以是相對大的。此外，軸承的徑向跳動會降低角度編碼器的補償精度。需要能夠實現補償參數的採集與應用的過程，以使由軸承的徑向跳動產生的誤差最小化。


【發明內容】

[0009]根據一實施方式，提供一種用於通過坐標測量設備對回射器目標的三維坐標測量中的誤差進行校正的方法，該坐標測量設備構造成構造成將光的第一射束髮送至回射器目標，回射器目標構造成將第一射束的一部分作為第二射束返回，該方法的步驟包括:提供坐標測量設備，該坐標測量設備具有第一軸杆、第二軸杆、第一馬達、第二馬達、第一角度測量設備、第二角度測量設備、測距儀和處理器，第一軸杆構造成圍繞第一軸線旋轉，第一軸杆由第一軸承和第二軸承支承，第一馬達構造成使第一軸杆圍繞第一軸線旋轉第一角度，第一角度測量設備構造成測量第一角度，第二軸杆構造成圍繞第二軸線旋轉，第二軸杆由第三軸承和第四軸承支承，第二馬達構造成使第二軸杆圍繞第二軸線旋轉第二角度，第二角度測量設備構造成測量第二角度，測距儀構造成至少部分地基於由第一光學探測器接收的第二射束的第一部分來測量從坐標測量設備到回射器目標的第一距離；用第一角度測量設備測量多個第一角度；在沿第一軸線的第一位置處測量多個第一位移，多個第一位移中的每者均與多個第一角度中的一個第一角度相關聯，第一位移沿垂直於第一軸線的第一線取得；在沿第一軸線的第二位置處測量多個第二位移，多個第二位移中的每者均與多個第一角度中的一個第一角度相關聯，第二位移沿垂直於第一軸線的第二線取得，在第一線與第二線之間存在第一間距；至少部分地基於多個第一角度、多個第一位移、多個第二位移以及第一間距確定補償值；將第一射束髮送至回射器目標；用第一角度測量設備測量第一回射器角度；用第二角度測量設備測量第二回射器角度；用測距儀測量第一距離；至少部分地基於第一回射器角度、第二回射器角度、第一距離以及補償值計算回射器目標的三維坐標；以及將回射器目標的三維坐標儲存在存儲器中。
[0010]根據一實施方式，提供一種用於測量回射器目標的三維坐標的坐標測量設備，該坐標測量設備構造成將光的第一射束髮送至回射器目標，回射器目標構造成將第一射束的一部分作為第二射束返回，該設備包括:第一軸杆、第二軸杆、第一馬達、第二馬達、第一角度測量設備、第二角度測量設備、測距儀、旋轉計數器和處理器，第一軸杆構造成圍繞第一軸線旋轉，第一軸杆由第一軸承和第二軸承支承，第一馬達構造成使第一軸杆圍繞第一軸線旋轉第一角度，第一角度測量設備構造成測量第一角度，第二軸杆構造成圍繞第二軸線旋轉，第二軸杆由第三軸承和第四軸承支承，第二馬達構造成使第二軸杆圍繞第二軸線旋轉第二角度，第二角度測量設備構造成測量第二角度，測距儀構造成至少部分地基於由第一光學探測器接收的第二射束的第一部分測量從坐標測量設備到回射器目標的第一距離，旋轉計數器構造成測量第一軸杆的旋轉次數。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]現參照附圖，示出了示例性實施方式，所示的示例性實施方式不應被理解為對於本公開的整個範圍的限制，以及其中，在若干附圖中的元件標號相同:
[0012]圖1是根據本發明的實施方式的具有回射器目標的雷射跟蹤儀系統的立體圖；
[0013]圖2是根據本發明的實施方式的具有六自由度(six-DOF)目標的雷射跟蹤儀系統的立體圖；
[0014]圖3是描述了根據本發明的實施方式的雷射跟蹤儀的光學器件與電子器件的元件的框圖；
[0015]圖4包括圖4A和4B，其示出了現有技術的遠焦光束擴展器的兩種類型；
[0016]圖5不出了現有技術的光導纖維光束髮射器；
[0017]圖6A-D是示出了現有技術的位置探測器組件的四種類型的示意圖；
[0018]圖6E和6F是示出了根據本發明的實施方式的位置探測器組件的示意圖；
[0019]圖7是現有技術ADM內的電元件和電光學元件的框圖；
[0020]圖8A和8B是示出了現有技術的光纖網絡內的光纖元件的示意圖；
[0021]圖8C是示出根據本發明的實施方式的光纖網絡內的光纖元件的示意圖；
[0022]圖9是現有技術的雷射跟蹤儀的分解視圖；
[0023]圖10是現有技術的雷射跟蹤儀的橫截面圖；
[0024]圖11是根據本發明的實施方式的雷射跟蹤儀的計算元件與通信元件的框圖；
[0025]圖12是根據本發明的實施方式的雷射跟蹤儀內的使用鏡對光束進行調向的一些內部元件的立體圖；
[0026]圖13是根據本發明的實施方式的雷射跟蹤儀內的一些元件的立體圖；
[0027]圖14是根據本發明的實施方式的雷射跟蹤儀內的一些元件的立體圖；
[0028]圖15A和15B是測量軸承誤差的現有技術的裝置的立體圖；
[0029]圖16A - 16C是由車床主軸中的軸承誤差的測量獲得的數據繪圖；
[0030]圖17示出了包含兩個軸承的主軸的四次連續的旋轉；
[0031]圖18是根據本發明的實施方式的雷射跟蹤儀部件與軸承徑向跳動的測量裝置的部分分解立體圖；以及
[0032]圖19是根據本發明的實施方式的雷射跟蹤儀部件與軸承徑向跳動的測量裝置的部分分解立體圖。

【具體實施方式】
[0033]圖1所示的示例性雷射跟蹤儀系統5包括雷射跟蹤儀10、回射器目標26、可選的輔助單元處理器50以及可選的輔助計算機60。雷射跟蹤儀10的示例性裝有萬向節的射束調向機構12包括安裝在方位基座16上並且繞方位軸線20旋轉的天頂託架(zenithcarriage) 14。負載15安裝在天頂託架14上並且繞天頂軸線18旋轉。天頂軸線18和方位軸線20在跟蹤儀10內部於萬向節點22處正交地相交，所述萬向節點處通常是用於距離測量的原點。雷射束46基本上通過萬向節點22並且正交地指向天頂軸線18。換言之，雷射束46處在與天頂軸線18近似垂直並且穿過方位軸線20的平面中。發出的雷射束46通過負載15圍繞天頂軸18線的旋轉以及通過天頂託架14圍繞方位軸線20的旋轉指向期望的方向。天頂角度編碼器在跟蹤儀內部附接至與天頂軸線18對準的天頂機械軸線。方位角度編碼器在跟蹤儀內部附接至方位軸線20對準的方位機械軸線。天頂角度編碼器和方位角度編碼器以相對高的精度測量天頂旋轉角和方位旋轉角。發出的雷射束46行進至回射器目標26，該回射器目標26例如可以是如上所述的球面安裝的回射器(SMR)。通過測量萬向節點22與回射器26之間的徑向距離、繞天頂軸線18的旋轉角度和繞方位軸線20的旋轉角度，能夠在跟蹤儀的球坐標系內找出回射器26的位置。
[0034]如下文所描述的，發出的雷射束46可以包括一個或更多個雷射波長。為了清晰和簡明的目的，在以下討論中，假定圖1所示的這類型的調向機構。然而，也可以是其他類型的調向機構。例如，可以由繞方位軸線和天頂軸線旋轉的鏡來反射雷射束。不論調向機構的類型如何，本文中所描述的技術都是適用的。
[0035]雷射跟蹤儀上可以包括磁巢17，以用於針對不同尺寸的SMR——例如，1.5,7/8以及1/2英寸的SMR——而將雷射跟蹤儀重置於「原始」位置。接通的跟蹤儀回射器19可以用於將跟蹤儀重置於基準距離處。此外，如美國專利N0.7，327，446所述，從圖1的視圖中不可見的跟蹤儀上的反光鏡可與跟蹤儀上的回射器組合使用以使得能夠執行自補償。
[0036]圖2示出了與圖1的雷射跟蹤儀系統5相似的示例性雷射跟蹤儀系統7，區別在於回射器目標26以六自由度探針1000替代。在圖1中，可以使用其他類型的回射器目標。例如，有時使用貓眼回射器，其為光集中於玻璃結構的反射性後表面上的小光點的玻璃回射器。
[0037]圖3是示出一種雷射跟蹤儀的實施方式中的光學元件與電元件的框圖。其示出了雷射跟蹤儀的發射兩種光波長的元件，其中，第一波長用於ADM，第二波長用於可見的指示器以及用於跟蹤。可見的指示器使得使用者能夠看到由跟蹤儀發射的雷射束點的位置。通過使用自由空間分束器將兩種不同波長組合起來。電光(E0)系統100包括可見光源110、隔離器115、可選的第一光纖發射器170、可選的幹涉儀(IFM) 120、射束擴展器140、第一分束器145、位置探測器組件150、第二分束器155、ADM160以及第二光纖發射器170。
[0038]可見光源110可以是雷射器、超輻射發光二極體或者其他發光設備。隔離器115可以是法拉第隔離器、衰減器或者其他能夠減少反射回到光源中的光的設備。可選的IFM可以以多種方式構造。作為可能的實施方案的具體示例，IFM可以包括分束器122、回射器126、四分之一波片124、130以及相位分析儀128。可見光源110可以將光發射至自由空間，然後光在自由空間中行進通過隔離器115以及可選的IFM120。替代性地，隔離器115可以通過光纜聯接至可見光源110。在這種情況下，如下文中參照圖5所討論的，來自於隔離器光可以通過第一光纖發射器170發射進入自由空間。
[0039]光束擴展器140可以通過使用多種透鏡配置設立，而非如圖4A和4B所示的兩種通常使用的現有技術的配置。圖4A示出了基於負透鏡141A與正透鏡142A的使用的配置140A。入射到負透鏡141A上的平行入射的光束220A從正透鏡142A出來後成為更大的平行入射的光束230A。圖4B示出了基於兩個正透鏡141B、142B的使用的配置140B。入射到第一正透鏡141B上的平行入射的光束220B從第二正透鏡142B出來後成為更大的平行入射的光束230B。離開射束擴展器140的光中，少量光從分束器145、155反射出來偏離(onthe way out of)跟蹤儀並且丟失。穿過分束器155的那一部分光與來自於ADM160的光相結合，以形成離開該雷射跟蹤儀並且行進至回射器90的複合光束188。
[0040]在一實施方式中，ADM160包括光源162、ADM電子器件164、光纖網絡166、相互連接的電纜165以及相互連接的光纖168、169、184、186。ADM電子器件將電調製(electricalmodulat1n)和偏壓發送至光源162,光源162例如可能是以近似為1550nm的波長操作的分布式反饋雷射器。在一實施方式中，光纖網絡166可以是不於圖8A中的現有技術的光纖網絡420A。在該實施方式中，在圖3中的來自於光源162的光行進穿過光纖184，光纖184等同於圖8A中的光纖432。
[0041]圖8A的光纖網絡包括第一光纖耦合器430、第二光纖耦合器436以及低透射率反射器435、440。光行進通過第一光纖耦合器430，並且分裂成兩條路徑，第一路徑通過光纖433到達第二光纖耦合器436，第二路徑通過光纖422與光纖長度均衡器423。在圖3中，光纖長度均衡器423連接至光纖長度168，光纖長度168行進至ADM電子器件164的基準通道。光纖長度均衡器423的用途是使基準通道中的光穿越的光纖的長度和測量通道中的光穿越的光纖的長度等同。通過這種方式匹配光纖長度能夠減小由周圍溫度的變化引起的ADM誤差。由於光纖的光通道有效長度等於光纖的平均折射率乘以光纖的長度，因此這些誤差可能增大。由於光纖的折射率取決於光纖的溫度，因此光纖的溫度的變化導致測量通道和基準通道的光通道有效長度的變化。如果測量通道中的光纖的光通道有效長度相對於基準通道中的光纖的光通道有效長度發生變化，則即使回射器目標90是保持靜止的，結果也將會是回射器目標90的位置的明顯移位。為了避開該問題，採取兩個步驟。第一，使基準通道中的光纖的長度儘可能接近地等同於測量通道中的光纖的長度。第二，測量光纖與基準光纖儘可能並排地設定路線至如下程度，即，確保兩個通道中的光纖具有幾乎相同的溫度變化。
[0042]光通過第二光纖耦合器436行進並且分裂成兩條路徑，第一路徑通向低反射光纖端接器440，第二路徑通向光纖438，光從光纖438行進至圖3中的光纖186。光纖186上的光行進至第二光纖發射器170。
[0043]在一實施方式中,現有技術圖5不出了光纖發射部170。光從圖3中的光纖186行進至圖5中的光纖172。光纖發射器170包括光纖172、套圈174以及透鏡176。光纖172附接至套圈174，套圈174穩定地附接至雷射跟蹤儀10內的結構。如果希望的話，可以對光纖的端部以一定角度進行打磨，以減小背向反射。光250從光纖的芯出來,該光纖可以是直徑在4微米與12微米之間的單模光纖，其直逕取決於所使用的光的波長以及光纖的特定類型。光250以某一角度發散並且截止於使其平行的透鏡176。通過ADM系統中的單光纖發射與接收光信號的方法在圖3中參考『758進行了描述。
[0044]參照圖3，分束器155可以是二向色性分束器，其傳送與其反射的光的波長不同的波長。在一實施方式中，來自於ADM160的光經二向色性分束器155反射並且與通過二向色性分束器155傳送的來自於可見的雷射器110的光相結合。複合光束188離開雷射跟蹤儀作為第一射束行進至回射器90，回射器90返回一部分光作為第二射束。第二射束的處於ADM波長的那部分經二向色性分束器155反射然後返回至第二光纖發射器170，第二光纖發射器170將返回至光纖186中的光耦合。
[0045]在一實施方式中，光纖186對應於圖8A中的光纖438。返回光從光纖438行進通過第二光纖稱合器436並且分裂成兩條路徑。第一路徑通向光纖424,在一實施方式中，該光纖424對應於圖3中的通向ADM電子器件164的測量通道的光纖169。第二路徑通向光纖433，然後到達第一光纖耦合器430。離開第一光纖耦合器430的光分裂成兩條路徑，第一路徑通向光纖432,第二路徑通向低反射比端接器435。在一實施方式中，光纖432對應於圖3中的通向光源162的光纖184。在大多數情況下，光源162包含內置的法拉第隔離器，該內置的法拉第隔離器使從光纖432進入光源的光的量降至最少。過量的光沿相反方向饋入雷射器會使雷射器去穩定化。
[0046]來自於光纖網絡166的光通過光纖168、169進入ADM電子器件164。圖7示出了現有技術的ADM電子器件的一實施方式。圖3中的光纖168對應於圖7中的光纖3232，圖3中的光纖169對應於圖7中的光纖3230。現參照圖7，ADM電子器件3300包括頻率基準3302、合成器3304、測量探測器3306、基準探測器3308、測量混合器3310、基準混合器3312、調節電子器件3314、3316、3318、3320、N分頻預分頻器3324以及模數轉換器(ADC)3322。頻率基準例如可能是恆溫控制晶體振蕩器(0CX0)，其將例如可能為10MHz的基準頻率fREF發送至合成器，合成器產生兩個電信號:一個處於頻率fRF的信號，兩個處於頻率fLO的信號。信號fRF行進至對應於圖3中的光源162的光源3102。處於頻率fLO的兩個信號行進至測量混合器3310和基準混合器3312。來自於圖3中的光纖168、169的光分別出現於圖7中的光纖3232、3230，並且分別進入基準通道和測量通道。基準探測器3308與測量探測器3306將光信號轉換成電信號。這些信號分別由電子部件3316、3314調節，並且分別被發送至混合器3312、3310。混合器產生等於fLO - fRF的絕對值的頻率flF。信號fRF可以具有例如為2GHz的相對高的頻率，而信號flF可以具有例如為10kHz的較低的頻率。
[0047]將基準頻率fREF發送至預分頻器3324，預分頻器3324將該頻率除以整數值。例如，10MHz的頻率可能被以40分配以獲得250kHz的輸出頻率。在該示例中，進入ADC 3322的10kHz信號將以250kHz的速率取樣，從而每周期產生25個樣本。將來自於ADC3322的信號發送至數據處理器3400，數據處理器3400例如可能是位於圖3的ADM電子器件164中的一個或更多個數位訊號處理器(DSP)單元。
[0048]用於獲取距離的方法是以針對基準通道和測量通道的ADC信號的相位計算為基礎的。該方法在Bridges等人所擁有的美國專利N0.7，701，559( 『559)中進行了詳細的描述。該計算包括專利『559的等式(1) - (8)的使用。此外，當ADM首先開始測量回射器時，由合成器產生的頻率改變若干次(例如三次)，並且每種情況下都要計算可能的ADM距離。通過對比每個選定頻率的可能的ADM距離，消除了在ADM測量中的不定性。『專利『559的等式(1) - (8)結合有關於專利『559的圖5所描述的同步方法與專利『559所描述的卡爾曼濾波法，使得ADM能夠測量移動的目標。在其他實施方式中，可以使用例如通過使用脈衝飛行時間而非相位差來獲得絕對距離的測量的其他方法。
[0049]返回光束190的穿過分束器155的那部分到達分束器145，分束器145將一部分光發送至射束擴展器140，將另一部分光發送至位置探測器組件150。產生自雷射跟蹤儀10或E0系統100的光可以被認作第一射束，從回射器90或26反射的那部分光作為第二射束。部分反射射束被發送至E0系統100的不同功能元件。例如，第一部分可以被發送至諸如圖3中的ADM160的測距儀。第二部分可以被發送至位置探測器組件150。在一些情況下，可將第三部分發送至諸如可選的幹涉儀120的其他功能單元。務必理解的是，雖然在圖3的示例中，第二射束的第一部分和第二部分在分別從分束器155和145反射後被發送至測距儀和位置探測器，但是光還可以是被傳送而非反射至測距儀或位置探測器。
[0050]圖6A-D中示出了現有技術的位置探測器組件150A - 150D的四個示例。圖6A描繪了最簡單的實施方案，其中，位置探測器組件包括安裝在電路板152上的位置傳感器151，電路板152從電子箱350獲得電量並且將信號返回至電子箱350，電子箱350可以反映在雷射跟蹤儀10、輔助單元50或外部計算機60內的任意位置處的電子處理能力。圖6B包括濾光器154，該濾光器154能夠阻止不希望的光波長到達位置傳感器151。還可以例如通過為分束器145或位置傳感器151的表面塗覆適當的薄膜來阻擋不希望的光波長。圖6C包括減少光束尺寸的透鏡153。圖6D包括濾光器154和透鏡153兩者。
[0051]圖6E示出了根據本發明的實施方式的包括光調節器149E的位置探測器組件。光調節器包含透鏡153，還可以包含可選的波長濾波器154。此外，其包括漫射器156和空間濾波器157中的至少一者。如上文所解釋的，一種流行的回射器的類型是立方隅角回射器。一類立方隅角回射器是由三個鏡製成的，每個鏡均以直角接合其他兩個鏡。這三個鏡在截交線處接合，該截交線可以具有有限厚度，光在該有限厚度內不能理想地反射回跟蹤儀。該有限厚度的線在傳播時發生衍射，使得當它們到達位置探測器之後，可能不會呈現為完全與在位置探測器處相同。而衍射光的圖案一般將會背離完美的對稱。因此，撞擊位置探測器151的光可能具有例如在鄰近衍射線處的光功率的下降或上升(熱點)。由於來自於回射器的光的均勻性在回射器與回射器之間會有不同，還由於光在位置探測器上的分配可能因為回射器旋轉或傾斜而變化，因此，包括漫射器156以提高撞擊位置探測器151的光的平滑度是有利的。可以說，由於理想的位置探測器應當響應於矩心(cent1id)，並且理想的漫射器應當以點對稱地散布，因此，不應當對由位置探測器給出的結果位置有影響。然而，在實踐中，發現漫射器能夠提高位置探測器組件的性能，可能是因為位置探測器151與透鏡153中的非線性因素(不完整性)的影響。由玻璃製成的立方隅角回射器還可以在位置探測器151處產生不均勻的光點。光點在位置探測器處的變化相對於自六自由度目標中的立方隅角反射的光可以特別的突出，這可以從共同轉讓的美國專利申請——2012年2月10日提交的 N0.13/370，339 ( 『339)與 2012 年 2 月 29 日提交的 N0.13/407，983 ( 『983)-中更清晰地理解。在一實施方式中，漫射器156是全息漫射器。全息漫射器提供可控、越過指定的擴散角的單色光。在其他實施方式中，使用了諸如毛玻璃漫射器或「乳色玻璃」漫射器的其他類型的漫射器。
[0052]位置探測器組件150E的空間濾波器157的用途為阻擋鬼射束，以防止其撞擊位置探測器151，其中，鬼射束可能是由例如來自於光學表面的不希望的反射導致的。空間濾波器包括具有孔的板157。通過將空間濾波器157放置在距透鏡的距離大約等於透鏡焦距處，當返回光243E靠近返回光其最窄處(位於射束的腰部)時返回光會穿過空間濾波器。以不同角度行進的射束撞擊遠離孔的空間濾波器，並且被阻擋而無法到達位置探測器151，其中，射束以不同角度行進例如是由光學的反射導致的。圖6E示出一個示例，其中，不希望的鬼射束244E自分束器145的表面反射，並且行進至空間濾波器157，在空間濾波器157處被阻擋。在沒有空間濾波器的情況下，鬼射束244E將會攔截位置探測器151，從而致使位置探測器151上的射束243E的位置被不正確地確定。如果鬼射束位於相對於主光點較遠的距離處，則即使是微弱的鬼射束也可以顯著地改變位置探測器151上的質心的位置。
[0053]本文所討論的這類回射器——例如立方隅角回射器或貓眼回射器——具有對沿平行於入射線的方向進入回射器的光線進行反射的特性。此外，入射線與反射線關於回射器的對稱點對稱地布置。例如，在開放式立方隅角回射器中，回射器的對稱點是立方隅角的頂點。在玻璃立方隅角回射器中，對稱點也是頂點，但是必須考慮這種情況下在玻璃-空氣截面處的光的彎曲。在折射率為2.0的貓眼回射器中，對稱點是球體的中心。在由對稱地置於公共平面上的兩個玻璃半球製成的貓眼回射器中，對稱點是位於平面上並且處於每個半球的球心處的點。要點在於，對於通常與雷射跟蹤儀一起使用的回射器類型，由回射器返回至跟蹤儀的光移位至相對於入射雷射束的頂點的另一側。
[0054]圖3中的回射器90的這一行為是雷射跟蹤儀跟蹤回射器的基礎。位置傳感器具有位於其表面上的理想的折返點。該理想的折返點是這樣的點，即，發送至回射器的對稱點(例如，SMR中的立方隅角回射器的頂點)的雷射束在該點處將會返回。折返點往往靠近位置傳感器的中心。如果雷射束被發送至回射器的一側，其將反射回另一側並且從位置傳感器的折返點出現。通過記錄位置傳感器上的返回光束的位置，雷射跟蹤儀10的控制系統能夠引起馬達朝向回射器的對稱點移動光束。
[0055]如果回射器以恆定速度相對於跟蹤儀橫向移動，則回射器處的光束將會在距離回射器的對稱點的固定偏移距離處撞擊回射器(在瞬變過程已經穩定之後)。雷射跟蹤儀根據從可控測量獲得的比例因子以及根據從位置傳感器上的光束至理想的折返點的距離對回射器處的該偏移距離做出校正。
[0056]如上文所解釋的，位置探測器執行兩個重要功能——能夠針對回射器的運動來跟蹤和校正測量。位置探測器內的位置傳感器可以是能夠測量位置的任意類型的設備。例如，位置傳感器可能是位置敏感探測器或光敏陣列。位置敏感探測器例如可能是橫向效應探測器或象限探測器。光敏陣列例如可能是CMOS陣列或CCD陣列。
[0057]在一實施方式中，不經分束器145反射的返回光穿過射束擴展器140，從而變得更小。在另一實施方式中，位置探測器與測距儀的位置是相反的，使得由分束器145反射的光行進至測距儀，以及由分束器傳送的光行進至位置探測器。
[0058]光連續通過可選的IFM、通過隔離器，然後進入可見光源110。在該階段，光功率應當足夠小，以使其不會使可見光源110去穩定化。
[0059]在一實施方式中，來自於可見光源110的光通過圖5的射束髮射器170發射。光纖發射器可以附接至光源110的輸出或隔離器115的光纖輸出。
[0060]在一實施方式中，圖3的光纖網絡166是圖8B的現有技術光纖網絡420B。此處，圖3的光纖184、186、168、169對應於圖8B的光纖443、444、424、422。圖8B的光纖網絡與圖8A的光纖網絡相似，區別在於圖8B的光纖網絡具有單一光纖耦合器而非兩個光纖耦合器。圖8B相比於圖8A的優點是簡單；然而，圖8B更可能具有進入光纖422與424的不希望的光學背反射。
[0061]在一實施方式中，圖3的光纖網絡166是圖8C的光纖網絡420C，在此，圖3的光纖184、186、168、169對應於圖8C的光纖447、455、423、424。光纖網絡420C包括第一光纖耦合器445和第二光纖稱合器451。第一光纖稱合器445是具有兩個輸入埠和兩個輸出埠的2X2耦合器。該類型的耦合器往往通過如下方法製成，即，將兩個光纖芯緊靠彼此放置，然後在加熱的同時拉延該光纖。通過這種方式，光纖之間的倏逝波耦合可以將理想的少量光分裂至鄰近的光纖。第二光纖耦合器451是被稱為循環器的類型。其具有三個埠，每個埠均具有傳送或接收光的能力，但只是沿指定的方向傳送或接收。例如，光纖448上的光進入埠 453，並且如箭頭所指示地朝向埠 454傳輸。在埠 454處，光可以傳輸至光纖455。類似地，在埠 455上行進的光可以進入埠 454，並且沿箭頭的方向行進至埠 456，一些光可以在埠 456處傳輸至光纖424。如果只需要三個埠，那麼循環器451可以經受比2X2耦合器更少的光功率的損失。另一方面，循環器451可能比2X2耦合器更昂貴，並且其可能經歷偏振模色散，在一些情形下，偏振模色散會是疑難的。
[0062]圖9和10分別示出了現有技術雷射跟蹤儀2100的分解視圖和橫截面視圖，該現有技術雷射跟蹤儀2100在Bridges等人所擁有的美國已公布專利申請N0.2010/0128259的圖2和3中進行了描述。方位組件2110包括立柱外殼2112、方位編碼器組件2120、上方位軸承2114A和下方位軸承2114B、方位馬達組件2125、方位集電環組件2130以及方位電路板2135。
[0063]位編碼器組件2120的用途是精確地測量支架2142相對於立柱外殼2112的旋轉角度。方位編碼器組件2120包括編碼器圓盤2121和讀取頭組件2122。編碼器圓盤2121附接至支架的外殼2142的軸，讀取頭組件2122附接至立柱組件2110。讀取頭組件2122包括電路板，一個或更多個讀取頭緊固於該電路板上。自讀取頭髮送的雷射在編碼器圓盤2121上的細光柵線處反射。對由一個或更多個編碼器讀取頭上的探測器拾取的反射光進行處理，以找到旋轉的編碼器圓盤相對於固定的讀取頭的角度。
[0064]方位馬達組件2125包括方位馬達轉子2126和方位馬達定子2127。方位馬達轉子包括直接附接至支架外殼2142的軸的永磁體。方位馬達定子2127包括產生所述磁場的勵磁繞組。該磁場與方位馬達轉子2126的磁體相互作用以產生所需的旋轉運動。方位馬達定子2127附接至立柱框架2112。
[0065]方位電路板2135表示通過諸如編碼器和馬達的方位部件提供電功能的一個或更多個電路板。方位集電環組件2130包括外部分2131和內部分2132。在一實施方式中，導線束2138從輔助單元處理器50中出來。導線束2138可以將電能輸送至跟蹤儀或者將信號輸送至跟蹤儀以及從跟蹤儀輸出信號。導線束2138的導線中的一些可以被指引至電路板上的連接器。在圖10所示示例中，導線沿方位電路板2135、編碼器讀取頭組件2122以及方位馬達組件2125設置路線。其他導線設置路線通向集電環組件2130的內部分2132。內部分2132附接至立柱組件2110，並且因此保持靜止。外部分2131附接至支架組件2140，並且因此相對於內部分2132旋轉。集電環組件2130被設計成在外部分2131相對於內部分2132旋轉時允許低阻抗電接觸。
[0066]天頂組件2140包括支架外殼2142、天頂編碼器組件2150、左天頂軸承2144A和右天頂軸承2144B、天頂馬達組件2155、天頂集電環組件2160以及天頂電路板2165。
[0067]天頂編碼器組件2150的用途是精確地測量負載框架2172相對於支架外殼2142的旋轉角度。天頂編碼器組件2150包括天頂編碼器圓盤2151和天頂讀取頭組件2152。編碼器圓盤2151附接至負載外殼2142，讀取頭組件2152附接至支架外殼2142。讀取頭組件2122包括電路板，一個或更多個讀取頭緊固於該電路板上。自讀取頭髮送的雷射在編碼器圓盤2151上的細光柵線處反射。對由一個或更多個編碼器讀取頭上的探測器拾取的反射光進行處理，以找到旋轉的編碼器圓盤相對於固定的讀取頭的角度。
[0068]天頂馬達組件2155包括天頂馬達轉子2156和天頂馬達定子2157。天頂馬達轉子2156包括直接附接至負載框架2172的軸的永磁體。天頂馬達定子2157包括產生所述磁場的勵磁繞組。該磁場與轉子磁體相互作用以產生所需的旋轉運動。天頂馬達定子2157附接至支架框架2142。
[0069]天頂電路板2165表示通過諸如編碼器和馬達的天頂部件提供電功能的一個或更多個電路板。天頂集電環組件2160包括外部分2161和內部分2162。導線束2168從方位外集電環2131中出來，並且可以輸送電能或信號。導線束2168的中的一些導線可以被指引至電路板上的連接器。在圖10所示示例中，導線沿天頂電路板2165、天頂馬達組件2150以及編碼器讀取頭組件2152設置路線。其他導線設置路線通向集電環組件2160的內部分2162。內部分2162附接至支架框架2142，因此只沿方位角旋轉而不沿天頂角旋轉。外部分2161附接至負載框架2172，因此以天頂角和方位角旋轉。集電環組件2160被設計成當外部分2161相對於內部分2162旋轉時允許低阻抗電接觸。負載組件2170包括主光學器件組件2180和副光學器件組件2190。
[0070]圖11是描繪了尺寸測量電子處理系統1500的方塊圖。該電子處理系統1500包括雷射跟蹤儀電子處理系統1510、外圍元件1582、1584、1586的處理系統、計算機1590以及在以雲狀物表示的其它網絡化部件1600。示例性雷射跟蹤儀電子處理系統1510包括主處理器1520、負載功能電子器件1530、方位編碼器電子器件1540、天頂編碼器電子器件1550、顯示器和用戶界面(UI)電子器件1560、可移除的存儲硬體1565、無線射頻識別(RFID)電子器件以及天線1572。負載功能電子器件1530包括多個子功能，這些子功能包括六自由度電子器件1531、相機電子器件1532，ADM電子器件1533、位置探測器(PSD)電子器件1534以及瞄準電子器件1535。這些子功能中的大多數具有至少一個處理器單元，該處理器單元例如可以是數位訊號處理器(DSP)或現場可編程門陣列(FPGA)。電子器件單元1530、1540以及1550由於其在雷射跟蹤儀內的位置而如圖所示出地分開。在實施方式中，負載功能1530位於圖9和10的負載2170中，而方位編碼器電子器件1540位於方位組件2110中，頂點編碼器電子器件1550位於頂點組件2140中。
[0071]多種類型的外圍設備都是可能的，但在此示出了三個這種設備:溫度傳感器1582、六自由度探頭1584以及例如可以是智慧型電話的個人數字輔助1586。雷射跟蹤儀可以通過多種方式與外圍設備通信，包括通過天線1572的無線通信、藉助於諸如相機的視覺系統、以及藉助於讀取雷射跟蹤儀相對於諸如六自由度探頭1584的協助目標的距離和角度。外圍設備可包括處理器。六自由度附件可包括六自由度探測系統、六自由度掃描器、六自由度投影儀、六自由度傳感器以及六自由度指示器。這些六自由度設備中的處理器可結合雷射跟蹤儀中的處理設備以及外部計算機和雲處理資源使用。通常，當使用術語雷射跟蹤儀處理器或測量設備處理器時，意味著包括可能的外部計算機和雲支持。
[0072]在一實施方式中，單獨的通信總線從主處理器1520延伸至電子裝置單元1530、1540、1550、1560、1565以及1570中的每者。每根通信線可具有例如三個串聯線，包括數據線、時鐘線以及框架線。框架線指示電子器件單元是否應注意時鐘線。如果其指示應給予注意，則電子器件單元讀取在每個時鐘信號處的數據線的當前數值。時鐘信號可對應於例如時鐘脈衝的上升邊緣。在一實施方式中，信息以信息包的形式通過數據線傳輸。在一實施方式中，每個信息包包括地址、數值、數據信息以及校驗和。地址指示在電子器件單元內數據信息被指引的位置。該位置例如可對應於電子器件單元內的處理器子程序。數值指示數據信息的長度。數據信息包括電子器件單元執行的數據或指令。校驗和是用於使通過通信線傳輸的誤差的機率最小化的數值。
[0073]在一實施方式中，主處理器1520通過總線1610將信息包發送至負載功能電子器件1530，通過總線1611發送至方位編碼器電子裝置1540，通過總線1612發送至天頂編碼器電子器件1550，通過總線1613發送至顯示器和UI電子器件1560，通過總線1614發送至可移除的存儲硬體1565，並且通過總線1616發送至射頻識別和無線電子器件1570。
[0074]在一實施方式中，主處理器1520還同時將同步(同步的)脈衝通過同步總線1630發送至電子器件單元中的每者。同步脈衝提供了通過雷射跟蹤儀的測量功能收集同步數值的方法。例如，一接收到同步脈衝，方位編碼器電子裝置1540和天頂電子器件1550就鎖存住其編碼器數值。類似地，負載功能電子器件1530鎖存通過包含在負載內的電子裝置收集的數據。當給出同步脈衝時，六自由度、ADM以及位置探測器全部鎖存數據。在大多數情況下，相機和傾斜計以慢於同步脈衝速率的速率收集數據，但可以將數據鎖存在多個同步脈衝周期中。
[0075]方位編碼器電子裝置1540和天頂編碼器電子器件1550彼此分開，並且通過圖9和10中示出的集電環2130、2160與負載電子器件1530分開。這是總線線路1610、1611以及1612在圖11中被描繪為分開的總線線路的原因。
[0076]雷射跟蹤儀電子處理系統1510可與外部計算機1590通信，或者其可提供在雷射跟蹤儀內的計算、顯示以及Π功能。雷射跟蹤儀通過例如可以是乙太網線路或無線連接的通信鏈路1606與計算機1590通信。雷射跟蹤儀也可通過通信鏈路1602與由雲狀物代表的其它元件1600通信，該通信鏈路1602可包括諸如乙太網電纜的一個或更多個電纜以及一個或更多個無線連接。元件1600的示例是另一三維測試儀器——例如可由雷射跟蹤儀重新定位的關節臂CMM。計算機1590與元件1600之間的通信鏈路1604可以是有線的(例如乙太網)或無線的。坐於遠程計算機1590的操作者可通過乙太網或無線線路連接至由雲狀物1600代表的網際網路，網際網路相應地通過乙太網或無線線路連接至主處理器1520。以此方式，用戶可控制遠程雷射跟蹤儀的活動。
[0077]圖12示出了一種使用鏡1252對來自於跟蹤儀的光束1251、1255調向的雷射跟蹤儀1250的實施方式。組件1256可以包括各種光部件、電部件和機械部件，所述各種部件設計用於產生一束或更多束光束，控制光束的方向以能夠跟蹤回射器目標，以及測量相對於目標的距離。此外，雷射跟蹤儀1250內的功能包括使用馬達以使軸杆1260、1258分別圍繞第一軸線1253和第二軸線1254轉動，以及使用角度編碼器測量圍繞第一軸線和第二軸線旋轉的角度。圖12的雷射跟蹤儀1250類似於圖9和圖10所描述的雷射跟蹤儀，其中具有萬向節點1261，機械軸線1253和1254在該萬向節點1261處基本上相交。此外，在這兩種類型的跟蹤儀中，雷射束穿過或至少基本上通過萬向節點。
[0078]使用具有萬向節點但構造有些不同的其他機械裝置是有可能的。例如，以下情況是可能的:沿著等同於1254的軸線在水平方向上發射光束，以及使鏡相對於光束成45度角，以便使鏡沿著與1255中的射束相同的方向對光進行反射。對於本申請，通過對準每條軸線的軸杆的旋轉可以使圍繞兩條軸線中的每者的成為可能，其中，兩條軸杆中的每者均安裝在一對間隔的軸承上。
[0079]在上述討論中陳述過機械軸基本上相交於被稱為萬向節點的一點處。該兩條機械軸不一定正好相交於一點；而是兩條機械軸之間有些微的間隔，該間隔位於兩條軸線最接近的位置處，其被稱為軸線偏移。為了校正由於軸線偏移引起的些微的誤差，可以儲存補償參數以用於軸線偏移。然後，外部計算機或跟蹤儀處理器中的軟體可以校正由跟蹤儀收集的數據，以移除由軸線偏移引起的誤差。事實上，跟蹤儀創建最佳跟蹤儀的模型，在該模型中，兩條軸線相交於理想的萬向節點處。
[0080]在上述討論中陳述過來自於跟蹤儀的光束穿過或至少基本上通過萬向節點。在實踐中，光束可以相對於萬向節點些微地偏移。在一實施方式中，該偏移通過使用兩個補償參數TX和TY來消除。在理想的跟蹤儀中，處於平面中的雷射束包含垂直(方位)軸線，並且垂直於水平(天頂)軸線。在真實的跟蹤儀中，雷射束可以相對於該平面略微地成角度。該偏移可以通過兩個補償參數RX和RY消除。許多其他補償參數也是可能的，並且可以使用不同的名稱來描述這些參數。例如，可以用表示名義上垂直的軸線相對於九十度的偏差的軸線的不垂直度(AXNS)參數。可以是與鏡相關的參數，例如，鏡表面相對於水平軸線的位置。與雷射跟蹤儀相關的參數可以包括那些在Muralikrishnan等人的論文「ASME B89.4.19Performance Evaluat1n Tests and Geometric Misalignments in Laser Trackers, J.Res.Natl.1nst.Stand.Technol.114，21-35(2009) 」 中描述的那些參數。
[0081]圖13是根據一實施方式的雷射跟蹤儀內的選定元件1300的立體圖。方位/基座組件1310包括方位軸杆1312、第一軸承1314A、第二軸承1314B、角度編碼器1316以及基座框架1318。基座框架1318表示雷射跟蹤儀的相對於跟蹤儀所在的環境固定的那部分。例如，在實踐中，雷射跟蹤儀可以安裝在儀器架上，同時基座框架1318相對於儀器架固定。軸杆1312圍繞方位軸線1350作圓周運動1351。角度編碼器1316包括圓盤1321和讀取頭組件1322。圓盤1321包括標記，在一實施方式中，該標記包括被遠離圓盤中心指引的等間距的線。讀取頭組件1322包括一個或更多個光源。該光源或者被圓盤1321的表面反射，或者被傳送通過圓盤。讀取頭組件還包括感測光在何時穿過了圓盤上的標記的一個或更多個光學探測器。在一實施方式中，圓盤安裝在軸杆1312上，並且讀取頭組件安裝在方位/基座組件的固定部分上。換言之，讀取頭組件附接為相對於基座框架1318靜止。在替代性實施方式中，圓盤是固定的，讀取頭組件附接至軸杆。通過計算已穿過讀取頭組件1322上的一個或更多個光學探測器的線的數目，以及通過使用插補電子器件，編碼器和相關的電子器件可以以相對高的精度確定軸杆1312的旋轉角度。電信號從讀取頭組件1322通過電線1324行進至電子器件板1325，電子器件板1325處理信號以確定軸杆1312的旋轉角度。電子器件板1325可以包括如圖11所示的處理器1540。
[0082]在一實施方式中，方位軸承1314AU314B是角接觸球軸承。該軸承可以具有作為單獨的元件的內圈和外圈。在一實施方式中，每個軸承均標記有徑向跳動高點。軸承1314A、1314B是旋轉的，使得徑向跳動高點處於方位軸杆1312上的相同角位置處。在一實施方式中，方位/基座組件構造成能夠將可控預緊力施加至軸承1314AU314B。
[0083]天頂/支架組件1330包括天頂軸杆1332A和1332B、第一軸承1334A、第二軸承1334B、角度編碼器1336以及支架框架(yoke frame) 1338。支架框架1338表示隨著方位軸杆1312 —起旋轉的雷射跟蹤儀的那部分。如上文所討論的，支架框架是天頂託架組件的一部分。軸杆1332AU332B以圍繞方位軸線1354的圓周運動1353旋轉。角度編碼器1336包括圓盤1341和讀取頭組件1342。圓盤1341包括標記，在一實施方式中，該標記包括被遠離圓盤中心指引的等間距的線。讀取頭組件1342包括一個或更多個光源。該光源或者被圓盤1341的表面反射，或者被傳送通過圓盤。讀取頭組件還包括感測光在何時穿過了圓盤上的標記的一個或更多個光學探測器。在一實施方式中，圓盤安裝在軸杆1342上，讀取頭組件安裝在天頂組件的與方位軸杆1312 —起旋轉的部分上。換言之，讀取頭組件1342相對於支架框架1338靜止。在替代性實施方式中，圓盤是固定的，讀取頭組件附接至天頂軸杆。通過計算已穿過讀取頭組件1342上的一個或更多個光學探測器的線的數目，以及通過使用插補電子器件，編碼器和相關的電子器件可以以相對高的精度確定軸杆1332的旋轉角度。電信號從讀取頭組件1342通過電線1326行進至電子器件板1325，電子器件板1325處理信號以確定軸杆1332的旋轉角度。電子器件板1325可以包括如圖11所示的處理器1550。天頂/支架組件1330可以包括產生光束1360的一個或更多個光源(未圖示)。如上文所討論的，光束1360可以基本上(真實地)穿過萬向節點1362。軸杆可以包含兩個部分(1332AU332B)，該兩個部分是共線的，另外，該兩個部分在中心處由負載結構1364支承，該負載結構1364的一部分示於圖13中。負載結構可以支承光源、諸如透鏡和分束器的光學元件、位置探測器、控制系統、測距儀、電子器件以及諸如測斜儀和溫度傳感器的附屬部件。替代性地，雷射可以通過位於負載外側的光纖或通過其他器件按路線通向負載區。
[0084]在一實施方式中，天頂軸承1334AU334B是角接觸球軸承。該軸承可以具有作為單獨的元件的內圈和外圈。在一實施方式中，軸承1334AU334B是旋轉的，使得徑向跳動高點處於方位軸杆1312上的相同角位置處，以使軸承的徑向跳動引起的角擺動最小化。在一實施方式中，方位/基座組件構造成能夠將可控預緊力施加至軸承1334AU334B。
[0085]圖14是根據一實施方式的雷射跟蹤儀內的選定元件1400的立體圖。圖14的雷射跟蹤儀類似於圖13的雷射跟蹤儀，除了圖14的雷射跟蹤儀通過用鏡1462對光束進行反射來部分地引導光束，而圖13的雷射跟蹤儀直接將射束指引至負載結構1364的外部。方位/基座組件1410包括方位軸杆1412、第一軸承1414A、第二軸承1414B、角度編碼器1416以及基座框架1418。基座框架1418表示雷射跟蹤儀的相對於跟蹤儀所在的環境固定的那部分。例如，在實踐中，雷射跟蹤儀可以安裝在儀器架上，同時基座框架1418相對於儀器架固定。軸杆1412圍繞方位軸線1450作圓周運動1451。角度編碼器1416包括圓盤1421和讀取頭組件1422。圓盤1421包括標記，在一實施方式中，該標記包括被遠離圓盤中心指引的等間距的線。讀取頭組件1422包括一個或更多個光源。該光源或者被圓盤1421的表面反射，或者被傳送通過圓盤。讀取頭組件還包括感測光在何時穿過了圓盤上的標記的一個或更多個光學探測器。在一實施方式中，圓盤安裝在軸杆1412上，以及讀取頭組件安裝在方位/基座組件的固定部分上。換言之，讀取頭組件相對於基座框架1418靜止。在替代性實施方式中，圓盤是固定的，讀取頭組件附接至軸杆。通過計算已穿過讀取頭組件1422上的一個或更多個光學探測器的線的數目，以及通過使用插補電子器件，編碼器和相關的電子器件可以以相對高的精度確定軸杆1412的旋轉角度。電信號從讀取頭組件1422通過電線1424行進至電子器件板1425，電子器件板1425處理信號以確定軸杆1412的旋轉角度。電子器件板1425可以包括如圖11所示的處理器1540。
[0086]在一實施方式中，方位軸承1414AU414B是角接觸球軸承。該軸承可以具有作為單獨的元件的內圈和外圈。在一實施方式中，軸承1414A、1414B是旋轉的，使得徑向跳動高點處於方位軸杆1412上的相同角位置處，以使軸承的徑向跳動引起的角擺動最小化。在一實施方式中，方位/基座組件構造成能夠將可控預緊力施加至軸承1414A、1414B。
[0087]天頂/支架組件1430包括天頂軸杆1432A和1432B、第一軸承1434A、第二軸承1434B、角度編碼器1436以及支架框架1438。支架框架1438表示雷射跟蹤儀的隨著方位軸杆1412—起旋轉的那部分。如上文所討論的，支架框架是天頂託架組件的一部分。軸杆1432AU432B以圍繞方位軸線1454的圓周運動1453旋轉。角度編碼器1436包括圓盤1441和讀取頭組件1442。圓盤1441包括標記，在一實施方式中，該標記包括被遠離圓盤中心指引的等間距的線。讀取頭組件1442包括一個或更多個光源。該光源或者被圓盤1441的表面反射，或者被傳送通過圓盤。讀取頭組件還包括感測光在何時穿過了圓盤上的標記的一個或更多個光學探測器。在一實施方式中，圓盤安裝在天頂軸杆1442上，讀取頭組件安裝在天頂組件的與方位軸杆1412 —起旋轉的部分上。換言之，讀取頭組件1442附接成相對於支架框架1438靜止。在替代性實施方式中，圓盤是固定的，讀取頭組件附接至天頂軸杆。通過計算已穿過讀取頭組件1442上的一個或更多個光學探測器的線的數目，以及通過使用插補電子器件，編碼器和相關的電子器件可以以相對高的精度確定軸杆1432的旋轉角度。電信號從讀取頭組件1442通過電線1426行進至電子器件板1425，電子器件板1425處理信號以確定軸杆1432的旋轉角度。電子器件板1425可以包括如圖11所示的處理器1550。方位/基座組件1410可以包括產生光束1460的一個或更多個光源(未圖不)，該光束1460被鏡1464反射。如上文所說明的，光束鏡1461可以在萬向節點1462處反射。軸杆可以包含兩個部分(1432AU432B)，該兩個部分是共線的，並且支承鏡1464。光源、光學器件以及電子器件可以存在於中空軸杆1412內，或由分束器和鏡反射，以產生射束1460以及處理返回光。光學器件和電子器件還可以包括透鏡、位置探測器、控制系統、測距儀、電子器件以及諸如測斜儀和溫度傳感器的附屬部件。
[0088]在一實施方式中，天頂軸承1434A、1434B是角接觸球軸承。該軸承可以具有作為單獨的元件的內圈和外圈。在一實施方式中，每個軸承均標記有徑向跳動高點。軸承1434A、1434B是旋轉的，使得徑向跳動高點處於方位軸杆1412上的相同角位置處。在一實施方式中，方位/基座組件構造成能夠將可控預緊力施加至軸承1434AU434B。
[0089]圖15A和15B是現有技術裝置3500的立體圖，該現有技術裝置3500可以附接至雷射跟蹤儀以測量其所附接至的雷射跟蹤儀的軸承誤差。該裝置包括旋轉組件3510以及固定組件3540。旋轉組件3510包括第一軸部3512、第二軸部3513、第一球體部分3514和第二球體部分3516。第一軸部具有附接至旋轉結構的表面3511。在一實施方式中，表面3511附接至傳遞元件(未圖示)，該傳遞元件繼而附接至測試下的旋轉結構。在一實施方式中，球體被打磨至形狀誤差為50納米或更少。第一球體部分3514具有第一大圓(equator) 3515,該第一大圓3515是該球體的大的圓圈，並且被校準為垂直於第一和第二軸部。第二球體部分3516具有第一大圓3517，該第一大圓3517是該球體的大的圓圈，並且被校準為垂直於第一和第二軸部。固定組件3540包括框架3542和剛性地固定至框架3542的多個電容傳感器 3544、3545、3546、3547、3548。電連接 3534、3535、3536、3537、3538 分別從傳感器 3544、3545、3546、3547、3548行進至用於處理的電路(未圖示)。在一實施方式中，電容傳感器3544,3545被校準為在第一大圓的水平面處垂直於第一球體部分。略微地遠離球體移動電容傳感器3544、3545，以防止其在旋轉過程中與傳感器相碰撞。電容傳感器3514相對於電容傳感器3515轉動九十度。固定組件3540附接至非旋轉結構。在一實施方式中，框架3542附接至保持旋轉物體(主軸或軸杆)的固定結構。
[0090]在一實施方式中，電容傳感器3546、3547被校準為在第一大圓3517的水平面處垂直於第二球體部分3516。略微地遠離球體移動電容傳感器3546、3547，以防止其在旋轉過程中與傳感器相碰撞。電容傳感器3546相對於電容傳感器3547轉動九十度。在一實施方式中，電容傳感器3548被校準為沿著第二球體部分3516與第二軸部3512的軸。在替代性實施方式中，電容傳感器3548不包括在裝置3500中。在其他實施方式中，電容傳感器對準一個或更多個圓柱形工件，而非球形工件3514、3516。
[0091]圖15B描繪了旋轉軸線z和旋轉角度Θ。角度Θ是相對於與z軸線垂直的軸線X取得的。第一球體部分3514具有第一基準框架3570，第一基準框架3570包括位於第一球體部分的球形表面的中心處的原點3571。第一基準框架3570具有與第一和第二軸部相對準並且與軸線Z相對準的軸線Ζρ軸線Xi與電容傳感器3544相對準，軸線yi與電容傳感器3545相對準。軸線Xl、yi和Zl相互垂直。
[0092]第二球體部分3516具有第二基準框架3580，第二基準框架3580包括位於第二球體部分的球形表面的中心處的原點3581。第二基準框架3580具有與第一和第二軸部相對準並且與軸線z相對準的軸線Zl。軸線x2與電容傳感器3546相對準，軸線y2與電容傳感器3547相對準。軸線x2、72和22相互垂直。電容傳感器3548在靠近第二球體部分3516的底部處與z軸線相對準。第一原點3571與第二原點3581之間沿z方向的距離為L。
[0093]針對每個角度Θ，裝置3500為五個電容傳感器3544、3545、3546、3547、3548中的每者測量五個位移。這些位移分別為11、71、&、72和22。從這些位移中，可以獲得由軸承誤差引起的傾斜角度％和ay:
[0094]α χ = ( Δ Xj - Δ χ2) /L,(1)
[0095]a y = (Ayj - Δ y2) /L.(2)
[0096]在過去，軸承校準技術被最多地用於測量精密加工工具機的高速主軸，特別是金剛石車削工具機，但也包括各種車床、銑床、磨床等。往往首先執行軸承校準，以確保工具機滿足其技術規格，第二是找到工具機設計的方式，以提高工具機性能。由於工具機不能在執行機械加工操作的同時進行調整，往往不可能在進行機械加工的同時校正工具機的行為。
[0097]對於質量軸承的任意360度旋轉，通常情況是軸承誤差幾乎完全地作為旋轉角度Θ的函數重複。換言之，如果軸承在相同的360度的窗上前後移動，那麼在任意給定角度Θ的情況下，由電容傳感器記錄的誤差的圖案幾乎相同。然而，大多數情況下的軸承誤差在不同的360度周期中是不重複的。這種行為在Eric R.Marsh在美國精密工程協會的年會上作出的關於「精密主軸計量」(「Precis1n Spindle Metrology」)的專題報告中進行了解釋，該專題報告於2013年5月2日訪問自網址http://www.scribd.com/doc/132020851/Spindle-Tutorial ο現有技術圖16A、16B、16C和17改編自該論文。
[0098]圖16A是由車床主軸中的軸承誤差的測量獲得的數據3602的繪圖3600。該繪圖示出了自單一電容傳感器獲得的數據，該單一電容傳感器的布置類似於圖15A和15B的布置，但是其具有單一球體而非五個球體。在軸的32圈中觀察到的最大值被看做大致處於+/-600nm的範圍內。從該繪圖中可以迅速得出的觀察結果是軸的32圈中的每一圈的測得數值都是不同的。
[0099]圖16B是針對圖16A中的方框3604內的三個周期的數據3612的繪圖3610。正弦曲線3614與數據3612相對應，並且正弦曲線的平均值被取為線3615。正弦曲線主要來自於很難將第一球體部分3514和第二球體部分3516理想地定位在旋轉軸上的中心處。由於一般不可能將這些球體理想地定位在旋轉軸上的中心處，因此在處理收集到的數據的過程中，基波正弦分量被移除。圖16C是通過從測得數據3612中減去正弦曲線3614的數值而獲得的軸承誤差3622的繪圖3620。從收集到的數據中減去基波正弦分量只在電容傳感器
3544、3545、3546、3547上執行，而不是在電容傳感器3548上執行，其中，電容傳感器3544、
3545、3546、3547測量徑向(從一側至另一側)位移，電容傳感器3548測量軸向位移。對於軸向位移，變化是有意義的，不能從收集到的數據中減去。
[0100]一般而言，在旋轉360度之後，軸承不返回至它們的初始位移。這一影響示於圖17中，其示出了包含兩個軸承的主軸的四次連續旋轉。第一圈開始於最右側方向的0度處，其中，誤差為0與-1微米之間。其逆時針旋轉，在360度之後，具有的誤差為0與+1微米之間。第二圈的在零度的角度處的誤差與第一圈在360度處的誤差相同。通過研究這四圈，可以發現這四圈中沒有具有相同誤差的兩圈。這些結果打破了經常持有的概念，即，軸承誤差圖案每720度重複一次。
[0101]圖18是選定的雷射跟蹤儀部件的立體圖，該雷射跟蹤儀部件設置用於接納如上文參照圖15A和15B所描述的軸承測量裝置3500A和3500B。軸承測量裝置3500A、3500B附接至電路3590。裝置3500A構造成附接至方位/基座組件1310。示於圖15A中的第一軸部3512構造成附接至示於圖13中的方位軸杆1312。箭頭1842指示附接位置。可以添加轉接器元件(未圖示)，以將第一軸部3512接合至方位軸杆1312。框架3542接合至基座框架1318，如箭頭1844、1846所示。
[0102]裝置3500B可以是單獨的軸承測量裝置，或者其可以是在不同時間附接的用於執行軸承測量的裝置3500A。替代性地，可以進行測量關於單一軸線而關於非兩條軸線的軸承誤差的過程。箭頭1832、1834和1836表示附接位置。
[0103]軸承誤差在任意360度的間隔之間一般是非常可重複的。然而，在不同的360度間隔之間可能會有顯著的變化。為了基本上消除軸承誤差，以下是有利的:將軸杆1312、1332AU332B的旋轉範圍限制於針對該角度區域已經取得軸承校準數據那些角度區域中，以及在跟蹤儀的操作過程中保持對軸杆的旋轉角度的跟蹤。即使是在跟蹤儀電源關閉時也應當執行當前的360度的旋轉間隔。在一實施方式中，這可以通過將非易失性旋轉監視器與每條軸線相關聯來實現。方位旋轉監視器1810包括方位軸杆附件1812和固定框架傳感器1814。傳感器每次經過該附件時，均會產生指示運動方向的信號。電子計數器保持對旋轉次數的跟蹤。許多不同的物理量可以通過傳感器1814測量，這些物理量例如是電容、電感、磁性和光。如果旋轉是在該範圍(已經在其中取得了軸承校準數據的範圍)之外，則會給予使用者報警信息。天頂旋轉監視器1820包括天頂軸杆附件1822和支架框架傳感器1824。其以類似於方位旋轉監視器的方式操作。電信號從傳感器經過連接件1816、1826發送至用於處理的電路板1325。電路板1325可以包括電池，以提供監視器的非易失性操作。
[0104]可以使用其他設備來保持對軸杆的當前360(度)範圍的跟蹤。例如，可以使用彈簧來提供與每個軸杆的旋轉次數正相關的張力的可測量的量。還可以使用止擋部來將旋轉的量控制於有限的範圍。
[0105]諸如角度編碼器的一些角度測量設備被設計用於在0至360度之間測量。為了保持對總的旋轉角度的跟蹤，通常會提到展開角度(unwrapped angle)。例如，落在0度至比如-10度之間的角度具有讀取為(例如，由角度編碼器顯示)350度的包角(wrappedangular)，而展開值則為_10度。類似地，超出360度10度的角度則將具有顯不為10度的包角以及370度的展開值。
[0106]諸如1810的旋轉監視器是雙向計數器，這意味著其保持對正向計數和反向計數的數量的跟蹤。完成五次正向旋轉和兩次反向旋轉的軸杆則完成了 5-2 = 3次正向旋轉。旋轉的(淨)數量可以與由諸如角度編碼器的角度測量設備測得的0度與360度之間的角度相結合，以獲得展開角度:展開角度=包角+(淨旋轉次數)(360)，其中，應當理解的是淨旋轉次數可以是正的或負的。
[0107]圖19是選定的雷射跟蹤儀部件的立體圖，該雷射跟蹤儀部件設置用於接納如上文參照圖15A和15B所描述的軸承測量裝置3500A和3500B。軸承測量裝置3500A、3500B附接至電路3590。裝置3500A構造成附接至方位/基座組件1410。示於圖15A中的第一軸部3512構造成附接至示於圖14中的方位軸杆1412。箭頭1942指示附接位置。可以添加轉接器元件(未圖示)，以將第一軸部3512接合至方位軸杆1412。框架3542接合至基座框架1418，如箭頭1944、1946所示。
[0108]裝置3500B可以是單獨的軸承測量裝置，或者其可以是在不同時間附接的用於執行軸承測量的裝置3500A。替代性地，可以進行測量關於單一軸線而非關於兩條軸線的軸承誤差的過程。箭頭1932、1934和1936表示附接位置。
[0109]軸承誤差在任意360度的間隔之間一般是非常可重複的。然而，在不同的360度間隔之間可能會有顯著的變化。為了更加全面地消除軸承誤差，以下是有利的:將軸杆1412、1432AU432B的旋轉範圍限制於針對該角度區域已經取得軸承校準數據那些角度區域中，以及在跟蹤儀的操作過程中保持對軸杆的旋轉角度的跟蹤。即使是在跟蹤儀電源關閉時也應當保持對當前的360的旋轉間隔的跟蹤。在一實施方式中，這可以通過將非易失性旋轉監視器與每條軸線相關聯來實現。方位旋轉監視器1910包括方位軸杆附件1912和固定框架傳感器1914。傳感器每次經過該附件時，均會產生指示運動方向的信號。電子計數器保持對旋轉次數的跟蹤。許多不同的物理量可以通過傳感器1914測量，這些物理量例如是電容、電感、磁性和光。如果旋轉是在該範圍(已經在其中取得了軸承校準數據的範圍)之夕卜，則會給予使用者報警信息。天頂旋轉監視器1920包括天頂軸杆附件1922和支架框架傳感器1924。其以類似於方位旋轉監視器的方式操作。電信號從傳感器經過連接件1916、1926發送至用於處理的電路板1425。電路板1425可以包括電池，以提供監視器的非易失性操作。
[0110]可以使用其他設備來保持對軸杆的當前360(度)範圍的跟蹤。例如，可以使用彈簧來提供與每個軸杆的旋轉次數正相關的張力的可測量的量。還可以使用止擋部來將旋轉的量控制於有限的範圍。
[0111]在一實施方式中，方位軸線和天頂軸線通過雷射跟蹤儀內的馬達旋轉。例如，馬達可以是包括轉子2126和定子2127的方位馬達和包括轉子2156和定子2157的天頂馬達，如圖9和10所示。在一實施方式中，旋轉角度是通過角度編碼器確定的，該角度編碼器例如是如圖13和14所示的方位角度編碼器1316、1416以及天頂角度編碼器1336、1436。在一實施方式中，關於每個讀取頭的數據記錄在每個角度編碼器中。如上文所討論的，可以同時或按順序執行關於方位軸線和天頂軸線的軸承測量。在一些情況下，該數據可以是可以後處理的原始讀取頭數據。同時，數據由一個或更多個軸承測量系統收集。
[0112]軸承誤差可以儲存為可以用於再現誤差值的圖像或等式。為避免混淆，在下文中，將術語軸承誤差稱作徑向跳動誤差。這可以幫助消除與跟個別軸承相關聯的誤差的混淆，跟個別軸承相關聯的誤差通常不是從通過使用上文所述的方法收集的測量結果中得知。應當理解的是，本文所使用的術語徑向跳動是指由軸承產生的誤差的一般範疇，而不是指「總指示徑向跳動」，「總指示徑向跳動」是用於反映可以觀察到的誤差值的總範圍。收集到的徑向跳動值可以由包含在跟蹤儀內的處理器使用，或者可以由外部計算機使用。示於圖11中的任意處理元件本質上都可以用在包含軸承的徑向跳動的計算中。
[0113]軸承的徑向跳動可以通過兩種主要方式使用:第一，校正雷射跟蹤儀的基準框架，從而提高跟蹤儀的測量精度；第二，提高角度編碼器的讀數精度。為理解軸承的徑向跳動的這些用途中的第一種，要考慮當方位軸承不完美時，來自於跟蹤儀的光束會發生什麼。假設下軸承為理想的圓形，並且沒有軸承誤差。假設上軸承具有2微米的最大徑向跳動誤差，使得當來自於跟蹤儀的光束指向零度(在跟蹤儀的基準框架中)的方位角時，方位軸杆的傾斜比當方位角傾斜180度時向前遠出2微米。進一步假設方位軸線上的軸承之間的距離為0.5米。這意味著相比於在射束指向朝後的方向的情況下的軸線的傾斜量，在射束指向朝前的方向的情況下的軸線的傾斜量為2微米/0.5米=4微弧度。估計雷射跟蹤儀的角精度的常見方法是執行被稱為雙面測試(two-face test)的步驟。雙面測試的執行是通過首先在前視模式下將雷射跟蹤儀指向位於特定方向上的回射器。該前視模式是由跟蹤儀的正常操作模式限定的。然後，通過如下步驟將跟蹤儀放置於後視模式中:首先使跟蹤儀的方位旋轉180度，然後調整跟蹤儀的天頂角，使之向後指向目標。回射器的橫向(一側至另一偵?坐標的差是反映跟蹤儀測量中的誤差的距離。該誤差被稱作雙面誤差。雙面誤差被認為是跟蹤儀誤差的敏感測量。假設在這種情況下天頂軸承與角度測量系統是完美的。進一步假設該測量是在距離為6米處進行的。雙面誤差為這一距離6米Χ4微弧度=24微米。如果校正了軸承的徑向跳動，那麼將能夠基本上消除這一 24微米的誤差。在該情況下應注意的是，該誤差被發現處於垂直方向上，這通常與雷射束的天頂運動相關聯。換言之，表面上的誤差可能是由天頂編碼器的測量中的誤差引擎蓋的，而不是由方位軸承中的誤差引起的。
[0114]作為類似影響的另一示例，考慮如下情況:其中，在天頂軸線上的軸承中存在誤差。考慮這一情況:其中，在前視模式下，光束以45度的天頂角以及零度的方位角向上指。然後，在後視模式下，方位角旋轉至180度，而天頂角旋轉至-45度。假設在天頂軸承中存在徑向跳動誤差，使得在前視模式下，左軸承以+45度的天頂角向上推動軸杆。軸杆將向下指向右側，雷射束將指向右側(假設方位軸承是完美的)。在後視模式中，軸承將沿方位角旋轉180度，然後反轉天頂角。軸杆將向下指向左側，來自於跟蹤儀的光束將指向右側。在該情況下，雙面誤差主要沿著水平方向。當在前述情況下時，這樣的誤差可能被錯誤地認為是出故障的方位角度編碼器的結果。
[0115]若干數學方法可以用於校正由光束的傾斜引起的誤差，其中，光束的傾斜是方位軸杆與天頂軸杆的傾斜的結果。可以理解的是，可能使用的這些方法中的任意一種對應本領域的那些普通技術人員而言都是熟知的。可以使用的一種方法是首先消除方位軸線的傾斜角度。可以使用等式(1)和(2)。三個坐標x、y和Z可以用於消除沿天頂軸線與方位軸線的軸承的徑向跳動。例如，用於消除沿方位軸線的軸承誤差的坐標可以是在隨方位軸線旋轉的基準框架中的χ方向和z方向上。用於消除沿天頂軸線的軸承誤差的坐標可以是在隨支架(方位託架)軸旋轉的基準框架中的y方向和z方向上。給定軸承誤差的情況下，可以使用旋轉矩陣來確定關於特定的方位角和天頂角的光束1360、1461的總體傾斜，其中，能夠取得相對於軸承誤差為零的理想射束的傾斜。通過使用標準4x4變換矩陣可以計算由軸承的徑向跳動引起的光束的偏移量，在該領域中眾所周知的是，使用標準4x4變換矩陣能夠消除旋轉和平移的影響。方位變換矩陣與天頂變換矩陣可以相乘，以獲得系統變換矩陣。可以執行進一步的計算以消除諸如軸線偏移、軸線不垂直度以及如上文所討論的其他參數的影響。
[0116]軸承徑向跳動的數據的第二種用途是校正角度編碼器的讀數中的誤差。首先考慮如下情況:完美的編碼器圓盤放置在軸線上，以及完美的讀取頭組件放置在相對於圓盤的旋轉固定的框架上。如果不存在軸承的徑向跳動，角度編碼器的讀數將是完美的。接下來，假設存在一些軸承的徑向跳動。在這種情況下，編碼器圓盤將相對於讀取頭移動。在具有單一讀取頭的系統讀取頭組件中，每當編碼器圓盤沿垂直於讀取頭的位置處的線的方向移位時，將會觀察到誤差。如果多個讀取頭關於旋轉軸對稱地放置時，能夠減少但不能大致消除由圓盤的運動引起的誤差。通過獲知軸承的徑向跳動值，可以對編碼器的讀數進行校正以消除這些誤差。
[0117]如果允許軸杆旋轉至任意角度(不限於特定的360度區域)，則只可以校正軸承的徑向跳動的同步的部分。在許多情況下，異步徑向跳動大於(在一些情況下是遠遠大於)同步徑向跳動，並且因此，確定關於方位和天頂軸線的360度旋轉區域是可取的。
[0118]本文所描述的發明的若干應用是有益的。在第一應用中，與採用其他方法相比，跟蹤儀用於實現更高精度的三維測量。這些測量是以測距儀(ADM或幹涉儀)和兩個角度編碼器的讀數為基礎的。在第二應用中，跟蹤儀只在被稱為順序多點定位的方法中用於進行距離測量。距離測量是通過將跟蹤儀放置在至少三個位置或優選四個位置中實現的。軸承徑向跳動的消除使得該測量具有高測量精確度。是用該結果確定的回射器目標的三維坐標會比通過包括角度編碼器讀數而可能獲得的三維坐標具有更佳的精確性。一種相關的方法是同步多點定位，在該方法中，由三個或更多個雷射跟蹤儀同時對寬角度回射器進行多重測量。軸承的徑向跳動的補償的另一潛在益處是由於所得的軸承精度通過軸承補償過程得以提高，因此能夠使用相對便宜的軸承。
[0119]雖然上文的討論已經重點強調了在多點定位測量的情況下校正軸承的徑向跳動的重要性，但是在許多情況下，對角度測量的校正可能更重要。如今，雷射跟蹤儀中的適當補償的角度編碼器在測量天頂軸杆與方位軸杆的角位移中往往提供少於一弧秒的誤差。在一些情況下，軸承可以比角度編碼器更有助於回射器目標的三維坐標測量。確定角度編碼器的角運動可以提供一種顯著提高雷射跟蹤儀的角精度的方式，其中，角度編碼器的角運動是兩個軸杆的角位移(可能超過360度)的函數。換言之，在上述過程中收集的數據可以用於跟蹤儀的動態模型中，以提高以下四種測量值:相對於回射器的兩個角度(例如，垂直角度和水平角度)，相對於回射器的距離，以及跟蹤儀原點(明顯的萬向節點)的位置。
[0120]儘管已參考示例實施方式描述了本發明，但本領域普通技術人員應當理解，在不背離本發明範圍的情況下，可做出多種改變並且可使用等同物代替其元件。另外，在不背離本發明的本質範圍的情況下，可做出多種修改從而使得特定的情況或材料適合本發明的教導。因此，旨在使本發明不限於如設想用於執行本發明最佳模式所公開的特定實施方式，而是本發明將包括落入所附權利要求範圍內的所有實施方式。此外，使用第一、第二等並不表示任何順序或重要性，而是使用第一、第二等以區分一個元件與另一元件。另外，使用術語一、一個等並不表示限制數量，而是表示存在至少一個參考項目。
【權利要求】
1.一種用於對通過坐標測量設備對回射器目標的三維坐標測量中的誤差進行校正的方法，所述坐標測量設備構造成將光的第一射束髮送至所述回射器目標，所述回射器目標構造成將所述第一射束的一部分作為第二射束返回，所述方法包括以下步驟: 提供所述坐標測量設備，所述坐標測量設備具有第一軸杆、第二軸杆、第一馬達、第二馬達、第一角度測量設備、第二角度測量設備、測距儀和處理器，所述第一軸杆構造成圍繞第一軸線旋轉，所述第一軸杆由第一軸承和第二軸承支承，所述第一馬達構造成使所述第一軸杆圍繞所述第一軸線旋轉第一角度，所述第一角度測量設備構造成測量所述第一角度，所述第二軸杆構造成圍繞第二軸線旋轉，所述第二軸杆由第三軸承和第四軸承支承，所述第二馬達構造成使所述第二軸杆圍繞所述第二軸線旋轉第二角度，所述第二角度測量設備構造成測量所述第二角度，所述測距儀構造成至少部分地基於由第一光學探測器接收的所述第二射束的第一部分來測量從所述坐標測量設備到所述回射器目標的第一距離； 用所述第一角度測量設備測量多個第一角度； 在沿所述第一軸線的第一位置處測量多個第一位移，所述多個第一位移中的每者均與所述多個第一角度中的一個第一角度相關聯，所述第一位移沿垂直於所述第一軸線的第一線取得； 在沿所述第一軸線的第二位置處測量多個第二位移，所述多個第二位移中的每者均與所述多個第一角度中的一個第一角度相關聯，所述第二位移沿垂直於所述第一軸線的第二線取得，在所述第一線與所述第二線之間存在第一間距； 至少部分地基於所述多個第一角度、所述多個第一位移、所述多個第二位移以及所述第一間距確定補償值； 將所述第一射束髮送至所述回射器目標； 用所述第一角度測量設備測量第一回射器角度； 用所述第二角度測量設備測量第二回射器角度； 用所述測距儀測量所述第一距離； 至少部分地基於所述第一回射器角度、所述第二回射器角度、所述第一距離以及所述補償值計算所述回射器目標的三維坐標；以及 將所述回射器目標的所述三維坐標儲存在存儲器中。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括以下步驟: 在沿所述第一軸線的第三位置處測量多個第三位移，所述多個第三位移中的每者均與所述多個第一角度中的一個第一角度相關聯，所述第三位移沿垂直於所述第一軸線的第三線取得； 在沿所述第一軸線的第四位置處測量多個第四位移，所述多個第四位移中的每者均與所述多個第一角度中的一個第一角度相關聯，所述第四位移沿垂直於所述第一軸線的第四線取得，在所述第三線與所述第四線之間存在第二間距；以及 在確定補償值的所述步驟中，所述補償值還至少部分地基於所述多個第三位移、所述多個第四位移以及所述第二間距確定。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，在確定補償值的所述步驟中，所述補償值包括所述第一軸線的多個傾斜角度，其中，所述多個傾斜角度中的每者均與所述多個第一角度中的一個第一角度相關聯。
4.根據權利要求1所述的方法，還包括以下步驟: 提供測試裝置，所述測試裝置構造成可移除地附接至所述第一軸杆，所述測試裝置具有第一傳感器和第二傳感器； 將所述測試裝置附接至所述第一軸杆，以便將所述第一傳感器放置在所述第一位置處，以及將所述第二傳感器放置在所述第二位置處；以及 其中，在測量多個第一位移的所述步驟中，所述第一位移由所述第一傳感器測量，以及，在測量多個第二位移的所述步驟中，所述第二位移由所述第二傳感器測量。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，在提供測試裝置的所述步驟中，所述第一傳感器與所述第二傳感器是電容傳感器。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，在提供測試裝置的所述步驟中，所述第一傳感器靠近第一球形表面，以及所述第二傳感器靠近第二球形表面。
7.根據權利要求1所述的方法，還包括以下步驟: 提供第一傳感器和第二傳感器，所述第一傳感器位於所述第一位置處，以及所述第二傳感器位於所述第二位置處；以及 其中，在測量多個第一位移的所述步驟中，所述第一位移由所述第一傳感器測量，以及，在測量多個第二位移的所述步驟中，所述第二位移由所述第二傳感器測量。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，在測量多個第一角度的所述步驟中，所述多個第一角度中的每個所述第一角度均是展開的，以提供多個第一展開角度，在循環連續的情況下，每個第一展開角度均是不同的。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，確定補償值的所述步驟還包括計算基波正弦分量。
10.根據權利要求8所述的方法，還包括測量所述第一軸杆圍繞所述第一軸線的旋轉次數的步驟。
11.根據權利要求10所述的方法，還包括以下步驟: 提供旋轉計數器；以及 用所述旋轉計數器測量所述第一軸杆的旋轉次數。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，在測量旋轉次數的所述步驟中，所述旋轉計數器包括第一計數器部分和第二計數器部分，所述第一計數器部分附接至所述第一軸杆，所述第二計數器部分附接至相對於所述第一軸杆的旋轉靜止的外殼，所述第一計數器部分和所述第二計數器部分構造成產生關於所述第一軸杆的每次旋轉的信號，所述旋轉計數器還構造成響應於所述第一軸杆的旋轉方向，以便對於沿第一旋轉方向的旋轉而增加計數次數，以及對於沿與所述第一旋轉方向相反的方向的旋轉而減少計數次數。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，在測量旋轉次數的所述步驟中，所述旋轉計數器構造成在所述第一角度測量設備不可操作時測量旋轉次數。
14.根據權利要求12所述的方法，其中，在測量旋轉次數的所述步驟中，所述旋轉計數器由電池供電。
15.根據權利要求2所述的方法，還包括以下步驟: 用所述第二角度測量設備測量多個第二角度； 在沿所述第二軸線的第五位置處測量多個第五位移，所述多個第五位移中的每者均與所述多個第二角度中的一個第二角度相關聯，所述第五位移沿垂直於所述第二軸線的第五線取得； 在沿所述第二軸線的第六位置處測量多個第六位移，所述多個第六位移中的每者均與所述多個第二角度中的一個第二角度相關聯，所述第六位移沿垂直於所述第二軸線的第六線取得，在所述第五線與所述第六線之間存在第三間距； 在沿所述第二軸線的第七位置處測量多個第七位移，所述多個第七位移中的每者均與所述多個第二角度中的一個第二角度相關聯，所述第七位移沿垂直於所述第二軸線的第七線取得； 在沿所述第二軸線的第八位置處測量多個第八位移，所述多個第八位移中的每者均與所述多個第二角度中的一個第二角度相關聯，所述第八位移沿垂直於所述第二軸線的第八線取得，在所述第七線與所述第八線之間存在第四間距；以及 在確定補償值的所述步驟中，還至少部分地基於所述多個第二角度、所述多個第五位移、所述多個第六位移、所述多個第七位移、以及所述多個第八位移、所述第三間距以及所述第四間距確定所述補償值。
16.一種用於測量回射器目標的三維坐標的坐標測量設備，所述坐標測量設備構造成將光的第一射束髮送至所述回射器目標，所述回射器目標構造成將所述第一射束的一部分作為第二射束返回，所述設備包括: 第一軸杆、第二軸杆、第一馬達、第二馬達、第一角度測量設備、第二角度測量設備、測距儀、旋轉計數器和處理器，所述第一軸杆構造成圍繞第一軸線旋轉，所述第一軸杆由第一軸承和第二軸承支承，所述第一馬達構造成使所述第一軸杆圍繞所述第一軸線旋轉第一角度，所述第一角度測量設備構造成測量所述第一角度，所述第二軸杆構造成圍繞第二軸線旋轉，所述第二軸杆由第三軸承和第四軸承支承，所述第二馬達構造成使所述第二軸杆圍繞所述第二軸線旋轉第二角度，所述第二角度測量設備構造成測量所述第二角度，所述測距儀構造成至少部分地基於由第一光學探測器接收的所述第二射束的第一部分測量從所述坐標測量設備到所述回射器目標的第一距離，所述旋轉計數器構造成測量所述第一軸杆的旋轉次數。
【文檔編號】G01M13/04GK104321616SQ201380025717
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2013年5月7日 優先權日:2012年5月16日
【發明者】羅伯特·E·布裡奇斯 申請人:法羅技術股份有限公司