特大型齿轮激光跟踪在位测量原理及关键技术

为了实现特大型齿轮精密测量,介绍了作者提出的特大型齿轮激光跟踪在位测量原理,重点阐述了其中的几项关键技术.特大型齿轮激光跟踪在位测量系统整合了激光跟踪仪的大尺寸测量能力和三坐标测量机的高精度,采用激光跟踪仪建立齿轮工件坐标系和三维测量平台坐标系,通过激光跟踪仪坐标系将齿轮工件坐标系与三维测量平台坐标系关联起来,并建立了相应坐标系的拟合模型及算法.同时,建立了三维测量平台的姿态调整模型,通过姿态调整机构完成了三维测量平台的姿态调整,进而确保三维测量平台与齿轮轴线的位置关系满足要求.最后,给出了该在位测量系统的实测结果.实验结果表明:特大型齿轮激光跟踪在位测量系统原理正确可行,满足6级以下特大型齿轮的精密测量.     

基于激光跟踪仪的机身桶段测量技术研究

目前传统测量技术已难以满足飞机制造中不断提高的检测要求,数字化测量技术已成为提高飞机产品检测效率与质量的重要手段。针对这一发展趋势,通过基于激光跟踪仪的机身桶段测量技术研究,系统地总结了飞机产品测量中激光跟踪仪测量场的组成、建立飞机测量坐标系的方法以及激光跟踪仪转站的原理。结合某型飞机前机身桶段的测量过程,重点介绍了利用激光跟踪仪对机身桶段关键特性和关键对接点进行在线测量及数据分析的方法,分析验证了激光跟踪仪系统在飞机产品测量中的应用情况。     

激光跟踪仪多边测量的不确定度评定

激光跟踪仪多边测量是大型高端装备制造现场溯源的重要手段,正确评定其不确定度是确保制造过程量值统一、结果可靠的关键。本文提出了一种准确、快速的激光跟踪仪多边测量的不确定度评定方法。从仪器误差、环境干扰及靶球制造误差等方面分析激光跟踪仪多边测量的不确定度来源。针对多边测量的输出量为多维向量的特点,重点研究基于多维不确定度传播律(GUM法)的不确定度合成方法,同步评定目标点坐标和跟踪仪站位的不确定度。最后,介绍了点到点长度的不确定度计算方法。实验表明:GUM法评定的不确定度结果与蒙特卡洛法(MCM法)的结果相比,坐标不确定度偏差小于0.000 2 mm,相关系数偏差小于0.01,满足数值容差,且GUM法用时仅为MCM法的0.08%;点到点长度测试的En值均小于1。因此,基于GUM法评定激光跟踪仪多边测量的不确定度具有可行性及高效性,且评定结果正确、可靠。     

运载火箭贮箱壁板厚度激光检测技术研究

针对运载火箭贮箱壁板厚度人工检测劳动强度大、点位分布不均匀、数据稳定性差等难题,开展了大型贮箱壁板厚度激光检测技术研究。利用激光测厚基本原理,设计了一套自动检测装备,实现了贮箱壁板厚度实时测量与反馈,达到了贮箱壁板厚度的快速、准确测量的目的,提升了航天产品自动化制造与检测能力。     

光束平差在激光跟踪仪系统精度评定中的应用

对自主研制的激光跟踪仪的精度评定进行研究,以期解决大尺寸空间坐标测量系统的空间坐标精度难于评定的问题.考虑现场环境条件、仪器状态和操作者技能等因素对测量精度影响都很大,提出了基于光束平差原理对激光跟踪仪系统进行精度评定的方法.通过Matlab软件对激光跟踪仪的精度评定进行了仿真,仿真结果显示光束平差法能客观地反映激光跟踪仪的测量精度.另外,使用Faro生产的激光跟踪仪进行了实物实验,实验结果显示其水平角精度σH为1.97″,垂直角精度σV为2.61″,测距精度σD为3.75×10-6,对比Faro生产的激光跟踪仪精度(σH =2.0″;σV =2.0″;σD=4 μm)可证明采用光束平差法评定自主研发的激光跟踪仪测量精度是正确、可行的.该方法为探索激光跟踪仪新的应用技术、开展面向对象的测量不确定评定奠定了基础.     

飞机液压地面试验台安装的空间测量分析

研究了飞机地面模拟液压系统试验台的现场安装测量过程,提出了基于激光跟踪仪的现场安装环境布置和测量方法。通过构建基准点的基准坐标系和激光跟踪仪的测量坐标系之间的映射关系,建立三维坐标转换方程。应用最小二乘迭代法得出了坐标转换算法,并用MATLAB对该算法进行了仿真验证。     

火箭贮箱环缝搅拌摩擦焊外定位床身的设计与研究

针对火箭贮箱卧式搅拌摩擦焊的焊接特点,设计了集主驱动和外定位于一体的焊接机床。对底箱、环座和压环等机床床身的主要零/部件进行了强度、刚性分析,并验证其对火箭贮箱焊接质量的影响;解决了火箭贮箱焊接时扭转力矩偏大、定位精度低以及焊接扭转错缝等难题。推动了我国火箭贮箱搅拌摩擦焊的工程化应用,为后续相似装备的设计开发提供了实际应用依据和技术借鉴。     

激光跟踪仪测角误差的现场评价

激光跟踪仪是基于角度传感和测长技术相结合的球坐标测量系统,其长度测量采用激光干涉测长方法,可直接溯源至激光波长,因此,激光跟踪仪的长度测量精度远高于角度测量精度,相对而言,测角误差就成为评价跟踪仪测量精度的重要指标。为了对现场测量激光跟踪仪的测角误差进行快速有效地评价,采用跟踪仪多站位对空间中测量区域内若干个被测点进行测量,与传统基于角度交汇原理的多站位冗余测量不同,利用各站位所观测的高精度测长值建立误差方程,并通过测长方向的矢量位移对跟踪仪测长误差进行约束,获得被测点三维坐标在跟踪仪水平角和垂直角方向上的改正值,以此来评价激光跟踪仪的测角误差。通过Leica激光跟踪仪AT901-LR进行了多站位测角误差评价实验,在现场测量条件下,跟踪仪水平和垂直方向测角误差约为0.003 mm/m(1σ),符合跟踪仪的测量误差特性。     

基于便携式坐标测量机的大齿轮测量方法

针对目前便携式坐标测量机测量大齿轮的采样策略和评定算法存在的不足,设计了两种特殊的辅助标尺一渐开线标尺及螺旋线标尺.利用设计的两种标尺在大齿轮齿面上对齿廓及螺旋线的测量点进行标注,开展了齿轮的在位重复性测量的实验研究.利用关节臂坐标测量机及激光跟踪仪测量系统在德国计量研究院研制的1 m外径齿轮样板上开展了测量实验,采用INVOLUTE Pro对采样数据点进行评定,给出了测量结果及测量不确定度.测量实验表明,基于新的齿轮测量方法,关节臂坐标测量机比激光跟踪仪测量系统测量结果更为精确,测试结果与标定值最大相差8.16 μm.实验结果验证了提出方法的有效性,为便携式坐标测量机在大齿轮测量领域的应用提供了依据.     

基于在位测量的火箭燃料贮箱壁板铣削加工

研制了用于火箭燃料贮箱壁板铣削加工的双目结构光在位测量系统,并应用于贮箱壁板减重网格壁厚的测量。通过试验确认,这一测量系统测量精度符合火箭燃料贮箱壁板壁厚的测量要求,效率高于传统超声测量,有效保证了贮箱壁板铣削加工的精度。     

基于激光跟踪仪测量方法的磁测探头空间位置测量

介绍了一种基于激光跟踪仪准直方法的磁测探头空间位置测量中的高精度定位机构,解决了在激光跟踪仪测量过程中因微小受力使磁测探头位置发生改变的问题,实现了磁测探头在空间位置测量中的高精度定位,进而实现了磁测探头的空间位置高精度测量。     

基于激光跟踪测量系统的瞄准方法

针对激光惯性约束聚变(LICF)实验中诊断实验装置快速精确定位的迫切需求,提出了在LICF的实验场景下使用激光跟踪测量系统的快速定位瞄准方法。采用四路激光跟踪测量系统作为瞄准定位设备,构建了测量系统的数学模型,基于最小二乘法开展了系统瞄准定位精度的理论计算。当采用的激光跟踪仪测量误差为5μm时,理论计算得到的夹角偏差为0.749 2″,距离偏差为11.208 3μm;当采用的激光跟踪仪测量误差为10μm时,夹角偏差为1.12″,距离偏差为18.216 7μm。理论计算结果表明,基于激光跟踪测量系统的瞄准方法,符合LICF中实验装置快速精准的定位需求,为将来在我国激光惯性约束聚变装置上使用激光跟踪测量系统作为瞄准定位设备提供了参考。     

激光跟踪仪多基站转站精度模型与误差补偿

为实现大空间域激光跟踪仪的高精度测量,本文针对由转站误差导致的激光跟踪仪分时多基站测量精度难保证的问题,提出了基于多站位下单台激光跟踪仪测量误差的转站误差模型与转站参数修正的补偿方法。首先分析了激光跟踪仪测量误差的来源以及具体形式,阐述了激光跟踪仪测量误差影响空间任意点测量精度的具体形式;其次分析了激光跟踪仪的随机测量误差和系统测量误差对多基站转站参数求解精度的影响。在此基础上,建立了考虑随机、系统测量误差的激光跟踪仪多基站转站误差模型和转站参数误差补偿模型。蒙特卡洛仿真结果表明:当激光跟踪仪的长度测量误差为0.5μm/m,角度测量误差为5μm+6μm/m时,最大转站误差为0.174 7mm,补偿后最大转站误差为0.04mm,转站精度提高了77%。分时多基站转站测量实验结果表明:直接转站测量时最大转站误差为0.054 2mm,补偿后转站误差为0.033 1mm,转站精度提升了38.9%。激光跟踪转站补偿后测量精度有明显的提高。     

物体空间动态测量方法的研究

在介绍激光跟踪仪(LTS)原理的基础上,研究了使用激光跟踪仪进行动态测量的方法,并通过相应的实验,对此进行了可行性验证,还对整个动态测量模块开发的框架结构以及动态测量系统定标与后续应用方向进行了探讨.     

综合建站误差的激光跟踪仪测量不确定度评估

针对航空制造业中面向大尺寸空间的激光跟踪仪测量不确定度评估问题,提出了综合建站误差的激光跟踪仪测量不确定度评估方法。在构建激光跟踪仪测量模型与误差模型的基础上,将测量设备建站误差引入优化模型,并通过跟踪仪建站、空间点测量等环节,对受建站误差和测量误差双重因素影响的跟踪仪空间点测量不确定度进行了仿真测试和数据分析。以某工装的现场测量为例,构建了仿真测量空间,通过对比地标点采样值与实测值之间的偏差,验证了算法的有效性。     

面向激光跟踪仪跟踪恢复的伺服运动角度计算方法

为了解决激光跟踪仪跟踪恢复过程中快速精确的获取伺服运动角度问题,提出了一种面向激光跟踪仪跟踪恢复的伺服运动角度计算方法。首先阐述了基于主动红外探测的激光跟踪仪跟踪恢复原理与合作目标靶球视觉目标检测特点,并分析了跟踪恢复过程中光轴视轴非共轴不平行问题所导致的伺服运动角度非线性变化问题;其次,构建了目标距离、目标像素偏差值与伺服运动角度关系的计算模型,完成了基于整定数据的模型参数整定;最后,开展了验证实验并进行了精度分析。实验结果表明,计算模型得到的跟踪恢复角度与实际跟踪恢复角度差值不大于0.007 7°,最大偏移距离误差小于2 mm,满足激光跟踪仪跟踪恢复的应用要求。     

激光跟踪仪精密跟踪系统的设计

对激光跟踪仪的跟踪伺服控制系统进行了整体研究并给出了总体设计方案。针对跟踪目标的精密探测问题,研究了新型探测手段以及微弱光电信号的精细调理技术与数字滤波方法,使得脱靶量探测稳定性优于±2.0μm。针对跟踪角度精密测量问题,设计了圆光栅数据采集系统,实现了角度脉冲的细分、辨向与准确计数;基于谐波分析方法建立了跟踪过程中的误差补偿模型,将角度测量精度由3.5″提高到1.5″。建立了跟踪伺服电机的数学模型,分析了电流环在跟踪控制中的作用机理,提出了电流、速度、位置三闭环控制结构和复合跟踪控制策略。跟踪实验表明:系统最远跟踪距离不小于41.7m,跟踪速度不低于2.0m/s。该项技术还能为空间动态目标跟踪、激光通信等提供有益借鉴。     

激光跟踪测量系统比对校验

介绍激光跟踪仪精度校验方法。用激光跟踪仪与高精密立式加工中心比对来测量激光跟踪仪在IFM(干涉测量模式)模式下精度，为激光跟踪系统的验收提供依据，同时为激光跟踪仪误差补偿提供数据支持。     

新型飞秒激光跟踪仪中飞秒激光测距研究

飞秒激光频率梳的出现为研制新型飞秒激光跟踪仪提供了有利工具。为解决飞秒激光跟踪仪中高精度距离测量的问题,研究了飞秒激光光谱分辨干涉原理,使用钛蓝宝石飞秒激光器搭建实验系统对光谱分辨干涉进行实验验证,最后利用快速傅里叶变换方法对实验数据进行处理。实验结果表明:该测量方法可以实现精度为±5μm的距离测量,对新型飞秒激光跟踪仪中的测距研究具有指导意义。     

一种新的并联机器人精度标定算法

提出了一种新的并联机器人精度标定算法,较之于传统的借助与激光跟踪仪的测量标定方法,该标定算法只需测量获得z轴方向的单项位置误差,即可进行参数误差识别,忽略了用激光跟踪仪测量时,安装靶球带来的制造、装配误差,能有效地提高并联机器人的标定精度。对该算法进行了推导以及Matlab仿真实验。