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。     

用于精密坐标传递的二联激光跟踪仪系统

为了实现受限空间内的精密坐标传递,建立了二联激光跟踪仪测量系统,并设计了其施测及数据处理方法。首先,对Leica AT402激光跟踪仪进行改装,在其提手上安装能够放置球棱镜的靶座,并精确标定球棱镜中心与仪器中心的高差,称它为垂向偏心差。然后,两台激光跟踪仪自由设站,双面互瞄对方提手上的球棱镜,并依据垂向偏心差将互瞄观测值改化至仪器中心,得到仪器中心之间的互瞄观测值。两台仪器分别测量可视范围内的目标点,当两台仪器能够观测到足够数量的公共点时,可利用公共点和互瞄观测值共同传递坐标和方位;当无公共点时,可利用激光跟踪仪之间的互瞄观测值传递坐标和方位。在上海光源的工程控制网内开展了测量实验,结果表明:当相邻测站有公共点时,该系统能提高坐标转换的精度;当无公共点时,在9 m的距离上,坐标传递精度优于0.22 mm,定向旋转角精度接近1″。该系统可应用于三维工程控制网的测量,尤其适用于通视条件差的精密坐标传递场景。     

面向特大型齿轮的激光跟踪多站位定位

提出了面向特大型齿轮的激光跟踪多站位定位测量方法以提高特大型齿轮激光跟踪在位测量系统的齿轮定位精度并精确确定测量仪器与被测齿轮位置与姿态的关系。根据激光跟踪仪多站位测量提供的冗余数据优化求解空间两点间共线方程,建立了特大型齿轮激光跟踪多站位测量模型。然后,提出了利用奇异值分解修正多站位测量模型解析矩阵条件数的方法。 实验结果表明,使用多站位测量模型求得的不同站位待测点间距离的标准差的均值为0.008 mm,明显小于直接在不同站位下测量的标准差均值0.024 mm,表明多站位测量模型具有良好精度控制效果。本文的研究提高了齿轮定位时所需测量点的三维测量精度,为特大型齿轮激光跟踪多站位测量系统建立齿轮坐标模型提供了可靠的数据来源。     

三维多点交会点位空间分布优化与精度分析

为了提高超高精度、大尺寸三维控制网布设中点位交会的测量精度,利用激光跟踪仪测量系统建立高精度三维控制网,点位交会精度受测量点空间几何分布的影响,构建了基于激光跟踪仪测量系统的加权几何精度因子模型,根据测量点的点位分布和数量,从水平面、高程等方面对多方向多距离的空间点位交会精度进行了比较分析.实验结果表明:三点交会测量时...     

激光跟踪仪的双面互瞄定向

使用传统公共点定向方法很难在狭小、受限空间下完成对大尺寸测量仪器的定向,故本文提出了一种受限空间下球坐标测量系统的双面互瞄定向方法,并以激光跟踪仪为例进行了理论分析和实验验证。该方法结合激光跟踪仪的测量原理和使用特点,通过激光跟踪仪本体测头的运动特性构建几何约束,仅要求测量仪器之间相互可视,便可依靠较小公共视场完成仪器定向。阐述了该方法的数学建模过程,研究了定向优化算法,并在上海光源环形测量控制网建立过程中进行了相关实验验证。结果表明:该方法在仪器相距5m以内时,参考点转站误差优于0.12mm,定向旋转角误差不超过1.5″。与频繁转站的传统方法相比,可在保证精度的同时,极大地提高现场测量效率。该方法亦可推广应用于其它单站坐标测量系统。     

大尺寸自由曲面部件组合测量现场全局标定优化方法与应用

为了解决全局测量与局部精度控制的矛盾,为大尺寸复杂尺寸测量提供科学依据,研究了集成激光跟踪仪与光学扫描仪的组合测量及其全局标定。在扫描仪固定机构上建立了基坐标系,为激光跟踪仪提供了位姿观测基准。通过变换标定系统各组件的相对位姿以获取冗余观测数据,采用测量平差优化技术完成了扫描仪基坐标系与自身测量坐标系间的坐标转换关系的标定。此过程在测量之前完成,降低了对测量过程的干扰。利用激光跟踪仪实现了光学扫描仪的实时位姿监测,结合基坐标系标定结果实现了局部视角测量数据的统一转换。基坐标系的标定在测量之前完成,全局标定无需中介标定装置的辅助,减少了坐标转换环节并提高了测量精度与效率。对比实验表明,提出的全局标定与测量技术可有效地控制整体测量误差,能够满足飞机装配质量的在线检测需求。     

激光跟踪仪在摄像机标定中的应用

使用激光跟踪仪标定摄像机的方法主要解决2个问题:(1)如何生成传统标定方法需要使用的控制点;(2)如何精确测量控制点的三维世界坐标。在摄像机的视场中安放一块表面平整的标定板,然后把激光跟踪仪的测量光束直接投射在标定板的表面上,在标定板表面生成的指示光斑被用作标定摄像机的控制点。用激光跟踪仪测量出标定板平面的方程,然后将测量光束看作一条直线,由测量光束和标定板平面的方程求解控制点的三维世界坐标。通过实验对该方法做了验证,实验结果表明:该方法适合标定视场较大的摄像机,而且可以获得较高的测量精度。     

基于激光跟踪仪的数控机床几何误差辨识方法

激光跟踪仪作为一种三维测量仪器在工业测量中得到广泛应用,利用激光跟踪仪采用多站分时测量方法实现数控机床几何误差的快速、高精度检测.该方法通过控制机床按设定的路径在3D空间进给,一台激光跟踪仪先后在不同的基站位置对机床相同的运动轨迹进行测量,基于全球定位系统(Global positioning system,GPS)定位原理,确定基站的相对空间位置与各测量点的空间坐标,然后辨识出机床的各项几何误差.通过建立多站分时测量机床精度的数学模型,给出多站分时测量的算法原理,并推导出机床各项误差的分离算法,同时通过仿真验证该误差分离算法的可行性.试验表明,激光跟踪仪采用多路分时测量方法在4h内完成对一台数控铣床的精度检测,并分离出铣床的各项误差,该方法具有快速、精度高等优点,在中高档数控机床的精度检测中具有一定的应用前景.     

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。     

现场双经纬仪三维坐标测量系统

分析了经纬仪透视投影模型以及双经纬仪三维坐标测量模型。采用线性与非线性相结合的方法来求解双经纬仪坐标测量系统的参数,首先由8个以上空间点在两台经纬仪投影平面内对应的投影坐标计算出本质矩阵E,通过本质矩阵E的奇异值分解以及空间绝对距离的约束采用线性方法求出右经纬仪的投影矩阵,然后建立包含空间点在两台经纬仪投影平面内投影点固有约束以及空间点三维坐标在内的目标函数,并以线性方法求出的参数为初值,采用非线性优化的方法求解最优测量系统的参数。该方法保证了求解参数为全局最优,且求解速度快。试验结果表明,该方法切实可行。     

基于标准器的大尺寸测量系统坐标统一化方法

针对大尺寸测量系统坐标统一化过程中公共点的测量误差不可控制的问题,提出了利用可现场溯源的标准器取代传统的独立公共点的方法。设计了一种标准器,并用更高精度等级的三坐标测量机对标准器上各个目标点之间的空间几何位置关系进行标定,把这些几何位置关系作为约束条件。现场应用中多站大尺寸测量仪分别测量标准器上的目标点,计算出各个几何关系与通过标定的约束关系之差,将这个差值与设定的误差限进行比较,确定公共点的测量值是否有效。对该方法进行了理论分析和仿真证明。提出了7参数坐标配准算法对大尺寸测量进行空间坐标数据配准。用激光跟踪仪和激光雷达及4个标准器进行现场实验,实验结果与传统方法相比,坐标配准误差得到降低。为了进一步验证该方法的有效性,把一根经过检定的基准尺放置于测量空间的12个不同位置,使用标准器约束前后的两组坐标配准参数分别计算基准尺长度的平均值和标准差。实验结果表明,使用标准器约束方法能够提高大尺寸测量系统坐标统一化精度。     

组合式超大尺寸测量技术在EAST装置中的应用

组合式测量技术是精密测试技术的研究发展方向之一,激光跟踪仪和柔性关节坐标测量臂都是便携式高精度三维测量系统,通过坐标转换等技术,把这两种仪器组合在一起,可实现对超大尺寸、隐藏点的高精度测量。根据EAST核聚变装置现阶段的实际情况,把这种组合式超大尺寸测量方法应用到EAST的装配定位测量过程中。利用该方法对装置进行初步实验测量,结果表明这种方法可以解决EAST核聚变装置装配过程中的复杂测量问题,能为解决如航天器、舰船、加速器等其它大型装置的精密测量问题提供借鉴。     

齿轮误差三维评定方法

研究了齿轮误差三维评定方法,以消除测量仪器定位误差对齿轮误差评定的影响,提高齿轮测量仪器的测量精度。分析了传统齿轮二维评定方法的弊端,提出将齿轮误差评定从二维评定模式转变为三维评定模式。该评定模式不再要求齿轮各项误差测量点位于特征面内,实现了三维空间内的齿轮误差测量与评定。为提高齿轮三维误差评定算法的效率,通过螺旋降维方法将三维数据降至二维数据,再对二维测量数据进行各项误差的评定。以特大型齿轮激光跟踪在位测量系统作为实验对象,对4级标准齿轮的齿廓误差进行了测量,并与传统的齿轮二维误差评定方法以及德国ZEISS公司InvolutePro软件的评定结果进行了对比。结果表明:传统齿轮二维误差评定方法有较大误差,三维齿廓评定方法与德国ZEISS公司InvolutePro软件评定结果一致,精度达到0.1μm,证明了提出的齿廓误差三维评定方法完全正确,可以消除仪器定位误差对测量结果的影响,提高了测量仪器的测量精度。     

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.     

飞机装配高精度测量控制网精度分析与构建准则

为满足飞机装配大尺寸、高精度、测量点分散的测量要求,提出了飞机装配高精度测量控制网的构建方法。该方法利用激光跟踪仪在飞机装配车间地面上布设长期保存的公共基准点,由公共基准点构成飞机装配测量控制网,建立飞机装配全局坐标系。结合近似坐标系变换和最小二乘原理,推导测量控制网的7参数误差计算式。综合利用二范数和不等式变换,研究布设误差与测量控制网精度的关系,推导布设误差传递系数。借助法方程和正定矩阵性质,证明了测量点数与测量控制网精度的关系。最后利用蒙特卡洛仿真实验给出了飞机装配高精度测量控制网的布设准则。     

Algorithm for detecting volumetric geometric accuracy of NC machine tool by laser tracker

Quick and accurate detecting the error of NC machine tool and performing the error compensation are important to improve the machining accuracy of NC machine tool.Currently,there are many methods for detecting the geometric accuracy of NC machine tool.However,these methods have deficiencies in detection efficiency and accuracy as well as in versatility.In the paper,a method with laser tracker based on the multi-station and time-sharing measurement principle is proposed,and this method can rapidly and accurately detect the geometric accuracy of NC machine tool.The machine tool is controlled to move in the preset path in a 3D space or 2D plane,and a laser tracker is used to measure the same motion trajectory of the machine tool successively at different base stations.The original algorithm for multi-station and time-sharing measurement is improved.The space coordinates of the measuring point obtained by the laser tracker are taken as parameter values,and the initial position of each base point can be determined.The redundant equation concerning the base point calibration can be established by the distance information of the laser tracker,and the position of each base point is further determined by solving the equation with least squares method,then the space coordinates of each measuring point can be calibrated.The singular matrix does not occur in calculation with the improved algorithm,which overcomes the limitations of the original algorithm,that the motion trajectory of machine tool is in a 3D space and there exits height difference between the base stations.Adopting the improved algorithm can expand the application of multi-station and time-sharing measurement,and can meet the quick and accurate detecting requirements for different types of NC machine tool.     

TIME-SPACE CONCEPT FOR PRECISION MEASUREMENT

The transformation between time and space is discussed. To improve real-time response speed of intelligent measuring system, the concept of exchanging program execution time with more circuitry is presented working in cycle mode. Displacement measuring by magnification is achieved with period measurement by magnification. To change the condition that traditional precision measurement depends on machining precision greatly, the concept of measuring space with time and theory of time-space coordinate transformation are proposed. Guided by the idea of measuring space with time, differential frequency measurement system and time grating displacement sensor are developed based on the proposed novel methods. And high-precision measurement is achieved without high-precision manufacture, which embeds the remarkable characteristics of low cost but high precision to the devices. Experiment and test results conform the validity of the proposed time-space concept.     

大尺寸带翼飞行器质心测量新方法

现有的大尺寸带翼飞行器质心测试方法在精度和效率上无法兼顾。针对该问题,提出了一种质心测量新方法,并研制了一套质量质心测试系统。该系统采用激光跟踪仪用于得到测量设备坐标系与产品坐标系的转换关系,解决了现有的小角度翻转法的原理弊端,从根本上提高了测量精度。本方法的优势在于进行产品测量时候只需测量一组产品关键点及测试设备参考点坐标,相对于现有的坐标定位-称重法,提高了测量效率。仿真结果表明,倾斜角度为15°时,质心测量标准不确定度低于1.91 mm,实验结果表明,相对于传统方法,采用本方法测得质心误差减小了1/3左右。