磁光阱异面空间角度测量及测量不确定度评定

随着空间几何量精密测量技术在装备制造工业的制造与装配过程中应用越来越广泛,角度计量正在从平面角度向空间角度发展。针对磁光阱的异面空间角度进行测量,使用平行平晶作为标准平面引出待测面法向量,并将其空间角度有效的划分成水平投影角和竖直投影角两个平面角度进行测量,保证了空间角度的可溯源性,得到磁光阱各待测面法向量间的空间角度偏差最大值为0.286 0 mrad;然后通过蒙特卡洛法评定该方法的测量不确定度为0.095 9 mrad;最后与三坐标测量机法比对结果中偏差最大值为0.184 2 mrad,在考虑待测面平面度指标为±0.145 4 mrad时,二者的一致性良好。目前该方法已在NIM5铯原子喷泉钟物理真空子系统的研制中进行了应用,证明了该方法能够满足测量的准确度要求。     

基于iGPS的煤巷狭长空间中掘进机绝对定位精度研究

为解决目前掘进机定位方法中存在的非坐标化测量、自动化程度低、易被障碍物遮挡等问题,提出一种基于室内定位系统的掘进机定位方法。该方法将激光接收器安装在掘进机机身固定位置处,通过测量激光接收器在发射站坐标系下的三维坐标,实现对掘进机的绝对定位。基于随机误差建模理论推导双发射站坐标测量的误差传导公式;针对目前室内定位系统绝对测量精度检测方法在狭长空间应用中的局限性,结合测量精度理论分析结果,提出一种适用于狭长空间的绝对测量精度检测方法。实验数据表明,双发射站测量系统在1.2m间距下,发射站与掘进机相距17m时Y轴定位精度优于10cm,X、Z轴定位精度优于2cm。     

球头铣刀高速铣削斜面的三维数值模拟研究

用球头铣刀高速铣削斜面是在三轴加工中心上加工模具时的一种走刀方式。根据球头铣刀高速铣削斜面的特点,建立了在垂直向上和向下、水平向上和向下四种走刀方式下高速铣削45°斜面,以及在垂直向下走刀方式下高速铣削30°、60°、75°斜面的三维有限元模型,以分析不同走刀方式下铣削斜面以及铣削不同角度斜面时切削力和切削温度的变化规律。模拟结果表明,在铣削45°斜面时,采用向上走刀方式较向下走刀方式的切削力幅值小、波动大,且切削温度高;采用垂直向下走刀方式铣削大角度斜面时也出现类似情况。对切削力的实测结果验证了该模型的可靠性。     

基于无衍射姿态探针和全站仪组合测量空间隐藏坐标

针对大尺度空间中构件特征隐藏区的空间坐标测量,提出了一种基于无衍射光束的测量探针,并将该探针与全站仪结合构成了空间坐标组合测量系统。介绍了探针姿态测量系统和组合测量系统的结构与原理。测量时,首先将探针测头接触于被测点,并用全站仪或激光跟踪仪瞄准探针的光学系统,测得探针的空间位置坐标。接着,使用探针将测距激光通过axicon透镜变换为无衍射光,并由CCD摄像机获得图像。由无衍射光的中心一对一映射激光的入射方向,通过无衍射光图像定中计算,获得探针的水平角和俯仰角。最后,通过电子倾角仪测得探针滚动角;联合测得各姿态角和位置坐标,通过坐标变换,计算得出被测点的空间坐标。实验显示,该探针的姿态角测量精度为1mrad,组合测量空间位置偏差为±1mm,表明基于无衍射光束的探针与全站仪所构成的组合测量系统可满足大尺度空间中特征隐藏区空间坐标测量的要求。     

用经纬仪测量大尺寸三维导轨垂直度的方法

基于经纬仪将运动直线引出来的原理,提出了一种测量大尺寸三维导轨垂直度的新方法。首先在水平直线移动的Y导轨的动基座上安装经纬仪并观察静止靶标水平角的微小变化,采用最小二乘法拟合出了经纬仪视准轴分别与运动X导轨和Y导轨平行时的水平角,继而测量了X-Y导轨间的垂直度误差。然后将经纬仪固定在地基上,通过观测水平移动导轨上靶标的竖直角的微小变化,采用最小二乘法拟合了X、Y导轨的水平度误差;通过观测与Z导轨固定的靶标水平角的微小变化,采用最小二乘法拟合了Z导轨的二维铅垂度误差,利用X,Y导轨的水平度和Z导轨的铅垂度换算出了Z-X间,Z-Y间导轨的垂直度误差。最终实现了三维导轨X-Y之间、Y-Z之间、X-Z之间的垂直度的检测,并对测量的垂直度误差进行了精度分析。在研制的月球软着陆系统垂直度的调试中进行了应用,证明了该方法能够满足测量的精度要求。     

激光跟踪视觉导引测量系统的全局校准方法

针对柔性装配中现有激光跟踪测量系统存在效率低、成本高、自动化程度低等问题,提出用单目视觉系统联合激光跟踪仪实现大尺寸组合式自主导引测量.为实现该系统的全局校准,提出了一种新的基于平面的全局校准方法,该方法通过获取靶标平面分别在视觉系统和激光跟踪仪坐标系中的平面方程,求解两坐标系间转换矩阵,完成系统全局校准.建立了数学模型,进行了算法仿真和全局校准实验.实验中测量30个不同位姿的平面靶标,并进行全局校准.结果表明,该方法操作简单,稳定性强,有实际应用价值,校准后平面法向量夹角、原点到平面距离的RMS误差分别为0.13°和1.50 mm.     

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。     

A method of the laser-television control of geometric parameters of objects with complex shapes

A mathematical model of the laser-telemetric measurement method with angular scanning was developed. It describes the measurement procedure of scanning an object at different spatial angles of the TVcamera optical axis under the control of the distances to separate points using a laser ranger. A technique for forming a digital image of a spatial object (“cloud” of points) from a flat image on the basis of the objectsurface approximation by a set of planes, which are constructed using reference points that reflected the laser beam. A device that implements the proposed method was developed.     

激光跟踪仪测角误差补偿

由于激光跟踪仪的角度测量精度直接影响仪器的测量精度,本文提出了用自准直仪结合多面棱体对跟踪仪金属圆光栅测角误差进行离散标定的方法。研究了基于谐波分析的误差补偿方法,取金属柱面圆光栅测角误差中幅值较大且相位基本不变的谐波分量建立了补偿模型,避免了最小二乘法不收敛的问题。分析了标定测角误差的不确定度,结果显示：水平测角精度补偿前后分别为1.60"和0.90",俯仰测角精度补偿前后分别为4.89"和0.91",精度分别提高了44%和81%,从角秒级提高到了亚角秒级。结果表明,提出的方法可为激光跟踪仪水平和俯仰轴系提供测角误差补偿,对类似测角系统的误差补偿也有参考价值。     

基于三维激光扫描的移动大尺寸圆柱体工件长度快速检测系统

针对移动大尺寸圆柱体工件两端的表面形貌特征,利用三维激光扫描仪设计了一种快速长度在线检测系统。基于三维激光扫描仪可在短时间内连续高速获取大量测量数据的特点,系统在虚拟环境下构造出自适应测量形状的虚拟测量基准面,采用二维误差分离方法抑制系统误差和运动误差,识别定位工件两端端点并计算其到虚拟测量基准面的位移;最后结合多传感器融合模型获取三维位移场测量结果。另外,测试前用三坐标测量机精密测量过的相似形状圆柱体工件对系统进行了校准修正。为验证系统的精度和可靠性,分别对处于（1 000±25）mm内不同直径的圆柱体工件进行了长度检测。结果显示,系统可在1 s完成直径约为50 mm工件的长度测量,检测分辨力为0.010 mm,检测精度达到0.050 mm。实际运行结果表明,该设计系统具有高自动性和高效性,可满足在线生产中对大尺寸工件控制和检测的要求。     

用动态水平基准测量系统实时测量船体横扭角和纵挠角

设计了动态实时水平基准测量系统,讨论了用该测量系统测量远望号测量船变形角的可行性及利用该系统测量船体横扭角和纵挠角的原理和误差项。依据测量船的实际需要确定了动态水平基准测量系统的关键技术指标,并分析了测量船体横扭角和纵挠角的测量精度。分析结果表明：系统对船体横扭角和纵挠角的测量误差均不大于3″,测量距离理论上不受任何限制,远大于200 m(测量船船体长度)。利用现有外场试验条件进行了码头停靠状态下远望号测量船两测量点间的船体横扭角和纵挠角测量试验,结果表明：利用动态水平基准测量系统实时测量船体横扭角和纵挠角的方法切实可行,不仅提高了测量精度,而且克服了传统的大钢管基准测量法体积大、重量沉,装调及维护困难等缺陷。实验显示,该动态实时水平基准测量系统的应用领域相对广泛。     

ANALYSIS OF METHOD FOR DETERMINING AZIMUTH OF PRINCIPAL AXIS OF INERTIA BASED ON DYNAMIC BALANCE MEASUREMENT

The dynamic balance quality of a rotating object is an important factor to maintain the stability and accuracy for motion. The azimuth of the principal axis of inertia is a major sign of dynamic balance. A usual method is measuring moment of inertia matrix relative to some base coordinates on a rotary inertia machine so as to calculate the azimuth of principal axis of inertia. By using the measured unbalance results on the two trimmed planes on a vertical hard bearing double-plane dynamic balancing machine, the dimension and direction of couple unbalance can be found. An azimuth angle formula for the principal axis of inertia is derived and is solved by using unbalance quantities. The experiments indicate that method based on dynamic balancing measurement is proved rational and effective and has a fine precision.     

高速摄像技术在微型旋翼机性能测量中的应用

提出了一种测量微型旋翼机桨距角及弹性连杆变形角度的新方法—高速摄像法。这种方法可以准确地测得高速旋转物体的角度,拍摄速度可达15 000帧/s。实验需要处理两个角度——桨距角和弹性连杆变形角度。实验中,首先对拍摄部位进行预处理,然后对微型飞行器在高速旋转时的不同状态进行拍摄,包括从正面拍摄桨距角和从侧面拍摄弹性连杆的变形角度,对拍摄到的图片进行筛选、存储并进行图像处理。图像处理部分是用MATLAB软件进行边缘检测,对比了四种不同的检测方法的效果,最后采用Canny算法。用最小二乘法拟和成直线,得到所需的角度;利用采集电路将角度与电压实时地对应起来,得到了电机电压和桨距角及弹性连杆变形角度的八组关系曲线,并对得到角度的精度进行了分析。实验证明这种方法在微型飞行器高速旋转时信号弱、干扰强、其动态特性难以精确测量情况下,可有效测量微型飞行器的变距角度。     

五角棱镜扫描系统中调整误差及制造角差的影响分析-

五角棱镜扫描系统可以实现高精度测量光学表面面形,为了全面分析五角棱镜扫描系统中的调整误差及制造角差对指向误差和测角仪测量误差的影响。根据旋转变换矩阵和光线矢量追迹理论,运用MATLAB编写通用的五角棱镜扫描系统的光线矢量追迹函数及相关分析程序。同时通过二维二次多项式拟合推导出,在一定角度范围内,用于计算指向误差和测角仪测量值的二阶近似公式。分析结果表明：在扫描测量过程中,测角仪的俯仰角和五角棱镜的制造角差对沿扫描方向指向误差和测角仪垂直方向测量值的影响是常量,五角棱镜扫描过程中的偏摆角和滚动角与其成二次函数关系;五角棱镜的偏摆角和滚动角、测角仪的偏摆角与垂直扫描方向指向误差和测角仪水平方向测量值均成线性关系。当导轨误差滚动10"、偏摆10",系统的各项调整误差为±3"时,沿扫描方向最大测角误差为0.0010666"。     

Accuracy and noise analyses of 3D vibration measurements using laser Doppler vibrometer

The in-plane and out-of-plane vibration components are used for 3D vibration measurements. The latter can be calculated by using three laser scanning vibrometers (LSVs) or by moving a single LSV to three different locations. These vibration components are calculated from the vibration signals measured at each of the three locations and the angles between the local coordinates and the LSV locations. The accuracy of the in-plane and out-of-plane vibration components can be degraded depending on the measurement angle. In addition to accuracy, the noise contained in the LSV can be amplified depending on the measurement angle. Hence, it is necessary to implement an analysis methodology for the angles, which is conducted for 2D vibration measurements first before extended to 3D. Finally, experiments are performed for both 2D and 3D at small and appropriate angles, and the elicited results are compared to those elicited using a 3D accelerometer.     

未知相对位置条件下回转体厚度的双激光检测

为了实现对大型空心回转体厚度的测量,提出了一种基于双激光位移传感器的非接触扫描检测方法。在回转体与双激光位移传感器相对位置未知的条件下,分析了由回转体安装偏心以及传感器光轴与原点不共线时所引入的测量误差,建立了双传感器信号与被测位置厚度之间的数学模型。并借助于相关理论相位差计算法、牛顿迭代法以及循环平移方法,将实际厚度值从传感器信号中提取出来。对回转体厚度检测算法的仿真实验表明,当检测信号中干扰分量的幅值不大于0.3mm时,算法检测厚度的相对误差总体保持在0.5%以内,并将此作为调整旋转台转速的依据。分析实验测量数据发现,两路信号的最大相对平移量为4;通过对数据进行偏心补偿以及平移,本厚度检测算法的测量重复性误差不大于0.05mm,可以实现在随机位置状态下对回转体厚度的高精度检测。     

基于惯性基准的大尺寸空间角测量

针对大型装备装配过程中的大尺寸空间角测量问题,提出一种基于惯性基准的大尺寸空间角测量方法并且设计了相应的测量系统。该测量系统利用自准直原理获取被测轴线方向,通过内部陀螺仪和编码器测量被测轴线在惯性坐标系中的单位向量坐标,然后根据每个被测轴线在公共基准内的单位向量坐标值实现空间角的计算。建立了大尺寸空间角测量的数学模型,并对测量系统的测量不确定度进行分析和计算。最后搭建了测量系统的原理样机并利用原理样机在实验室进行了模拟测量实验。实验结果表明,原理样机的实际测量误差为14",满足了测量精度的要求。该方法采用惯性空间作为公共测量基准,有效地解决了测量大尺寸空间角时测量基准难以建立和传递的难题,使得测量过程更加灵活、高效。     

基于光纤激光频率分裂效应的折射率 / 厚度 双参量测量研究

折射率作为光学系统中应用最广泛的光学参数之一,对系统的光学性能具有极其重要的影响。 厚度与折射率所组成的 光学长度直接影响双折射器件在光学系统中的时延特性。 本文提出一种基于光纤激光频率分裂效应的折射率/ 厚度双参量测 量方法。 该系统通过对插入激光腔内的双折射器件进行旋转,利用频率分裂效应对不同角度的器件的双折射参数进行测量。 基于双折射器件中的折射率椭球,建立相位延迟、折射率、厚度和旋转角度之间的关系,通过拟合计算得到器件的折射率/ 厚度 参数。 实验结果表明,通过该系统对双折射元件的厚度测量误差为 210 nm,本征折射率进行测量误差为 10 -5 ,可广泛应用于红 外波段的双折射器件的本征折射率/ 厚度双参量测量。     

Experimental study on acoustic vector tomography of 2-D flow field in an experiment-scale furnace

An experiment study is performed on acoustic measurement of 2-D dynamic fields in a cold experimental scale furnace. By the acoustic method, the velocity field is restored with the vector tomography from the reciprocal acoustic travel time data measured. Regarding the measuring system, piezoelectric speakers and pickups are used as transmitters and receivers, which can stimulate powerful acoustic signal resource and receive the acoustic signal stimulated from long distance respectively. A high-pass digital FIR filter is designed for the signal filtering, and the signal correlation analysis by correlation coefficient is performed to obtain accurate acoustic transit time data from the filtered simulated and received acoustic signals. In the experiments, two different cases are tested, respectively symmetric and asymmetric flow fields. To validate the flow field recovered by the acoustic method, under the same conditions, the symmetric velocity field is measured by a hot-wire anemometer at some points and simulated with CFD software, and the asymmetrical velocity field is simulated. It is proved that the flow fields recovered by the acoustic method are reasonable and reliable. As a whole, from the experiment results, the acoustic measuring system and method developed in this paper is applicable in measuring the 2-D flow field in a cold experimental set-up and similarly in cold large-scale industrial furnaces. Additionally, the extension of the method to hot furnaces is discussed too.     

液体表面张力激光快速测量法

基于插板法测液体表面张力系数的基本原理,介绍了一种利用半导体激光器及准直光学系统输出的矩形平行光束,结合线阵CCD传感器,实现液体表面张力系数快速测量的方法。通过测量激光束两边沿在液体表面的入射角来求得表面张力系数,解决了插板法测液体表面张力系数的液面上升高度和接触角检测难题,避免了人为因素的影响。推导了矩形激光束两边沿在液体弯月面的入射角与表面张力系数的关系,以及用CCD测量激光入射角的计算公式,并进行了参数设计和误差分析。结果表明:为了提高液体表面张力系数的测量精度,在满足测量条件下,应采用尽可能大的矩形激光束宽度、激光入射角和CCD相对距离。理论分析表明,当光束宽度的测量误差为5 μm时,水的表面张力系数测量精度为1%。若将光束宽度的测量误差减小到2 μm,则水的表面张力系数理论精度可达0.5%。实验结果证明了水的表面张力系数测量精度达到1%。