基于跟踪仪的空间角测量

为了解决大尺寸空间角测量中测量基准难以建立、传递的难题,提出一种基于跟踪仪的空间角测量原理,并用自准直仪结合多面棱体对其测角误差进行标定。首先利用跟踪仪测量出基准参考轴和被测轴在惯性坐标系中的单位向量坐标,然后建立空间角测量的数学模型并实现空间角的计算,同时利用自准直仪结合多面棱体标定其测角误差。最后构建了测量系统的原理样机进行测量实验。测量结果表明样机的实际测量误差为11',满足测量精度要求。该测量原理采用跟踪仪的的惯性测量基准坐标系作为公共测量基准,有效的解决了空间角测量中测量基准难以建立、传递的难题,使得测量过程变得更加灵活。     

一种大尺寸孔轴线非接触测量方法研究

为了快速,精确的获取大尺寸孔的轴线空间位置,实现轴孔组合零件的高精度装配,基于激光三角位移测量原理,提出了一种针对大尺寸孔轴线的非接触精密测量方法,据此设计出一种光学探头非接触测量系统,建立了对应的数学模型,数据处理上借助MATLAB最小二乘法实现对扫描轮廓曲线、孔中心轴线的拟合,最终得出被测孔轴线的空间位置方程,同时对测量系统进行了误差分析与补偿,该方法可以快速,高精度的获取大内径孔轴线空间位置,为后续轴-孔零件的高精度装配提供装配基准。     

大尺寸空间异面直线夹角的检测

针对实际工程中相距数米至数十米的若干几何元素之间的空间夹角,提出了大尺寸空间异面直线夹角激光检测系统的设计方案.首先,根据常见待测直线元素不同的实体存在形式,设计了相应的实体体现方法,并建立了异面夹角测量所需的公共基准;对于待测元素在公垂线方向距离很远的情况,采用单束线结构激光作为公共基准.然后,针对一个具体的工程实例,给出了系统检测框架的设计思路.最后,提出了公共基准与待测元素空间关系的获取方法.采用数字图像处理技术检测公共基准与各个待测元素构成的夹角并通过三角关系间接获得了待测元素异面夹角的检测结果.在30次系统测量中,系统重复性精度达到±0.020 85°,表明所提出的检测系统满足测量要求,验证了测量原理的可行性.     

基于多目视觉的弯管空间参数测量方法

针对大尺寸复杂弯管空间参数的测量精度难以保障、测量效率低的问题,提出一种基于多目视觉的非接触式弯管空间参数测量方法.该方法根据多目视觉原理,利用基于中心轴线的匹配方法,从不同视点获取弯管空间轴线的三维坐标,并利用边缘线计算弯管外径,最后利用三维建模技术重建被测弯管的三维模型.设计并建立了一个八目相机的弯管空间参数测量系统,测量实验证明该方法和测量系统可以实现弯管空间参数的快速测量,测量时间可控制在1 min内,两端面中心点测量误差为0.25 mm,外径测量误差为0.0721 mm,弯曲角度测量误差为0.278°.     

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。     

基于NURBS曲面拟合的特大型齿轮齿廓偏差评定

在中等尺寸齿轮测量中,通常以轴线作为测量的基准,但对特大型齿轮来说,要精确获取其轴线存在较大困难。为了特大型齿轮特征线测量问题,本文提出并采用了三维测量与评定的方法。首先利用激光跟踪仪进行被测齿轮的粗定位,获取被测齿轮与三维平台的相对位置关系;然后利用所设计的三维平台在被测齿面获取大量的数据点,对这些数据点进行NURBS曲面拟合,建立真实齿面的三维参数化模型;最后将所建立的参数化模型与理论模型相比较得到齿廓等偏差。实验结果表明,该方法在解决特大型齿轮特征线测量方面具有较好的可行性。     

非接触式扫描反射镜转角测量系统

为了提高扫描反射镜转角检测系统的测角范围,建立了基于一字线激光器和线阵CCD的高精度非接触式扫描镜角度检测系统。介绍了检测系统的结构和工作原理,该系统根据激光光斑在CCD上的位置计算扫描反射镜的转角,并利用特殊设计的阵列反射镜增大测角范围。为了降低对加工及装调精度的要求,对系统进行了误差分析,给出了采用多项式拟合法进行角度测量的理论依据。讨论了影响系统检测精度的一系列误差源,计算了系统测量的总误差。最后进行了相关的测量实验。实验结果表明：系统的检测系统分辨率为2.5",测角范围为11°,测角精度可达3",可以满足扫描反射镜对角度测量系统提出的高精度、非接触、大测角范围的要求。     

大直径内孔自动测量机构倾斜度测量研究

为了实现对大直径内孔自动测量机构倾斜角度的连续、自动测量,建立了倾斜度测量系统.系统主要由半导体激光器、光学系统与位置敏感探测器(PSD)等元件组成,以激光光束和光学系统光轴分别表征被测机构的参考轴线与大直径内孔的轴线,同时PSD测量经过光学系统折射后激光光点的位置,由此测量两轴线构成的夹角,确定机构倾斜程度.论文分析了系统的测量误差,并进行了相关的实验,对测角误差进行校正,结果表明:系统的测角精度为±0.02°,分辨率为0.000 3°.系统稳定可靠,能够基本满足测量机构在大直径内孔中倾斜度测量的要求.     

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。     

大尺寸轴孔类零件热装配轴线的非接触测量

为了保证大尺寸轴孔类零件的热装配质量,基于非合作式激光相位测距技术和曲线拟合技术,提出了一种针对大尺寸轴孔类零件热装配轴线位置测量和重合调整的方法,建立了轴孔类零件装配轴线的测量模型,给出了两装配轴线重合调整理论参数依据,并对轴线测量系统进行了误差分析,最后运用Matlab对利用该测量方法采集的装配轴线的可靠性进行了仿真验证。验证结果表明:利用该测量方法得到的轴线在一定条件下可以作为被测轴孔类零件的理想轴线。     

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。     

摆臂式非球面轮廓仪的原理与试验

介绍了一种新颖的非球面轮廓仪的测量原理和测量试验,它通过测量非球面与某一参考球面之间的偏离量来唯一确定非球面的面形误差,通过调整测量臂长以及回转轴线与光轴之间的夹角实现对不同非球面的测量。系统主要由高精度两维转台,高刚度测量臂,四自由度微调系统和高精度扫描测量传感器组成,并分别在VC++6.0与MATLAB平台上开发了测控软件以及数据处理软件。该测量方法的优点是测量所需传感器量程小,测量运动为一个简单的回转运动;缺点是测量调整自由度多,校准困难。建立了测量系统的数学模型,通过测量数据与名义面形之间的非线性优化,在获得面形误差的同时获得了非球面面形参数误差。通过测量多条截线实现了对非球面面形的全口径检测。最后对直径200 mm,顶点曲率半径1 400 mm的凹形抛物面镜进行了测量,结果表明,系统重复精度优于0.8 μm,精度优于1 μm。     

使用高精度三坐标测量仪实现透镜定中心

传统的光学测量定中心法受限于光源、转台大小和装调误差传递性而不适用于大口径、多透镜光学系统的装调,为此本文提出了使用三坐标测量仪接触式测定透镜中心的精密机械测量法。介绍了使用三坐标测量仪测量大口径透镜中心偏的原理,即在测量透镜上表面与基准轴等距离各点坐标的基础上拟合得到透镜光轴与基准轴的夹角,从而解算出透镜的中心偏。通过大口径长焦距镜头的装调对该方法进行了检验。检验结果表明:该透镜的装调偏差为6.47″,重复性误差为(1.16×10-4)″。该方法将光学测量变为机械测量,利于装调,可在保证装调精度的同时简化装调难度,提升装调效率,满足大口径多透镜光学系统对高精度装调的要求。     

大型望远镜测角系统误差的修正

由于大型望远镜转台轴系对测角精度要求较高,本文研究了测角数据系统的误差修正技术。分析了测角数据误差产生的原因,对测角元件误差、安装误差、被测轴系误差进行了讨论,指出轴系测角分系统的误差规律符合谐波方程,故提出采用谐波方程式来表达误差规律。针对工程应用,建立了基于傅里叶级数的简化谐波方程误差公式,用谐波方程算法和多项式拟合算法对系统误差进行修正。在一个望远镜垂直轴转台进行了试验验证,结果显示测角精度峰值由原来的3.81″提高到了1.06″。实验表明,基于傅里叶级数的修正算法,较好地符合误差分布规律;采用系统误差修正技术,可以对系统综合误差统一修正,能够有效提高系统测角精度。     

飞机三维姿态测量的角平分线方向向量法

基于交会测量提出了一种飞机三维姿态测量的新方法—角平分线方向向量法。对交会图像进行边缘检测和特征线提取,获得飞机两机翼边缘特征线上适当两点的坐标,经两次坐标转换到特定坐标系下;联合经纬仪参数及跟踪的俯仰、方位角,解算机翼边缘特征线在特定坐标系下的方向向量,利用飞机结构的对称性,在机翼特征线平面求解其两条角平分线方向向量;重构飞机中轴线及其同面垂线的方向向量;据此计算出飞机的俯仰、偏航和滚动三维姿态。利用两台光电经纬仪交会跟踪飞机的眼镜蛇机动飞行表明提出的方法稳定、实用,只要图像上机翼边缘线成像清晰,测量的姿态角误差不会超过1°。此方法不仅可为靶场光测设备跟踪图像的处理提供一种新途径,而且可为其他运动目标的姿态测量提供借鉴。     

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。     

激光三角法在锥管螺纹轮廓测量中的应用

设计了基于激光三角测量原理的锥管螺纹轮廓测量系统,以非接触扫描的测量方法实现螺纹轮廓的自动测量。系统以ADu C845单片机为核心,采用激光三角位移传感器、精密丝杠和编码器分别获取螺纹垂直(Y轴)和水平(X轴)方向的原始数据,进而得到螺纹轮廓的坐标值。对数据进行相应的滤波和处理后综合得到螺纹轮廓,通过参数的算法模型得出螺纹的牙高、螺距和锥角等参数。     

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。     

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。