采用柔性铰链的快速反射镜设计

根据激光发射系统对快速反射镜发射方向精度的需求,提出了一种新型快速反射镜设计方案。该方案以柔性铰链为运动传递元件,采用直线音圈电机驱动,并用高精度光栅测微仪实现位置闭环控制。首先,介绍了反射镜工作原理及驱动方式,选择了系统的驱动元件和测角元件,并对柔性铰链结构进行设计。在研究其刚度特性的基础上,采用序列二次规划法优化了铰链关键尺寸。然后,建立了驱动组件的简化模型,并利用理论公式和有限元分析软件分别计算驱动组件的转角精度。最后,使用测角元件及自准直平行光管测量了快速反射镜的转角精度。实验结果表明：所设计的快速反射镜装置工作稳定、结构可靠,对发射光束的控制精度能达到0.95",满足激光发射系统实时控制光束发射方向的精度要求。     

CCD分段测量的光学位移测量系统

为了高精度地实现大量程的位移测量,采用传统激光三角法的测量原理,提出一种基于虚拟探测器的激光三角法来测量位移。该方法基于3个CCD分段测量的思想,将3个CCD互相独立且沿光轴均匀分布,以此扩大传统方法测量的范围。使用平面反射镜作为虚拟探测器进行探测,当成像光束经平面镜反射后在CCD上成像时,系统相当于增加了一个CCD,扩展了测量量程。由准直系统、偏振片、光阑组成准直滤光系统,缩小探测器光敏面上像点的直径,减小被测表面非理想光点对测量精度的影响,从而实现了较高精度下的大位移测量。最后通过实验验证了方法的可行性。     

莫尔条纹测量扭转变形角的方案研究

提出了一种基于双光栅干涉产生莫尔条纹测量扭转角的高精度光学测角方法.为了验证莫尔条纹测量设备间扭转变形精度的有效性,进行了方案设计及实验分析.采用平行光管模拟设备,通过微调机械结构调节平行光管的扭转角来模拟三维物体的扭转变形,在独立的地基平台上进行了方案设计测量实验,并通过实验比较了不同的设计方案.选择的实验方案首先使CCD靶面在平行光管内像面处安装固定,然后采用滤波细化等图像处理方法得到采集到的莫尔条纹的宽度,进而根据条纹宽度变化通过数学模型计算出扭转变形量.实验结果表明,当微调机构使平行光管在±7'的视场内旋转时.该方案可以得到较为清晰的莫尔条纹图像,经过算法处理后,当莫尔条纹宽度为1 615～1 712μm时,扭转角的测量精度为4.3"(3σ).该方法满足了设备间扭转角高精度测量的要求,为提高光电测量设备的测量精度奠定了基础.     

基于莫尔条纹测量扭转变形角的方案研究

为了精确检测大型光电测量设备之间的三维变形,提出了基于双光栅干涉产生莫尔条纹测量的一种高精度光学测角方法。采用平行光管模拟设备,通过微调机械结构调节平行光管的扭转角来模拟三维物体的扭转变形,在独立的地基平台上进行测量实验。通过实验比较不同的设计方案,采用使CCD靶面在平行光管内像面处安装固定的实验方案;并采用滤波细化等图像处理方法对采集的莫尔条纹进行处理得到条纹宽度,进而根据条纹宽度变化通过数学模型计算出扭转变形量。实验结果表明,当微调机构使平行光管在±7'的视场范围内旋转时,该方案可以得到较为清晰的莫尔条纹图像,经过算法处理后,当莫尔条纹宽度在1615~1712 范围内时,扭转角的测量精度为4.3"(3 )。该方法满足了设备间扭转角高精度测量的要求,为提高光电测量设备的测量精度奠定了基础。     

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。     

车载激光系统光束控制反射镜角位移测量装置

为了使快速控制反射镜(FSM)能在车载、舰载等运动环境下稳定工作,并具有很高的控制精度,研制了一套高精度角位移测量装置,该装置通过精确地提供反射镜摆角信息作为系统的反馈信号来实现伺服闭环控制.针对传统快速控制反射镜位置信息反馈传感器的精度低以及不适于动载环境等缺点,采用田字裂相信号提取方法设计了基于莫尔条纹计数测量原理的精密光栅,并通过计算机进行仿真分析设计了具有抗干扰能力和耐高低温变化的绝对零位信号,其对比度达0.25.对信号处理电路进行高度集成,实现了小型化.实验结果表明,反射镜角位移测量装置测量的反射镜角分辨率为0.15″,测角精度优于0.4″,完全能满足机动式条件下,高能激光发射系统对FSM控制精度的要求.     

快速空间测角系统中偏振棱镜消光比的影响

为了在一定平移范围内实现快速空间测角系统的测量功能,对一定入射及方位角的光束经过Glan-Taylor棱镜后导致的非均匀分布的消光比参数引起的系统测角误差进行了研究。首先,建立系统坐标系模型,采用光线追迹法及偏振光的琼斯矩阵描述方式,对格兰-泰勒棱镜消光比参数引起的测角误差进行了理论推导;接着,结合一定入射及方位角下非均匀分布的消光比参数,运用Matlab软件进行了仿真分析。最后,通过搭建实验平台,利用平移接收单元来模拟不同的入射方位及角度变化;根据实验值与仿真结果的对比分析,得出非均匀分布的消光比对测角精度的影响。结果表明,在一定的出射光范围内,入射角是影响消光比非均匀分布进而影响系统测角精度的主要因素,当方位角为90°时,系统测角误差较小;全方位角范围内系统测角误差随入射角的增大而显著增大,由此验证了理论分析的正确性。该研究成果对优化测角系统结构并进一步提高系统性能具有一定的指导意义。     

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"。     

精密减速器角位移测量系统设计

为了实现对精密减速器输入端和输出端角位移的精密测量,建立精密减速器角位移测量系统。对该系统的机械结构、角度测量及标定方法、基于非线性最小二乘法的误差补偿模型进行研究。通过"立式筒状"结构和圆光栅角度传感器"前置"避免了传统检测仪的弱刚度结构和轴系形变对角度测量造成的影响。使用光电自准直仪与24面棱体结合的方式离散标定圆光栅角度传感器的角位移测量误差,研究基于谐波分析的误差补偿方法,对角坐标进行补偿,进一步消除误差。实验结果显示,通过优化检测仪的结构设计,角位移测量精度达到±7″;误差补偿后,角位移最终测量精度达到±2″,满足减速器角位移测量的高精度要求,对类似测角系统也有参考价值。     

螺纹参数自动检测系统设计

针对传统的螺纹检测方法检测误差大、效率低等特点,开发一种基于数字图像处理的螺纹参数自动检测系统。首先,通过CCD摄像机获取螺纹外轮廓的数字图像;然后对图像数据进行加工和处理;最后计算得到螺纹联接的相关几何参数,并对标准螺纹试件的螺纹夹角、螺距和中径等参数进行了测量。测量结果表明,螺纹参数符合测量精度要求。该系统可以实现螺纹的高精度检测,扩大了视觉检测的应用范围。     

“高分二号”上相机和星敏感器相对安装姿态的测量

为了精确测量"高分二号"(GF-2)卫星上相机和星敏感器的相对安装姿态,建立了一套高精度自动化测量系统。针对该系统研究了基于多传感器数据融合的高精度测量算法、基于理论安装数据驱动的自动测量模型、以及基于图像识别的立方镜法线搜索算法。该测量系统主要由二维龙门导轨、精密转台和CCD成像辅助准直的自准直经纬仪构成,通过融合精密转台的转动角度、自准直经纬仪的俯仰角和偏航角等数据计算被测设备安装姿态角度。测量时需先对系统进行标定,制定自动测量规划,然后通过电机驱动使设备自动到达预定位置和角度进行测量。若星上设备安装偏差较大导致被测对象超出自准直经纬仪测量范围时,可启动CCD相机对被测对象局部区域进行搜索识别,并引导自准直经纬仪实现精确准直测量。对测量系统进行了实验验证,结果显示:该系统姿态测量精度可以达到5″,与标准值比对最大偏差为4.1″;该测量系统已用于GF-2卫星的相机和星敏器相对姿态测量中,重复标准差最大为3.5″,满足GF-2对机上设备安装姿态测量精度的需求。     

一种非接触三维位置测量系统

某型导弹填装车为发射车自动装弹前,需要获得两车之间精确的相对位置关系参数.介绍了一种非接触三维位置测量系统,该系统由一组面阵CCD探测器、实时图像处理及快速数据解算系统组成,对三卤钨灯目标与测量系统之间x、y、z、α、β、γ的相对位置关系进行测量,介绍了测量原理,推导出了参数计算公式.实验表明,此系统测量精度满足用户要求,为非接触三维位置测量提供了新的思路.     

基于时间参考点的差动式线阵CCD位移传感器

为了将线阵CCD应用于实际工程的大尺寸位移测量,利用线阵CCD像元空间与输出时间的对应关系,提出了一种差动式测量的线阵CCD位移传感器测量系统。分析了线阵CCD位移测量存在的问题,结合线阵CCD中像元空间与驱动脉冲之间的对应关系,提出一种以时间为参考点的差动式测量方法。该方法用两个空间上对齐、时间上错开半个积分周期的线阵CCD检测透光挡板上等间距分布的透光光线的位置变化;通过计算两个CCD上输出光信号的时间差,用匀速扫描测量原理实现对空间位移的测量。用雷尼绍激光干涉仪对所研制的线阵CCD位移传感器进行了校准,结果显示：在有效测量范围（600.05 mm）内,经过修正后的测量误差可控制在±2 μm以内,验证了用差动法实现线阵CCD大尺寸精密位移测量的可行性。     

光电测量系统畸变的实时数字校正

根据视场角为70°的大视场光电测量系统中光学系统产生畸变的机理及径向变化的特点,设计了由11个等距激光目标点组成的畸变检测装置。对于不同的光学测量系统,按照畸变检测的三个步骤对光学系统的畸变进行检测,根据测量得到的系统畸变变化情况,拟合出实时测量时目标点在线阵CCD上成像位置的补偿方程,编写出成像位置数据采集及实时处理的补偿程序,提高了测量系统实时测量的精度。在对焦距为29.98 cm的光学系统进行实际校正测试中,结果表明,当目标物距为1 651.59 mm、物高为400.007 mm时,按照拟合的二次补偿方程进行计算补偿,可将畸变误差从校正前的-0.026 4 mm提高到校正后的-0.002 9 mm,并使系统整体检测精度从0.36%提高到0.04%。     

图像技术在微小零件几何尺寸测量中的应用

介绍了一种基于CCD图像的微小零件几何尺寸测量系统;给出了利用数字图像处理技术进行几何尺寸非接触测量的方法,主要包括图像的采集、预处理、二值化、边缘检测及轮廓提取等,从而得到被测物体参数的精确结果,并对测量精度进行了分析。通过实例证明了该方法的可行性和正确性。     

A high-precision five-degree-of-freedom measurement system based on laser collimator and interferometry techniques

A novel sensitivity improving method for simultaneously measuring five-degree-of-freedom errors of a moving linear stage is proposed based on collimator and interferometry techniques. The measuring principle and parameters of the system are analyzed theoretically. The experimental results proved that the resolution of the linear displacement of the proposed method has twice that of the current linear interferometer, and the resolutions of the two-dimensional straightness error measurement can be improved by a factor of 8 compared with the movement of the retroreflector itself by using multireflection and lens magnification. The resolutions of the pitch and yaw angular error measurement have been improved by a factor of 10 compared with the rotation of the plane mirror itself by using expander lenses. The whole measuring system is characterized of simple structure, small volume, and high precision. The moving component of the measurement system is wireless, which eliminates the errors and inconvenience introduced by the wire connection. Calibration and comparison tests of this system compared with Renishaw laser interferometer system have been carried out. Experimental results show good consistency for measuring a linear guide way.     

图像式角位移测量的光栅偏心度监测系统

图像式角位移测量装置中,光栅的安装偏心标定结果直接影响着角位移测量的精度。为此,本文设计了一种用于调试图像式角位移测量装置光栅偏心度的系统。首先,根据图像式角位移测量机理,提出了基于线阵图像传感器的标定光栅偏心度监测原理;然后,在图像传感器上建立了偏心调试监测信号的模型,并提出存在偏心时偏心监测信号的变化机理;最后,对某型号角位移测量装置进行了实验,并给出了调试建议。实验表明,经过调节误差均方差由1017″降低到12.8″。本文设计的偏心监测系统能够实现对标定光栅的高精度安装调试,提高了图像式角位移测量装置的批量生产效率。     

基于球形目标的激光位移传感器光束方向标定

搭建了非接触式的三坐标测量系统以便精密测量三维型面。将激光位移传感器通过具有两个回转轴的回转体安装在测量机的Z轴上,从而可根据待测表面的形状来调整传感器的方位。为了使传感器在各个方位上实现测量功能,提出了基于球形目标的光束方向标定方法,并详细阐述了其数学原理。标定时,驱动测量机使传感器分别沿测量机的X,Y和Z轴做等间距步进,根据步长和激光束长度的变化建立方程组求解出激光束所在直线的单位方向向量。最后,多次测量尺寸参数已知的六面体标准块规,检验了该测量系统的重复性。结果显示,该系统的测量不确定度为0.048mm;测量另一直径已知的被测球时,传感器在各个方位上的误差小于0.05mm,表明所提出的标定方法使测量系统达到了逆向工程的使用要求。得到的数据表明,本文所提出的方法有较高的标定精度和较好的重复性,为实现三维型面的快速扫描测量奠定了基础。     

分体式激光扩束系统平行度测量装置的设计

为精确测量强激光发射系统中高功率激光经分体式扩束系统后光束的传输方向,设计了一种新型分体式扩束系统输出光平行度测量装置.根据高功率激光分体式扩束系统及红外激光的特点,该装置采用高分辨率红外CCD作为监测成像设备.采用轻质高刚度的优质铝合金对装置的机械结构进行了设计,切换部件搭载在高精度线性位移平台上.基于高分辨率CCD和精密线性位移平台,该装置可较好地完成动态和静态测量.测试结果表明,该平行度测量装置工作稳定、可靠,测量精度优于2.0″;装置设计合理,实用,可为扩束系统的装调及应用提供可靠依据.