激光跟踪测量（共8篇）
激光跟踪测量 篇1
0引言
激光跟踪测量系统源于机器人计量学,它是计算机技术、电子技术、精密机械、控制技术相结合的产物[1],是一种新型的无导轨型坐标测量系统[2]。
激光跟踪测量系统按其跟踪头数量和工作原理可以分为三种: 单站式球坐标法、双站式三角法和多站式距离交会法[3]。单站式球坐标法的典型应用是一站式激光跟踪仪[4],测量一个长度值和两个角度值,从而计算出点空间坐标值。目前,瑞士Leica公司最近推出的LTD840激光跟踪仪带有T-Probe及T-Scan功能,测量范围可达40 m,美国API公司生产的3D/6D激光跟踪仪精度可达5 ppm[5,6]。双站式三角法的典型应用是经纬仪系统,利用完全相同的两台经纬仪通过对点的方式测量纯角度值,英国Surrey大学采用两台空间相对位置经严格标定的激光跟踪仪作为测量基站,由空间角度关系计算了被测点三维坐标[7]。多站式距离交会法的典型应用是全站仪,采用多路激光以不同角度跟踪测量被测点到测站间的距离,计算空间点信息,日本国家计量研究院建立了四路激光跟踪干涉测量系统[8,9],2009年清华大学刘永东博士设计了三站激光跟踪坐标测量系统[10]。
本课题研究的激光跟踪测量系统结合单站式球坐标和双站式三角法的优势,设计一种基于三角法的一站式PSD激光跟踪测量系统。通过利用三角法原理设计测量系统本体和测头部分,系统本体利用步进电机带动转镜使激光光斑移动,测头部分主要采集数据。 本研究应用VC + + 6. 0软件在上位机开发基于对话框的可执行控制程序,下位机采用两个STM32微处理器,其中一个处理采集来的数据并通过射频模块无线发送,另外一个微处理器则接收发送的数据并通过串口传给上位机。由上、下位机共同组成该激光跟踪测量系统的控制系统。
1工作原理
三角法测量原理如图1所示。
距离 L—固定已知常量; α1,α2,β1,β2—系统测量过程中,为已知参数; P—测头部分上的靶标点
笔者研究的激光跟踪测量系统左、右转镜之间的距离为固定已知常量L,测量过程中步进电机带动转镜运动,测得左、右转镜的转角分别为 α1,α2,β1,β2,经过左右转镜的激光束在测头上交会,该交会点即为靶标点P。通过解三角形可得:
或
式中: α1,α2—测得的水平方向角度值; β1,β2—测得的竖直方向角度值; L—固定的已知常量。
2工作流程
基于三角法原理设计的激光跟踪测量系统结构如图2所示。该测量系统结构包括系统本体和测头部分两个单元。系统本体上主要是步进电机带动转镜运动,以改变激光光斑在空间的坐标位置。测头部分装有位置敏感探测器( PSD) 以采集激光光斑在PSD上的位置信息,并内嵌了各种电子模块对采集的数据进行处理。笔者研究的激光跟踪控制系统也相应的分为两个部分,上位机采用工控机IPC、运动控制卡PCI8134实现对系统本体上步进电机的运动控制,下位机以嵌入式微处理器STM32为主控制器,配合运放模块、A/D转换模块、射频模块等电子设备处理PSD传感器的数据并无线发射。
上位机控制系统主要由控制器、驱动单元、执行单元组成,控制系统流程如图3所示。工控机通过PCI总线与运动控制卡PCI-8134进行通信,通过调用运动控制卡的库函数来实现对步进电机的运动控制。
下位机控制系统主要由信息采集单元、数据处理单元和各电子模块组成。控制系统流程如图4所示。
下位机分为信息的发送方和接收方,均以微处理器STM32为主控制器。发送方位置敏感检测器PSD采集激光光斑在PSD上的重心位置信息,并将采集的模拟信号传送给PSD处理板SPB100进行放大处理, 经PSD处理板输出的放大的模拟量不能直接传送给微处理器STM32处理,必须经过 模/数转换模 块AD7606将输出的模拟量转变成数字量在传给微处理器,虽然微处理器STM32本身带有多个通道的A/D转换功能,但是受电压的限制,STM32的参考电压是3. 3 V,而PSD处理板的输出模拟电压在正负10 V的范围,所以PSD处理板的输出模拟电压不能直接送到STM32处理,同时,陀螺仪MPU6050通过UART不断的向微处理器发送采集的测头角度信息,最后经过微处理器处理的数据通过SPI总线传给频率为2. 4 GHz的射频模块NRF24L01进行发送。接收方射频模块NRF24L01接收发送端发送的数据,并通过SPI总线将接收的数据传送给微处理器STM32,微处理器接收到射频模块传送过来的数据便立即通过UART经UART转USB模块传送给工控机IPC。
3系统硬件设计
3.1运动控制模块
运动控制单元主要是运动控制卡连接步进电机驱动器以驱动步进电机,该控制系统采用的是凌华PCI8134系列四轴步进和伺服运动控制卡,它具有32位PCI总线,即插即用,输出脉冲频率最高可达2. 4 MHz, 通过调用运动控制卡自带的动态链接库函数即可实现对步进电机精确可靠的运动控制功能。运动控制卡通过PCI总线与工控机通信,并向外引出了接线端子,运动控制卡与电机驱动器单轴的连接示意图如图5所示,其他轴的连接与此类似。
3.2主控制器模块
控制系统采用的微处理器为STM32F103C8T6, ARM 32-bit Cortex-M3 CPU主频高达72 MHz,片内提供了多个通信接口,包括2个IIC接口、3个USART接口、2个SPI接口、1个CAN接口和1个USB接口。该处理器最小系统的引脚定义如图6所示。图6中只给出了要用到的引脚描述。端口PA2、PA3分别与陀螺仪MPU6050的RX、TX连接,用于读取陀螺仪绕三轴旋转的角度、角速度和角加速度。PA4、PA5、PA6、PA7是STM32的SPI1片内外设接口,分别与无线射频模块的SPI口连接,用于将STM32处理的数据通过无线方式发送。端口PA0、PA1、PA8、PA11、PA12、PB13、 PB14与模数转换模块AD7606连接,PA0用于选择转换范围,PA1提供片选信号,PA8提供开始转换信号, PA11用于复位,PA12提供是否正 处于转换 状态, PB13提供时钟信号,PB14用于数据传输。
3.3陀螺仪模块
陀螺仪安装在激光跟踪测量系统本体和测头部分,其作用是读出本体和测头三轴的角度值,通过对比得出测头和系统本体的相对角度值,用于后续的误差补偿,以提高测量提供的精度。陀螺仪模块如图7所示。
陀螺仪与MCU既可以采用串口通讯,也可以利用IIC接口通讯,这里采用串口通讯方式。MPU6050不断的向MCU发送信息,其输出的每帧数据分为3个数据包,分别为角度包、角速度包和角加速度包,3个数据包通过包头提供的标识信息进行区分,若包头数据为0X51则接收的数据为角度信息,若包头数据为0X52则接收的数据为角速度 信息,若包头数据为0X53则接收的数据为角加速度信息。上位机设置波特率为115 200 bps,每隔10 ms输出一帧数据,通过判断包头标识得到角度信息,对角度包进行解析得出系统本体和测头绕三轴旋转的角度。
3.4无线通讯模块
本研究采用无线通讯模块NRF24L01如图8所示。其工作频段为2. 4 GHz ~ 2. 5 GHz,内置数据链路层,SPI口通讯方式,自动应答及自动重发功能,地址及CRC检验功能。该模块共有两个,分别用于数据的发送和接收,其通讯接口是一样的,可通过软件设置工作模式。无线传输的数据为PSD传感器采集的位置信息和陀螺仪角度信息,将其打包成一个数据帧,共27个字节,采用自动应答和自动重发功能,选择通道0进行数据的发送和接收。
发送数据时,系统将配置寄存器位PRIM_RX置低,使NRF24L01工作在发送模式,接收节点地址TX_ ADDR和有效数据TX _ PLD通过SPI口写入TX _ FIFO,设置CE位为高,启动发射。发送完数据后,系统将通道0设置为接收模式来接收应答信号,若在有效时间内接收到应答信号,则状态寄存器TX_DS位置高并将数据从TX_FIFO清除,若未接收到应答信号, 则重新发送数据。当需要接收数据时,系统将配置寄存器位PRIM_RX置高,使NRF24L01工作在接收模式, 配置EN_RXADDR寄存器使能接收通道0,配置EN_AA寄存器使能自动应答功能,配置RX_PW_P0寄存器选择有效数据宽度为8位,设置CE位为高,启动接收。接收到数据后,系统将数据存储在RX_FIFO中,同时RX_ DR位置高,并产生接收中断,发送确认应答信号,MCU将数据以合适的速率通过SPI口将数据读出。
3.5PSD模块
PSD传感器及处理电路如图9所示。
本研究采用方形二维Si Tek 2L20 PSD,位置非线性最大 ± 0. 8% ,测量精度可达1 μm,当有激光光斑照射到光敏面上时,PSD会产生光电流,光电流经4个电极引脚引出,经PSD处理板处理。PSD处理板采用Si Tek SPC02,该电路包括了电流电压并放大电路、加减法运算、除法运算等功能,将光电流转化成只有X、Y独立的两路电压模拟信号输出。
4系统软件设计
上位机软件是在VC + + 6. 0环境下编写的程序,主要由运动控制部分、与下位机通讯部分和数据处理显示部分3部分组成,上位机图形用户界面如图10所示。
运动控制部分采用PID控制算法实现了对步进电机的控制功能,包括初始化设置,绝对运动控制和相对运动控制。初始化设置是开始测量前对测量参数进行选择,例如测针长度、测量时间间隔等; 绝对运动控制通过输入电机位置对电机进行控制,实现了电机运动位置的粗调; 相对运动控制通过设置参数和方向按钮对电机进行控制,实现了电机运动位置的微调,PSD激光跟踪程序主要采用逐次逼近算法,分别让两束激光轮流交替向PSD传感器坐标原点靠近,并不断重合在PSD坐标原点处,实现自动跟踪功能。与下位机通讯部分实现了接收下位机传输的数据信息的功能,下位机通过串口转USB接口模块与工控机IPC连接,将采集的陀螺仪角度信息和激光光斑在PSD上的位置信息传输给该程序。数据处理显示部分实现了数据运算处理并显示的功能,首先该程序测得的激光光斑转角信息代入坐标计算公式,对陀螺仪角度信息解码,将接收的PSD处理器电压值转换成位置量,并将这些数据信息在图形用户界面上输出显示。
下位机软件部分用Keil编写,将程序烧入微控制器实现控制功能。下位机程序主要由陀螺仪MPU6050模块、模/数转换AD7606模块、无线射频NRF24L01模块、串口通信模块等子程序组成,下位机控制系统框图如图11所示。
MPU6050模块子程序实现串口接收数据包,判别角度数据包并解码。AD7606模块子程序实现MCU通过GPIO口对AD转换进行控制,通过SPI口接收转换的数据。NRF24L01模块子程序实现通过SPI通信对射频模块的控制和数据的发送接收。串口通信子程序实现USART协议收发数据。各个模块子程序通过嵌入式实时操作系统UCOS进行任务的调度和数据通信,使系统更可靠、稳定。
5实验及结果分析
被测对象选用某涡轮转子叶片,被测对象如图12所示。
测量装置如图13所示。
笔者在测量时将其10 × 10等分,测得部分数据如表1所示。
以上数据显示了该测量系统和三坐标测量机的实验结果。数据显示,该测量系统的实验精度大约在亚毫米级,基本满足大尺寸坐标测量的要求。影响测量系统精度的主要因素包括激光初始对零位置、传感器精度、信道存在干扰等因素。在改善测量环境的基础上, 系统精度有较大的提升空间。
6结束语
通过对激光跟踪仪、双站式经纬仪及多站式全站仪等坐标测量系统进行研究,本研究结合单站式球坐标和双站式三角法的优势,设计了PSD激光跟踪控制系统,光路的瞬间遮挡不会对测量产生影响,避免了采用昂贵的激光干涉系统,测量前只需光斑对零,避免了经纬仪系统相互定位; 开发了基于对话框的图形用户界面,并加入了嵌入式控制系统,利用嵌入式实时操作系统 μC /OS进行任务调度和同步通信,在实现激光跟踪测量功能的同时,使控制系统的稳定性和可靠性得到了提高。
通过大量的测量实验证明,该控制系统可成功应用于激光跟踪测量。
激光跟踪测量 篇2
光电跟踪仪激光测距器性能检测方法研究
介绍了光电跟踪仪激光测距器的.特点,提出了其重要性能指标一测距能力和精度的检测方法.采用半实物仿真技术测试反映测距能力的消光比参量;采用精密延时法,实现了测距精度的测量.检测装置的耦合透镜部件放置于平行光管靶面,容易与测试光电跟踪设备其它模块的装置进行集成.
作 者：陈坤峰 史学舜 CHEN Kun-feng SHI Xue-shun 作者单位：华东电子测量仪器研究所,山东,青岛,266555刊 名：宇航计测技术 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTIC METROLOGY AND MEASUREMENT年，卷(期)：28(3)分类号：P127.1 TN919.3关键词：光电跟踪仪 激光测距器 测距能力 测距精度 精密延时法
激光跟踪测量 篇3
1激光跟踪测量技术
激光跟踪仪为集激光干涉测距技术、光电检测技术、精密机械技术、计算机技术、现代数值计算理论等于一体的新型测量仪器[2], 通过数字化设计模型提取的理论数据与测量获取数据的比对评价, 实现零组件、部件外形的精确测量。激光跟踪仪是基于球坐标系的空间坐标测量机, 可实现目标的静态坐标测量和动态轨迹跟踪。目前使用的Leica AT901-LR激光跟踪仪的测量范围已达160m, 测量精度达到15μm+6μm/m。激光跟踪仪测量原理如图1所示, 即通过测量一个长度和两个角度 (一个方位角、一个高度角) 来确定被测点的三维坐标:设跟踪器的旋转中心和被测靶镜的中心分别为O点和P点。两个角度编码器可分别测量出P点的水平方位角α和垂直方位角β, 激光干涉仪可测得O点到P点的距离D, 那么P点坐标 (X, Y, Z) 可由下列公式计算得出:
2基于激光跟踪仪的典型零组件外形测量
某发动机舱罩后段上盖组件如图2所示, 根据设计要求对其外形进行测量并进行分析。
2.1测量任务分析
测量任务分析主要包括该发动机舱罩后段上盖组件采用的测量方式, 测量对象和对应测量对象处的公差要求, 然后设置相应激光跟踪仪的站位, 完成该发动机舱罩后段上盖组件的测量。
2.1.1测量方式
该发动机舱罩后段上盖组件外形由于其刚度不够, 在型架上组装完后会产生一定的变形, 因此测量方式主要采用架下测量, 即在组装完成后先在架上测量合格后, 然后取下并在型架下再进行检测。架下测量采用粗定位和精确定位两步完成测量坐标系到装配坐标系的转化。
2.1.2测量对象及公差要求
该发动机舱罩后段上盖组件的测量对象是其整个外形, 公差要求是整个外形的公差要求是1.5mm, 且超出误差范围内的点不得超过总数的8%, 最大超出点的误差不大超过要求的120%, 即最大超差点的误差应在±1.8mm内。
2.1.3站位设置
Leica AT901 LR激光跟踪仪的测量范围已达160m, 测量精度达到15μm+6μm/m。同时考虑到激光跟踪仪布站原则, 激光跟踪仪设置在该发动机舱罩后段上盖组件的中间, 距离为2.5mm左右处。
2.2测量方案实施
2.2.1粗定位
将该发动机舱罩后段上盖组件stp格式的CAD模型导入到计算机测量软件中。此CAD模型包含零组件及部件的MBD数字化定义模型。在此CAD模型上选取六个特征点如图2所示, 此六个特征点应尽量包括该曲面的所有特征, 且要限制住此型面的六个自由度。然后在设置好的激光跟踪仪站位下, 测量此六个特征点, 通过最小二乘法完成该发动机舱罩后段的初步对齐。
2.2.2精定位
六点粗定位后, 该发动机舱罩后段上盖组件在激光跟踪仪下的测量坐标系已经初步转化到装配坐标系下, 结合该组件的自身特点, 对其关键测量点进行测量。因组件一般较小, 考虑测量效率和测量准确度, 一般直接通过扫描其外形, 测量出外形的OTP点如图所示, 然后将扫描测量出来的OTP点云和数模CAD模型通过最小二乘法进行迭代拟合, 最终完成该发动机舱罩后段上盖组件的精确定位, 完成基准的统一。同时最佳拟合完成后, 将扫描测量出来的OTP点的偏差值显示出来。
2.3测量报告与分析
测量报告如图3所示, 可见有8个测量点超差。原则上每个OTP点的超差值不得超过其公差的20%, 并且超差总数少于8%的属于合格产品。而此组件外形只有一个点的误差为-2mm, 超出公差要求的±1.5mm的20%, 对此点进行分析由于其外形周围只有此点超差, 可判定是测量因素造成的。最终通过测量分析该发动机舱罩后段上盖组件外形合格。
3结语
本文应用激光跟踪测量技术, 以某型号通用飞机的发动机舱罩后段上盖组件为典型研究对象, 研究了组件外形测量中的主要技术问题, 实现了组件外形的测量。通过分析该组件外形的测量方式、跟踪仪站位设置等问题, 给出了测量方案, 实现了组件外形的测量。实际应用表明, 采用上述技术和方法能够精确、高效的完成组件外形测量。后续研究将进一步深化数字化测量技术在工程实际中的应用, 减少测量误差, 提高装配效率和装配质量。
参考文献
[1]胡问鸣.通用飞机.第1版.北京:航空工业出版社, 2008:3-8
激光跟踪测量 篇4
1 API第三代激光跟踪仪技术参数
1.1 测量范围及参数
1) 测量距离 (直径) :
大于120 m;
2) 水平转角:
±320°;
3) 垂直转角:
+80°, -60°。
1.2 三维空间测量精度
1) 静态:
5 ×10-6 (2sigma) ;
2) 动态:
10×10-6 (2sigma) ;
3) 重复精度:
2.5×10-6 (2sigma) 。
1.3 干涉仪精度 (IFM)
a) 测量长度:> 60m;
b) 测量分辨率:1μm;
c) 测量精度:±0.5×10-6。
1.4 绝对测距精度 (ADM)
a) 测量长度:> 60m;
b) 测量分辨率: 1μm;
c) 测量精度:15 μm , 10 m之内, 1.5 μm/m , 10 m以外。
1.5 内置电子水平仪
测量精度:2角秒。
1.6 稳定的主机三角支架
升降高度1.2~1.7 m。
1.7 跟踪头外形参数
1) 高度:360
mm;
2) 宽度:
190 mm;
3) 重量:8.5 kg。
1.8 快速系统误差校准
时间:3~4 min。
1.9 仪器工作环境
1) 工作温度:-10
~ +45℃;
2) 相对湿度:20%
~ 95% 无凝结。
1.10 控制箱外形参数
a) 高度:100mm;
b) 宽度:250mm;
c) 长度:315mm;
d) 重量:3.2kg。
2 测量应用[1,2]
图 1所示为零件孔系示意图, 设计图纸对孔轴线位置精度提出了较高的要求。受被测要素结构特征的限制, 使用传统工装模拟基准和被测要素, 在图中不难看出, 用以体现被测实际要素的芯轴、定位块自身的制造、使用就存在很大的局限性, 自然很难实现图中位置误差的精确测量。
遵从形位误差测量坐标值原则, 激光跟踪仪有着传统检测方法所不可比拟的优势, 激光跟踪仪能够在不受地域及工件摆放位置限制的情况下建立空间坐标, 通过对实际要素足够多的采点测量拟合出被测孔柱面及孔轴心线;很大程度上避免了工装累计误差对检测精度的影响。
2.1 建立工作坐标系
激光跟踪仪提供了丰富的坐标建立方式, 可以使用零件上的平面、定位孔、定位点作为创建坐标的基准, 也可以针对不同的测量需要创建多个坐标系, 为了更好的进行数据描述可以指定任意一个坐标系作为当前的工作坐标系。
测量零件面板 (图 1) 平面以其平面法向矢量为z轴, 测量面板三孔并以其中心点连线为x轴建立坐标系, 如图 2所示。
2.2 采点测量及参数设置
形位误差检测的被测要素多是一些连续的几何要素, 难于测遍全部的要素来取得无限多的相关数据。因此, 结合设计要求、工艺特点, 建立不同的测量模型, 以测得的有限数据来表征被测要素的全貌。激光跟踪仪曲面拟合计算的特点为形位误差的检测开辟了方便有效的途径。例如, 在平面测量中, 可以通过点坐标的比较得出平面度误差值, 用拟合计算所得的平面矢量可以评价与其它要素间的位置误差;圆柱面上测得的点组坐标拟合计算即可得到圆柱轴心线。
设计测量采点方案, 如图 3所示。仪器放置在位置1, 测量面板平面及第1组孔的圆柱面, 面板平面近最大外沿采点数量不少于20个, 近面板孔每孔部少于4个;仪器放置在位置2, 测量第2组孔的圆柱面, 采点截面不少于4个, 每个截面的采点数量不少于8个;仪器放置在位置3, 测量第3组孔的圆柱面, 采点截面不少于3个, 每个截面的采点数量不少于8个。
根据激光跟踪仪的技术特性及测量精度要求, 设置每个样本点单点采样数量为300个、精度为0.015 mm;设置靶球稳定样本范围在0.005 mm以内。
图3中有三个测量位置:位置1所得结果为面板平面及其上三孔中心点数据;位置2所得结果为第二组孔轴线数据;位置3所得结果为第3组孔轴线数据。在激光跟踪仪不同位置测量所得数据之间的比对, 需要进行坐标转换 (BEST-FIT COORDINATE TRANSFORMATIONS) , 以将不同位置所得数据置于同一工作坐标系下, 此时设置允许误差为0.02mm (如图4所示) , 应用转换时剔除误差大于0.02mm的参照点, 保证坐标系测量参照点误差不大于0.02mm 。
(1) 通过面板平面、第3组孔轴线数据分析, 可得到面板对于B基准的垂直度误差值。
(2) 通过第2组孔轴线数据分析, 可得到该组两孔间的平行度误差值。
(3) 通过第3组孔轴线数据分析, 可得到该组三孔间的平行度误差值。
(4) 通过第2组、第3组孔轴线数据分析, 可得到第3组孔轴线对于A基准的垂直度误差值。
应当指出, 使用激光跟踪仪测量模拟被测要素的中心平面和轴线时, 提取要素提取点的误差设置排除了允许误差以外的样本点, 即通常排除了被测要素的形状误差、外观缺陷造成的误差。
3 测量结果判定规则
3.1 测量误差
(1) 两个测量位置的测量误差由靶球稳定样本允许误差、样本点采样允许误差和坐标系转换误差构成;
U=0.005+0.015+0.02=0.04mm
(2) 单一测量位置的测量误差由靶球稳定样本允许误差、样本点采样允许误差构成;
U=0.005+0.015=0.02mm
3.2 测量结果y的判定规则, 如图5所示
(1) 合格 测量结果加测量误差值在合格区间内;y+U≤C
(2) 不合格 测量结果加测量误差值在合格区以外;y+U>C
3.3 实例说明
图1所示零件中, 面板对于B基准的垂直度误差数据是由两个测量位置所得, 各个测量结果符合表1的要求即为合格。
4 结论
传统的形位误差测量方法中, 在提取被测要素拟合建立基准和测量零件型面被测要素点的过程中, 工装、量具的累计误差在所难免, 而且形成误差的原因众多、分析困难, 尤以大型零件为甚。激光跟踪仪直接在被测要素上采点测量, 减少了模拟环节带来的不确定误差。测量时, 样本点精度的控制使量化最小条件成为可能, 矢量图形给形状误差的测量分析带来了空间趋势的直观感受, 空间坐标曲面拟合计算 (符合测量坐标值原则) 建立的点、线、面
不再是基准与被测要素的简单关系, 而是可以对其形状和位置进行相互综合评价的空间几何要素组合。随着激光跟踪仪在零件形位误差测量应用的进一步开发, 相信其一定会在形位误差检测领域大放异彩。
参考文献
[1]GB/T 1958-2004, 产品几何量技术规范 (GPS) 形状和位置工差检测规定[S].
飞机部件对接中激光跟踪仪的应用 篇5
部件对接是把构成飞机结构的各部件连接在一起, 形成整个机身。部件对接包括机身段对接, 机翼各段对接, 机身与机翼的对接等, 其中部件对接是飞机装配工作中的一项重要内容, 协调关系复杂, 且技术要求高、难度大, 在很大程度上决定了飞机最终的性能和质量。本文着重说明在部件对接中激光跟踪仪的应用。
不断提高的飞机性能对现代飞机外形的要求也越来越高, 对部件对接要求越来越精确, 有些飞机调平误差要求为±0.5 mm以下, 甚至有的飞机调平误差要求不超过±0.2mm, 所以对装配定位和测量提出了更精确的要求。传统的装配定位仍大量采用刚性装配工装定位、划线定位等用实物样件传递模拟量的传统手工装配方法, 部件对接方法包括水平测量法和在对接台或对接车内的对合法, 存在大量的模拟量传递环节。由于各个环节的误差积累, 装配最终的精度不易保证, 已经难以满足大型飞机高准确度制造需求。水平测量对接法中所使用的传统光学仪器是水准仪和经纬仪。使用水准仪和经纬仪对飞机的安装角和对称性进行测量, 这种测量方法效率较低、人为误差大且测量精度差。随着数字化、自动化、信息化等技术在飞机装配中的广泛应用, 数字化定位测量技术已成为当今飞机装配技术的发展方向, 目前激光跟踪系统定位是国际数字化测量技术中广泛采用的一种重要技术。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点, 适合大尺寸工件装配测量, 因此适用于飞机类产品空间点位的测量。
飞机装配通常是在各部件分别安装后再进行总体装配, 在部装的某些环节和总装的整个过程中都需要进行严格的检测。在飞行器装配过程中的测量误差可能会导致很严重的后果, 因此必须要确保测量的精确性。飞机具有外形尺寸及重量大、外部结构特殊、部件之间相互位置关系要求严格等特点。激光跟踪测量系统的现场性和实时性以及它的高精度性都能满足飞机定位安装、飞机外形尺寸的检测、零部件的检测和飞机的维修等项目的需要。
2 激光跟踪测量系统介绍
激光跟踪测量系统 (Laser Tracker System) 是二十世纪八十年代发展起来的一种移动式的高精度大尺寸空间坐标测量仪器, 特别适用于工业现场测量。它集合了激光干涉测距技术等各种先进技术, 对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。各类激光跟踪测量系统基本都是由激光跟踪仪、控制器、用户计算机、激光反射器及测量附件等组成。激光跟踪仪是激光跟踪测量系统中的核心组成部分。
系统工作时, 由激光跟踪仪的跟踪头发出的激光束射到安装在定位点处的反射器 (靶球) 上, 又从反射器 (靶球) 中心返回到跟踪头, 当目标定位点移动时, 跟踪头调整光束方向重新对准目标;检测系统接收返回激光束, 便能测算目标的空间位置。激光跟踪仪能够静态或动态地跟踪一个在空间中运动的点, 同时确定目标点的空间坐标。激光跟踪仪空间坐标的结构采用球坐标, 激光跟踪系统可以由自带的软件将得到的球坐标转换成直角坐标系下 (x, y, z) 形式。
在飞机装配工作中, 根据飞机产品的结构特点、定位要求, 借助激光踪仪这个数字化测量工具辅助完成飞机零部件的定位和测量工作。激光跟踪系统最早在我国的应用就是应用于航空制造领域, 1996年上海飞机制造公司和沈阳飞机制造集团在我国第一次引进了SMART310激光跟踪系统。现在激光跟踪仪已作为飞机数字化装配中的一种重要应用形式。
3 使用激光跟踪仪为对接大部件定位
飞机大部件对接中机翼与机身对合具有典型性, 本小节以机翼与机身对合为例说明激光跟踪仪如何完成定位。机翼与机身对合中需要确定关键参考点位置, 关键参考点的确定对机翼、机身对合非常重要, 不但影响对合精度, 对跟踪仪摆放位置也有一定影响。零件上关键参考点的位置为OPT (Optical Tooling Point缩写) 点, 即为激光跟踪头的反射中心。要在飞机图纸上明确标记机翼和机身对接部位关键参考点的位置, 装配前安装激光跟踪仪的反射球, 校准OPT位置。
机身与机翼的定位对接工作首先要建立装配时统一的坐标系。在装配过程中, 将部件的运动空间定义为装配坐标系, 同时建立与部件固定连接的零部件坐标系。零部件姿态和位置的变化是由预先确定的关键参考点坐标在装配坐标系中坐标的改变来描述的。
由于光是直线传播, 传输路径不能被阻隔, 在飞机大部件对接中, 飞机部件本身的空间位置决定了放置在某一个固定位置上的激光跟踪仪不可能同时监测所有参考点坐标, 所以在装配空间中可根据需要安装多台激光跟踪仪, 分别对应监测一些参考点, 同时保证装配坐标系为同一坐标系。
美国波音公司开发了波音737型飞机机翼与机身激光跟踪仪自动测量辅助装配应用程序。在这个自动装配过程中使用了两台激光跟踪仪, 放置在机身左右两侧下部靠近机翼的位置处, 分别测量跟踪机身上实际控制点和机翼上关键参考点, 自动测量辅助装配应用程序可以自动形成机翼关键参考点测量值与理论点差值, 装配操作执行机构依据程序给出的偏差自动调整机翼组件到达适合位置, 最后完成机翼和机身装配。
实际的装配工作中也可以使用一台激光跟踪仪进行定位安装, 此时每进行一次装配部件的移动或者激光跟踪仪的位置移动, 均需要使用激光跟踪仪重新测量参考点坐标, 根据坐标变化原理调整为统一坐标系, 所以使用一台激光跟踪仪进行定位和测量工作, 不仅繁琐也会需要更多的时间。
4 使用激光跟踪仪检测对接效果
部件对接完成后, 可使用激光跟踪仪检测对接效果。检测测量前仍然和部件对接时工作一样要先确定统一的坐标系, 保证测量到的飞机结构尺寸空间点都处在同一个坐标系中, 保证所测结构部件处于静止状态。使用激光跟踪仪进行云点采集, 以机翼和机身对接工作为例, 通过激光跟踪仪采集对接后的机翼与机身不同部位的扫描式点云数据, 在同一坐标系中进行拼接, 得到完整的对接曲面点云数据, 然后拟合成曲面数字模型, 把得到的测量结果与工程软件中的理论数据比较, 按照偏差数据计算测得到几何元素间的相对位置, 包括距离和角度关系, 查看关键部位的特征符合情况, 包括尺寸公差和几何公差等。激光跟踪仪扫描范围大, 采集数据速度快, 数据采集量大, 精度高, 装配工作中使用激光跟踪仪实现飞机装配过程的自动化测量, 大大提高测量效率。
5 结束语
在飞机部件对接的过程中, 利用激光跟踪仪检测飞机部件位置, 取代传统定位方法, 定位组件, 使复杂的工装设备得以简化, 辅助完成部件快速精准对接, 检测对接完成后的效果。激光跟踪仪在飞机部件对接中作用效果明显。现在激光跟踪仪在飞机工装的定位安装, 飞机外形尺寸的检测, 零部件的检测, 飞机的维修中也已大量的应用。如今飞机数字化装配工作正在进行飞机装配大范围测量技术的研究, 探索现场装配和检测技术, 相信在大尺寸的测量现场, 激光跟踪仪的应用将更加广泛。
参考文献
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激光跟踪测量 篇6
以大气作为传输介质, 激光作为信息载体进行无线通信时, 空-地激光无线通信是激光无线通信的一种常见形式, 信标光的准确捕获、瞄准与跟踪 (Acquisition, Pointing and Tracking, APT) 是其关键技术, APT系统主要用于建立和维持激光通信链路, 是进行激光无线通信的关键技术。由于激光光束窄、发散角小, 在大气传输过程中存在大气散射、折射、湍流等现象, 再加上激光通信平台的振动等因素, 会造成激光光束偏离目标, 使得瞄准、捕获和跟踪技术问题变得十分突出[1,2]。
APT系统分为粗跟踪系统和精跟踪系统。粗跟踪系统主要负责完成信标光的初始时期的大范围扫描和捕获, 引导信标光光斑进入精跟踪视场, 跟踪精度和带宽较低;精跟踪系统主要负责完成信标光的精确跟踪和锁定, 国内外已进行了有关精跟踪的不少研究[3,4,5], 它所要求的跟踪精度和带宽较高, 它的精度和带宽决定了整个APT系统的精度和带宽, 同时它的另一个主要功能是克服因大气扰动和平台振动造成的信标光光斑抖动, 维持稳定的激光通信链路。针对目前激光无线通信所要用到的关键技术, 和空-地激光无线通信终端应具有集成度高、功耗低、体积小和重量轻等一系列特点, 本文设计了一种以FPGA作为控制芯片的精跟踪系统。
1 系统组成及功能概述
以Altera公司的Cyclone系列FPGA为控制核心的双FPGA系统, 一块用于控制高帧频相机, 并将图像数据通过基于1394协议接口的传输线传输到另一块FPGA, 在第二块FPGA中进行光斑坐标提取和完成跟踪算法, 系统使用一款基于Cameralink接口的高帧频CMOS相机作为图像传感器采集信标光光斑, 以高速数/模转换芯片DAC712P、双通道PZT控制器和高精度PZT振镜用于构成光路偏转控制系统。PC机用于设定相机工作参数, 与FPGA板间数据通信采用Cypress公司提供的支持USB 2.0协议的CY7C68013芯片。
如图1所示为系统的组成框图, 在终端设备中, 由光学天线接收到的信标光经过高帧频CMOS相机转换为灰度图像, FPGAⅠ将灰度图像数据由Cameralink接口接收后, 经过重新组合, 然后通过基于1394协议的接口芯片转换为串行差分信号发送至图象处理板, 板上的FPGA Ⅱ把图像数据接收后放入其内部的一级缓存RAM中, 再从一级缓存中取出数据通过乒乓操作将其存放到其外部的二级缓存PSRAM阵列中, 然后FPGAⅡ把图像数据从PSRAM阵列中取出, 采用质心算法计算光斑中心坐标, 并把图像数据通过USB接口控制模块发送到PC机进行显示, 便于用户实时监测。同时把计算出的光斑中心坐标根据PID跟踪算法计算出偏置调节量, 通过数模转换芯片DAC712P转换为模拟信号后经过PZT控制器实现信号放大, 最后使PZT振镜在两路实时程控电压的控制下进行相应的二维偏转, 实现对因大气湍流等因素造成的接收光束的抖动进行实时补偿, 达到稳定接收光斑中心位置, 维持稳定的激光通信链路目的。
2 系统硬件部分设计
2.1 光斑采集及处理部分
光斑采集及处理部分主要由高帧频CMOS相机MV-D1024E和对其进行控制的FPGA组成。采用的两块FPGA均是Altera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8, 具有5 980个逻辑单元, 120 000个典型门资源和185个可编程I/O口, 最高工作时钟可达300 MHz以上, 核心供电电压为1.5 V, I/O供电电压3.3 V, 通过JTAG实现系统配置[6]。配置芯片EPC4串行ROM容量约为4 MB, 可重复编程50次左右, JTAG接口符合IEEE Std.1149.1标准。
MV-D1024E是高速高动态的CMOS相机系列[7], 采用CMOS主动像元技术, 具有12位的采样分辨率和1 024×1 024的像素分辨率, 在此分辨率下帧频能达到150帧/s, 曝光时间由10 μs～0.41 s, 25 ns步进可调, 采用Camera Link接口, 用串行口对相机进行配置。相机时序由帧频FVAL、行频LVAL和数据帧DVAL控制, 当它们同时为高电平时, 在相机时钟PCLK上升沿时数据总路线上才有数据。
在光斑中心提取算法中, 采用较为实用的质心法, 该算法计算简单, 便于FPGA实现, 因其抗噪声干扰能力较弱, 当噪声增大时, 光斑中心提取精度降低, 则系统选取了灰度加权质心法来计算光斑中心。若目标区域为N×N, 则质心的位置为:
式中:i, j为目标区中像元的横纵坐标;f (i, j) 为像元的灰度值。质心法反映了目标的能量分布状况。该算法适用于类似于精跟踪系统接收视场小而光班范围相对较大的情况。
2.2 数据传输及通信接口部分
Camera Link用于相机和FPGA板间的数据交换, 其传输率高达1 Gb/s, 且抗噪较好, 可以提供高分辨率和各种帧频的数字化数据, 数据输出采用了LVDS格式, 根据应用要求, 其支持基本 (Base) 、中档 (Medium) 、全部 (Full) 等数字格式, 该接口具有开放式的接口协议, 兼容性好[8]。它适用于CCD或CMOS等数字式相机与图像采集系统间的通信接口。
USB接口用于FPGA与PC机间的数据和指令的交换, 其具有高速度、低成本、低功耗、即插即用和使用维护方便等优点, 采用IEEE1394总路线协议, 最高带宽可达到480 Mb/s。采用Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片中的CY7C68013。
2.3 光路偏转控制部分
光路偏转控制系统以高速转换芯片DAC712P、双通道PZT控制器和高精度PZT振镜构成, 采用的16位双通道高速数模转换芯片DAC712P, 电压输出时间小于10 μs, 其输出电压直接用于双通道PZT控制器的输入, PZT控制器选用德国PI公司的E-503 PZT控制功率放大器, 输入电压范围为0～10 V, 输出电压范围为0～100 V, 其电压频率响应曲线如图2所示[9]。PZT振镜选用了德国PI公司的S-330, 该PZT振镜采用压电陶瓷驱动, 频率响应度高且具有极高的定位精度。
跟踪控制算法采用PID控制算法, 该算法包括位置式PID控制算法和增量式PID控制算法, 而在实时控制系统中常用增量式PID控制算法, 其公式为:
式中:Δu (k) 为输出的控制量。q0=KP, q1=KP· (TS/TI) , q2=KP· (TD/TS) 分别为比较项、积分项和差分项的系数, TS为采样时间, 对于不同的控制系统, TS各不相同, 要根据实际调试经验来确定。
3 软件部分设计
此部分包含了上位机和下位机软件设计, 下位机FPGA采用由Altera公司的集成开发环境Quartus Ⅱ、Mentor Graphics公司的ModelSim SE进行开发, 采用Verilog HDL语言进行编写, 上位机使用Microsoft公司的VC++6.0软件工具进行开发。Quartus Ⅱ通过JTAG对FPGA进行调试、配置下载, VC应用程序通过USB接口与CMOS相机控制电路板、图像处理电路板进行连接通信。整个系统流程图如图3所示。
4 试验结果及分析
图4为精跟踪系统评价曲线图, 此实验数据由相距16 km的外场激光无线通信时, 使用APT系统得到的, 图4 (a) 为未加入精跟踪时信标光斑在精跟踪接收视场内的坐标曲线, 图4 (b) 为加入精跟踪后的坐标曲线, 由两图对比可知, 加入精跟踪后, 光斑比较稳定, 集中度较好, 将集中效率提高了70%左右, 跟踪精度为5～25 μrad, 由外场激光通信效果来看, 明显降低了通信误码率, 减弱了因大气湍流和通信平台的震动而引起的信标光斑抖动时对通信造成的影响。但是, 系统对平台抖动剧烈时跟踪效果不很理想, 跟踪精度还不够。
系统由基于FPGA的硬件平台实现, 降低了对PC机的依赖性, 为低功耗便携式平台提供了参考。还待加强的问题有:提高光斑定位精度, 缩短信标光斑定位、跟踪算法时间开销, 改进跟踪算法提高鲁棒性和提高系统的跟踪精度。
参考文献
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激光跟踪测量 篇7
关键词：激光跟踪仪,测量不确定度,蒙特卡洛仿真,测量仿真
0 引言
随着航空、航天、船舶等大型产品对部件精确定位、实时位姿测控、最终装配质量要求的日益提高, 激光跟踪仪和i GPS等大尺寸数字化测量技术不断受到工业界和学术界的关注[1];在大尺寸数字化测量系统中, 激光跟踪仪凭借其测量速度快、测量精度高、测量范围大等优点得到了广泛应用, 被称为移动的三坐标测量机[2]。以波音、空客、洛克希德·马丁等为代表的国外航空制造企业在新机型的生产中普遍采用激光跟踪测量技术以简化飞机定位型架、进行飞机装配件的自动定位和校准[3,4], 提高了装配质量和效率。
通常, 激光跟踪仪的测量精度参数由生产厂商在比较理想的实验室条件下测试后提供, 可为不同测量仪器的性能比对提供参考[5]。但是, 在实际工业测量现场, 激光跟踪仪的测量精度除受仪器自身的因素影响外, 还会受到环境情况及操作人员的技术水平等外部因素的影响。因此, 对激光跟踪仪进行现场测量精度评定是必要的。国内一些学者也做了相关研究, 文献[2、6、7]分别提出通过检测固定点的测量精度和标准花岗岩三角尺的平面度、移站测量固定靶标点来评定激光跟踪仪现场测量精度的方法, 但这些方法并不适用于坐标点测量不确定度的评定。
综上所述, 本文在已有研究基础上, 参照美国国家航空航天局提供的不确定度评估手册[8], 基于蒙特卡洛仿真法构建了其坐标点测量不确定度评定算法, 并提出一种快速方法来计算激光跟踪仪在实际测量环境下的传感器单元测量误差参数, 最后通过设计相关试验验证了该算法的可信性。
1 相关研究工作
1.1 激光跟踪仪的坐标点测量模型
由激光跟踪仪的原理可知, 跟踪仪内部有一个测距传感器和两个测角传感器, 可测得仪器到被测目标点P的距离l、水平角α和垂直角β, 构成极坐标P= (l, α, β) T, 如图1所示。
在坐标测量系统的应用中, 测量值一般基于笛卡尔坐标系给出, 因此需按式 (1) 计算P= (l, α, β) T在笛卡尔坐标系下的测量值P= (x, y, z) T。
由文献[9]中对激光跟踪仪的误差源分析可知, 测量过程中各种误差因素对于激光跟踪仪坐标测量的最终影响是使得每个传感器单元都引入测量误差ε= (εl, εα, εTβ) , 如式 (2) 所示, 其中 (l*, α*, β*) T为测量真值。
根据激光跟踪仪距离和角度的测量原理, 给每个传感器的不确定度特性分配合适的概率分布函数, 本文假定各传感单元之间相互独立, 且均服从均值为0的正态分布, 因此可以得到每个传感器单元测量的随机误差的正态分布模型为:
其中, σl*为距离测量误差的标准差基准分量, ω为距离测量误差的标准差在其测量范围内的线性变化系数, l为坐标点的测量距离, ω-l为距离测量误差的标准差的线性变化分量;σα和σβ分别为水平角和垂直角测量误差的标准差。综上所述, 可以得到激光跟踪仪的测量模型为:
1.2 基于蒙特卡洛仿真法评定测点不确定度
本文基于式 (4) 的测量模型, 采用蒙特卡洛方法, 结合随机误差的概率分布模型对激光跟踪仪传感器单元测量误差的标准差参数σl, σα, σβ进行随机抽样, 并将抽样值加入到各个传感器单元中, 从而完成激光跟踪仪的一次测量仿真过程。将此测量仿真过程循环执行n次, 得到一个大小为n的随机测量样本 (ξ1, ξ2, …, ξn) 。对上述样本进行统计学分析, 并以2倍的标准差来表示不确定度, 就得到坐标点的测量不确定度参数 (ux, uy, uz) T, 其算法流程如图2所示。
1.3 计算传感器单元的测量误差参数
一般情况下, 传感器单元测量误差参数由激光跟踪仪出厂技术指标中测量标准不确定度计算得到。但激光跟踪仪的测量不确定度除受仪器自身的因素影响外, 还会受到环境振动及操作人员的技术水平等外部因素的影响。因此, 为了使测量模型能够评定激光跟踪仪的现场测量不确定度, 本文提出一种激光跟踪仪移站测量若干固定靶标点的方法来统计激光跟踪仪在实际测量环境下传感器单元的测量误差参数, 具体如下。
在测量空间内, 随机固定n (3≤n≤6) 个靶标点, 这n个点尽量均匀分布并能反映整个实际测量场。用激光跟踪仪在n个不同的站位对其进行持续测量, 每点测量m次, 并将测量结果转换到球坐标系下。用统计分析法计算各个站位下每个点坐标分量的标准差, 即jiσl、jiσα、jiσβ, 其中i为靶标点的标识 (i=1, 2, …, n) , j为站位的标识 (j=1, 2, …, n) 。计算这n2个σα和σβ的平均值, 并将此均值分别作为本文测量模型的水平角和垂直角传感器单元的测量误差参数。
2 试验验证
为了验证上文提出的激光跟踪仪测点不确定度模型的可行性, 本文结合B89[10]标准, 设计了相关试验进行验证, 并对试验结果进行了比较和分析。
2.1 激光跟踪仪现场测量
2.1.1 激光跟踪仪各传感器单元的测量误差参数的计算
在测量空间内随机选取5个点, 尽量使其均匀分布。在现场环境下, 操作激光跟踪仪在5个不同的站位下分别对每个点进行持续测量。根据激光跟踪仪的工作原理及试验情况来看, 对同一位置采点次数越多计算结果就越真实, 但过多的采点次数会增加计算的时间, 因此本次采点次数选取5000次, 记录测量结果。试验环境和设备如图3左图所示。
2.1.2 空间多点测量
空间多点测量的不确定度分析是研究测长和测角精度对测量不确定度影响的基础。在测量空间中离散布置20个目标点, 目标点的分布应能反映其在距离和角度方向的变化, 如图3右图所示。将SA测量软件与激光跟踪仪建立通信连接, 对上述目标点进行测量, 每点分别测量1000次, 并记录测量结果。
2.2 SA软件测量仿真
SA (Spatial Analyzer) 软件是由New River Kinematics公司开发的一款空间测量软件, 目前广泛的应用于工业测量领域[11]。计算2) 中测量结果的平均值, 将其作为仿真测量的理论值输入到SA, 并将激光跟踪仪的不确定度参数计入随机误差中, 样本大小选择1000, 记录相应目标点的测量不确定度。
2.3 本文模型测量仿真
依据1.1中所构建的激光跟踪仪测量仿真模型, 查阅Leica AT901LR的相关技术资料, 考虑2.21) 中对传感器测量误差参数计算的结果, 对其误差参数进行适当修正。基于修正后的误差参数实现Leica AT901LR激光跟踪仪在计算机中的实例化, 仿真测量时抽样次数选择1000次, 依据仿真测量算法在Matlab中对待测目标点进行仿真测量, 记录相应目标点的测量不确定度。
3 试验数据处理与分析
3.1 计算各传感器单元的测量误差参数的试验分析
将25×5000组笛卡尔坐标系下的测量值转换到球坐标系下, 对其进行统计分析, 并计算P1~P5的距离传感器单元测量误差的标准差基准分量和线性变化系数, 水平角和垂直角传感器单元测量误差的标准差, 并以2倍的标准差其表示不确定度, 结果如表1所示, 其中l0为测距基准误差参数。
通过查阅Leica AT901LR的技术资料, 可知其全量程测距基准不确定度参数为10um, 测距线性不确定度参数为2um/m, 测角不确定度参数都为1″, 比表2中的结果略小, 这是由于实际测量环境因素的影响。由于相差不大, 这里不再修正, 直接取表1的计算结果作为本文测量模型的输入参数。
3.2 空间多点测量试验分析
上述三种测量方法对空间多点的测量不确定度结果如图4所示, 分别为X、Y、Z方向不确定度和综合不确定度 (以2倍的标准差表示不确定度) 。以下“LT”、“SA”、“本文”分别代表激光跟踪仪现场测量、SA软件测量仿真、本文模型测量仿真的结果。
由图4可知, 三种测量方法计算得到的坐标点测量不确定度的变化规律是一致的, 即在径向距离大小保持不变而角度改变时, 测量不确定度的变化趋于平稳;在角度不变而径向距离改变时, 测量不确定度随距离的减少而减小, 这是受激光跟踪仪的测角和测距精度影响的结果。
本文不确定度评定算法和SA仿真测量得到的综合不确定度与对激光跟踪仪的实测值进行统计而得到的综合不确定度的最大和最小差值如表2所示。
如表2所示, 本文的不确定度评定算法与SA测量仿真的结果相比, 评定结果更加接近激光跟踪仪现场测量的不确定度, 综合不确定度的最大差值为0.0032mm, 最小差值为0.0009mm, 而SA与其综合不确定度的最大差值和最小差值分别为0.0076mm和0.0024mm。因此, 本文的激光跟踪仪现场测点的不确定评定算法能够较精确的反映激光跟踪仪现场测点的精度。
4 结论
1) 由计算仪器传感器的测量误差参数的试验结果可知, 由于测量环境的影响, 激光跟踪仪现场测量时的误差参数要比仪器出厂时标定的参数要大, 即实际测量精度要低于仪器出厂时标定的测量精度。2) 由多点测量试验结果可知, 激光跟踪仪的测量精度主要是由测量距离所决定, 测量距离越远精度越低, 这有助于对激光跟踪仪站位的规划。3) 本文的测量模型简化了激光跟踪仪的误差源, 因此, 为了提高测量模型对实际测量过程模拟的真实程度, 应在现有工作的基础上改进测量模型, 考虑更多因素具体对激光跟踪仪现场测量精度的影响。4) 本文的测量仿真模型可以为激光跟踪仪现场测点的不确定度评定、全场测量精度的分析、测量系统的配置、测量方案的评估和工程应用等提供一定的支持。
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激光跟踪测量 篇8
数控机床的工作原理是通过控制系统对指定的程序和编码进行识别和翻译, 将这些程序和编码用通过数字显示出来, 再经过控制装置进行处理, 发出各种命令来指导机床进行生产, 按照图纸的要求把机械产品加工出来。数控机床之所以受到人们的青睐, 一方面是因为其工作效率高, 有较强的智能性, 对一些精度较高的构建进行批量的生产和加工, 减少人力劳动的投入;另一方面, 数控机床的经济性较好, 主要体现在投资相对较小, 效率高, 而且设备便于工作人员进行操作, 寿命相对较长。数控机床在不断为人们生产做出贡献的同时也在不断的被人们所改进和创新, 力争使其精度更高, 生产的零件和产品能够更好的被人们所使用, 而且工作人员也在对数控机床精度检测上不断的加强, 利用多种手法检测, 激光跟踪技术就是一项很好的检测其几何精度方法。
1 数控机床几何精度检测
数控机床的精度检测有很多中如几何精度检测、工作精度检测及传动精度检测等, 每一个检测环节对数控机床来说都是必须的, 因为这关系到机床自身的精度和实用性, 而且机床本身的精度检测液非常重要, 包括各个工作部件如刀具、主轴等的磨损状况, 文章主要针对数控机床的几何精度检测进行探讨, 因为几何精度检测的主导性较强, 而且可控制空间较小。
所谓数控机床几何精度的含义是机床一些工作部件如工作台面、导轨、刀架溜板等在数控机床处于静止状态或者运动较慢的情况下的精度, 通常是指的这些构建的平面度、直线度和一些相对运动所允许的误差等, 对于这些构建几何精度的检测是较为直观的, 但是又非常不好把握, 因为一个平面的平整程度或者一些相对运动构建运行时所产生的误差是否在允许范围内的检测不能够出现丝毫的差错, 要求精确度非常高的测量手段, 可以说几何精度的检测是数控机床精度得以保障的前提条件。
2 基于激光跟踪仪的数控机床几何精度检测
激光跟踪仪器是一种工业上用于设备检测的重要仪器, 它能够大尺度的进行高精度的检测, 检测误差非常之小, 用它可以对数控机床一些构建的直线度和角度进行精确测量, 检测其中是否存在误差, 精度的角度编码器、续光再续和激光等技术的发展存进了激光跟踪仪的产生和发展, 激光跟踪仪涉及到计算机控制、激光测量、光电探测和计算机处理技术等, 是数控机床几何精度检测必备设备之一。
激光跟踪仪能够配合反射标靶通过激光进行距离和角度测量, 它同时配有绕两个轴转动的测角机构, 利用球坐标进行高精度测量的一起, 激光跟踪仪不仅仅能够测量静止的目标, 而且还能够对一些动态的目标或者静止与动态均有的目标进行跟踪和测量。对于数控机床中激光跟踪仪对其几何精度的测量时, 通常为了节约成本会采用多站点测量法, 因为仪器较为昂贵, 对数控机床几何测量要不同的位置进行校队测量, 所以会在不同时间选择多个位置测量。这样通过多个点位测量的数据, 根据测点位置自标定的算法和基点空间坐标标定的算法, 就可以确定出机床在静止或者运动状态下被测的点的坐标, 这样多个测量点坐标都计算出来就能够很容易了解被测量的目标平面度和直线度, 还能够测量出相对运动状态下的相对误差是否存在。激光跟踪仪也能够用单站测量的方法对目标进行测量, 但是由于这种方法的稳定性较差, 并且校队能力不强, 在距离较大的测量距离情况下, 很难掌握其测量的准确性, 所以很多情况下都采用多站点不同时测量的方法。
激光跟踪仪对于数控机床几何精度的测量要在正确的操作下才能够有较高的精度, 通常在测量的同时也要注意对激光跟踪仪精度的影响因素, 激光跟踪仪精度的主要影响因素应该是其自身存在的角度误差, 因为在测量过程中角度编码器误差与测量距离成正比, 我们可以知道测量距离越大。激光跟踪仪内部的反射镜也对其精度有很大影响, 因为反射镜对激光轨道有很大的影响, 如果三个反射镜不是相互成90°直角关系, 或者三个反射镜的角点与外球心不重合那么测量精度都会受到很大的影响。而且激光跟踪仪的测量精度也会受到外部因素的影响, 如温度、湿度、压力、风速等, 所以在实用激光跟踪仪对数控机床进行几何测量时一定要非常注意进行大气补偿的调整, 为了使激光跟踪仪对数控机床的几何精度测量更加准确, 需要检测仪器是否合格, 并选择合适的测量距离, 规范操作, 这样才能够保障检测的精确度, 为数控机床的精度调整做出更多保障。
3 结论
可以说数控机床的精度是其最高价值所在, 是所有数控机床追求的最重要目标, 也只有不断提高其精度, 快速准确的检测出机床各部分的几何误差所在, 并且及时进行误差补偿, 才能使其更好的促进人们生产生活, 并且逐渐走向现代化和智能化。数控机床在设计时要充分考虑到其工作性质、运行震动和摩擦状况和实用寿命等这些基础因素之外, 还要格外的针对数控机床精度问题进行探讨, 通过改造某些部位或者排除一些影响机床精度的因素等提高其精度, 并且还能够通过一些先进的检测手段和技术, 让我们对数控机床的控制性更强, 这样才能够使数控机床的工作性能更好, 使用寿命更长。
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