激光跟踪仪装配（共6篇）
激光跟踪仪装配 篇1
全新FARO Vantage掀起激光跟踪仪设计革命, 以非同寻常的紧凑性成就出色性能
FARO将业内领先的激光跟踪仪尺寸缩小25%, 并增加一系列新功能, 为客户扩大测量范围, 提高效率。
佛罗里达州玛丽湖2012年7月16日电/美通社亚洲/--FARO Technologies, Inc., 全球最受信赖的3D测量技术提供商, 今日宣布推出Vantage--一款真正融合颠覆性新功能和超便携式设计的激光跟踪仪。Smart Find、Multi View和集成Wi-Fi等功能增加, 让测量过程的速度和效率得到前所未有的提高。其尺寸和重量大幅缩小, 设备便携性更高, 甚至可带入机舱, 存放在舱顶行李箱中。“Vantage引发一场革命, ”FARO激光跟踪仪产品管理总监Ken Steffey称, “该设备及其功能性、准确性和便携性的完美融合, 在业内堪称前所未有。Vantage将成为未来激光跟踪仪的标杆。”
尽管Vantage尺寸缩小25%, 重量减轻28%, 但FARO已拥有全新的在线光学系统, 它将远距离测量提高了45%达到80米 (160米直径) 。集成的Wi-Fi消除了依赖笔记本电脑的局限。相比从前, 此便携式跟踪仪能在减少设备移动的同时, 获取更多测量结果, 大大缩短测量过程。除标准装运箱外, Vantage还采用全新背包和辊板包装, 可存放在标准航班舱顶行李箱中, 因此可随时随地、方便快捷地运输。
Vantage具有两项独特的新功能, 即Smart Find和Multi View, 可缩短测量时间, 从而提高效率。Smart Find系统会响应操作员的简单手势, 使得Vantage在光束丢失或中断时快速找到预定目标。Multi View专利系统利用两个集成照相机, 让用户自动定位指定的、难以搜索的目标。
拥有防水防尘IP52等级的新特点, 使得操作员可在降雨和潮湿环境中使用Vantage, 而其他激光跟踪仪则无法实现。Vantage的Tru ADM技术提供日常实际应用所需精度, 其绝对距离测量结果 (absolute distance measurement, ADM) 和干涉仪 (interferometer, IFM) 测量结果之间的差异在大多数情况下可忽略不计。不同于需要IFM系统辅助ADM系统的技术, FARO的Tru ADM技术让过程更为简化。改进后的预估算法是专利中第五代技术, 只需简单地扫描目标, 即可快速获取动态测量结果。
“FARO研发的更加便携、耐用的激光跟踪仪, 体现了其卓越的性能和使用的便利。能为市场引入这样一个完整解决方案, 我们深感自豪, ”FARO首席执行官Jay Freeland解释说, “对客户而言, 这绝对是不可多得的解决方案。”
激光跟踪仪装配 篇2
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].
激光跟踪仪装配 篇3
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。
参考文献
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[9]张曦, 陈五一.激光跟踪仪测量曲面的测量不确定度研究[J].计量学报, 2006, 27 (2) :108-112.
[10]AMSE B89.Performance Evaluation Of Laser Basedspherical coordinate Measurement System[S].4.19~2004.
激光跟踪仪装配 篇4
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。
参考文献
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激光跟踪仪装配 篇5
在航空航天、粒子加速器、机械安装等大型精密设备拼装领域,产品尺寸不断增大、复杂程度日益提高、测量精度越来越高,通常不能一次设站就获取完整的测量数据,需要移动仪器进行两次或者多次测量,即移站测量。大型精密设备拼装测量的关键是多站激光跟踪仪组成高精度全局测量坐标系。移站测量法是近年来广泛应用的多测站坐标测量方法,但每次移站都存在移站误差,多次移站后误差累积不可忽略[1]。
激光跟踪仪整体平差涉及角度观测值和距离观测值,合理确定这两类观测值的权比不仅能使观测值的精度和平差结果得到正确反映,而且对平差模型的检验具有重要意义。Helmert提出了通过迭代计算自适应的调整不同类或不等精度观测值之间的权比,使权的分配更具合理性[2]。同时,基于最小二乘的方差分量估计不具有抗差性,若观测值含有粗差,Helmert方差分量估计结果严重失真[3]。为减弱粗差对Helmert方差分量估计结果所造成的严重影响,本文拟采用抗差Helmert方差分量估计对全部测站数据进行整体平差,使跟踪仪更高精度、更高效率地应用于测量实践中。
1 跟踪仪移站整体平差模型
激光跟踪仪本身具有高精度测距等特点,利用相邻测站观测公共点,对所有测站进行公共点误差最小二乘解求得各测站的位置和姿态参数以及待定点位置参数[4]。设激光跟踪仪在空间布设m次对n个控制点进行观测,设第i个激光跟踪仪测站相对于基准坐标系( 假定为激光跟踪仪第一测站坐标系) 的旋转参数为( Rxi,Ryi,Rzi) ,平移参数( 激光跟踪仪中心的位置参数) 为( X0i,Y0i,Z0i) ,i = 2,…,m,第j个控制点在第i个测站坐标系下的坐标为( Xij,Yij,Zij) ,在基准坐标系下的坐标为( Xj,Yj,Zj) ,j = 1,…,n。由于平差是在基准坐标系下进行的,而激光跟踪仪对角度和距离的观测值都是在独立测站坐标系下,按照坐标系转换原理,将第j个控制点从基准坐标系到第i个测站坐标系下的转换关系为:
其中ai1,ai2,…,ci3为第i个测站旋转参数( Rxi,Ryi,Rzi) 的函数,按照X轴、Y轴和Z轴的顺序进行旋转。
点坐标与距离、水平角和天顶距的函数关系如式( 2) 所示:
将式( 1) 代入式( 2) 并进行线性化,就可以得到观测值的误差方程:
其中,d1,…,d9,e1,…,e9,f1,…,f9分别为各观测值对参数的一阶偏导,lSij,lijHz,lVij为常数项。按照式( 3) ,所有观测值最终均可表示为测站坐标系到基准坐标系的旋转参数、平移参数和控制点坐标的函数。
2 抗差Helmert方差分量估计
激光跟踪仪有两类观测值,角度观测值和距离观测值,分别设为L1,L2,他们的权阵对应为P1,P2,单位权中误差为 σ01,认为这两类观测值之间相互独立。Helmert方差分量估计严密公式为:
式(4)中:
公式( 4) 迭代终止条件为。
为了避免粗差影响Helmert方差分量估计结果,采用等价权的方法对含有粗差的非强权观测值降权处理,相应的等价权为:
Pi为原始权,Wi为自适应降权因子,权函数取IGGIII函数,如式( 6) :
式(6)中,取
3 整体平差实现流程
综上所述,激光跟踪仪整体平差模型中抗差Helmert方差分量估计的主要步骤是:
( 1) 导入所有测站的角度和距离观测值。
( 2) 根据相邻测站公共点三维坐标转换[6]将所有测站转换到基准坐标系中,得到控制点坐标以及测站旋转参数、平移参数的初值x0。
( 3) 按式( 3) 列立误差方程,依据经典定权方法确定角度、距离的中误差,如式( 7) 所示,按间接平差法求得V的初次估值:
其中,m12、m22为跟踪仪的角度测量中误差和距离测量中误差,可采用厂方给定的测角、测距的标准精度或者是经验数据。
( 4) 依据式( 4) 求得角度观测值和距离观测值的单位权方差的估值,再按式( 8) 重新定权:
( 5) 若多余观测分量ri大于0,其中ri=( QVVP)i,则按式( 5) 、( 6) 计算出等价权;
( 6) 按重新定出的权再次进行平差;
( 7) 重复步骤( 4)~ ( 6) ,直到步骤( 4)中的的绝对值小于指定限差;
(9) 重复步骤( 3) ~ ( 8) ,直到小于给定限差。
4 实验分析
为验证激光跟踪仪移站整体平差模型及其精度,检验抗差Helmert方差分量估计对平差结果的影响,本实验利用API T3 激光跟踪仪结合空心靶球布设5 个测站对10 个控制点进行数据采集。T3跟踪仪三维空间静态测量精度为5ppm,坐标测量重复性优于2. 5ppm。控制点均安置在强制对中桩上。跟踪仪安置在专用脚架上,每次观测采用IFM测距、双面测量模式,每点采集3 次取平均值作为该点的观测值。
根据整体平差处理流程, 利用VB结合MATLAB平台编制计算程序,将全部测站数据进行整体平差处理。表1 为每一测站的实测数据。
以跟踪仪第一测站为标准坐标系,分别采用以下4 种方案进行整体平差:
方案一: 采用经典定权法,即忽略步骤( 4)~ ( 7) 。
方案二: 在CZ5 中的9 号控制点加入1mm的长度粗差,采用经典定权法。
方案三: 采用抗差Helmert方差分量估计。
方案四: 在CZ5 中的9 号控制点加入1mm的长度粗差,采用抗差Helmert方差分量估计。
按照上述步骤进行解算,测量点和测站点的平差结果如图1、2 所示。方案二与方案四的粗差探测情况如表2 所示。
从图1、图2 可以看出,采用方案一和方案三对激光跟踪仪进行移站整体平差,相对于方案一,方案三的点位精度得到了极大的提高,控制点点位平均中误差由0. 084mm变为0. 013mm,测站点点位平均中误差也由0. 109mm减小为0. 022mm。进一步,在9 号控制点中加入1mm的粗差后,由于最小二乘的经典定权法不具有抗差性,因此控制点与测站点的平差结果严重失真。而方案四的控制点点位中误差、测站点点位中误差与方案二基本一致,且加入的1mm粗差被正确识别并修正,如表2所示。说明该方法相比经典定权法,既能合理确定观测值的权比,又能有效地抑制粗差对平差精度的影响。
5 总结
采用抗差Helmert方差分量估计对全部测站原始观测数据进行移站整体平差,可以直接解算得到更高精度的多个测站的位置和姿态参数以及控制点的位置参数。通过实验,对该方法进行了检核,结果表明:
( 1) 抗差Helmert方差分量估计既较好地解决了激光跟踪仪移站整体平差模型中两类观测值的合理定权问题,又有效地减弱了粗差的影响,从而极大地提高了定位精度。
( 2) 对于高精度的全局坐标系,可以采用本文采用的定权方法,参数估值会更可靠。
摘要：在大型精密设备拼装领域,产品尺寸不断增大、复杂程度日益提高,需要建立更高精度的全局坐标系。为合理确定观测值的权并减弱粗差的影响,本文引入抗差Helmert方差分量估计,建立激光跟踪仪严密整体平差模型,经过实测数据验证,应用抗差Helmert方差分量估计较好地解决了激光跟踪仪中观测值的合理定权,有效地抵御了粗差的影响,从而极大地改善了控制点位的精度。
关键词：激光跟踪仪,抗差Helmert方差分量估计,整体平差
参考文献
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激光跟踪仪装配 篇6
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