面向特大型齒輪的激光跟蹤多站位定位方法
【專利摘要】一種特大型齒輪激光跟蹤在位測量系統(tǒng)的定位方法，屬于精密測試【技術(shù)領(lǐng)域】?；谠摱ㄎ环椒?，首先根據(jù)不同齒輪的整體幾何特征，劃分不同的測量空間并設(shè)置不同的站位。定位時首先在測量區(qū)域內(nèi)布置若干待測點，通常來說大齒輪的建模需要采集齒輪上端面和齒頂圓的測量數(shù)據(jù)。激光跟蹤儀在待測點區(qū)域外進(jìn)行測量，依次移動激光跟蹤儀獲取不同站位待測點的三維坐標(biāo)值，為了統(tǒng)一不同站下位待測點的坐標(biāo)值，需要選定參考站位完成其它站位到參考站位的坐標(biāo)統(tǒng)一。最后利用多站位提供的冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化運算，得到待測點的坐標(biāo)改正值，從而為建立齒輪坐標(biāo)模型提供了可靠數(shù)據(jù)來源，提高了齒輪定位精度。
【專利說明】面向特大型齒輪的激光跟蹤多站位定位方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種特大型齒輪激光跟蹤在位測量系統(tǒng)的定位方法，該方法不僅適用于特大型齒輪激光跟蹤在位測量系統(tǒng)，在其他類似的大尺寸分布式測量系統(tǒng)中也有很強(qiáng)的實用性。屬于精密測試【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]約定俗成，特大型齒輪通常是指直徑大于3m的齒輪。特大型齒輪激光跟蹤在位測量系統(tǒng)采用激光跟蹤儀和三維測量平臺相結(jié)合的工作方式。系統(tǒng)測量時首先根據(jù)齒輪種類和定位算法需求，用激光跟蹤儀建立被測齒輪的齒輪坐標(biāo)系和三維測量平臺的儀器坐標(biāo)系，然后經(jīng)過坐標(biāo)變換將齒輪坐標(biāo)系、儀器坐標(biāo)系統(tǒng)一到激光跟蹤儀所在測量坐標(biāo)系中，這樣即確定了齒輪坐標(biāo)系與儀器坐標(biāo)的直接映射關(guān)系，以實現(xiàn)齒輪特征線的測量。該系統(tǒng)的難點是如何提高測量儀器與被測齒輪之間位置的測量精度。目前通常利用激光跟蹤儀速度快、精度高、范圍大的特點實現(xiàn)特大型齒輪的高精度現(xiàn)場定位。
[0003]但是，傳統(tǒng)利用單站位的激光跟蹤在位測量系統(tǒng)具有如下缺點:由于激光跟蹤儀測角誤差顯著大于測長誤差，導(dǎo)致測量點的三維坐標(biāo)整體精度受到測角誤差影響，從而影響特大型齒輪的定位精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服特大型齒輪激光跟蹤在位測量系統(tǒng)的定位時激光跟蹤儀測角誤差對定位精度的較大影響，本發(fā)明提出了面向特大型齒輪的激光跟蹤多站位定位方法。該方法有效解決了現(xiàn)有特大型齒輪定位時精度不足的問題，為建立齒輪坐標(biāo)模型提供了可靠數(shù)據(jù)來源，提高了齒輪定位時所需測量點的三維測量精度。實驗結(jié)果表明，使用多站位測量模型求得的不同站位待測點間距離·的標(biāo)準(zhǔn)差明顯小于直接在不同站位下測量的標(biāo)準(zhǔn)差，直接在不同站位下測量待測點的標(biāo)準(zhǔn)差為0.024mm，使用多站位測量模型得到的標(biāo)準(zhǔn)差均值為
0.008mm，多站位測量模型具有良好精度控制效果。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:將原有單站位測量改用多站位測量，定位時首先在測量區(qū)域內(nèi)布置待測點。在大齒輪的建模中需要采集齒輪上端面和齒頂圓的測量數(shù)據(jù)，即在齒輪上端面和齒頂圓處等間隔放置反射鏡把座，各個把鏡座的位置應(yīng)該盡量保證與各個站位下的激光跟蹤儀保持直線視距，激光跟蹤儀在待測點區(qū)域外進(jìn)行測量，依次變換不同站位。由于激光跟蹤多站位測量模型需要利用高精度的干涉測長值做約束條件，所以激光跟蹤儀采用球坐標(biāo)系統(tǒng)。每次測量結(jié)果的坐標(biāo)值可以表示為(d，α，β )，d表示距離，α表示水平角，β表示俯仰角。為了后續(xù)標(biāo)定運算，利用公式(I)將球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化成笛卡爾坐標(biāo)系。
x = iixsin(/?)xsin(?)
[0005]' V = dxsin(/?)xcos(?)(I)
Z = CiXCO^iP)
[0006]假設(shè)激光跟蹤儀在m個站位下測量待測點從m個站位中選定參考站位，參考站位可以隨意選定。下面公式中所涉及的所有坐標(biāo)全部是該參考站位下激光跟蹤儀的三維坐標(biāo)值。每個站位的坐標(biāo)為(Xk，Yk，Zk)，其中k= 1，2，...，πι。齒輪上端面有η個待測點，待測點的坐標(biāo)為(Xi，yi，Zi)，其中i = 1，2，...，η。特大型齒輪激光跟蹤多站位測量過程中主要利用激光跟蹤儀多站位測量的高精度干涉測長值對待測點坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)優(yōu)化，從而得到高精度的待測點三維坐標(biāo)。則每個站位對應(yīng)到待測點的距離dki可以根據(jù)兩點直線距離公式表示如下:
[0007]
【權(quán)利要求】
1.一種特大型齒輪激光跟蹤在位測量系統(tǒng)的定位方法，其特征于:將原有單站位測量改用多站位測量，定位時首先在測量區(qū)域內(nèi)布置待測點，待測點需要覆蓋三分之一的齒輪周長，待測點間隔為2-3厘米即可。在大齒輪的建模中采集齒輪上端面和齒頂圓的測量數(shù)據(jù)，即在齒輪上端面和齒頂圓處等間隔放置反射鏡把座，各個把鏡座的位置應(yīng)該保證與各個站位下的激光跟蹤儀保持直線視距，激光跟蹤儀在待測點區(qū)域外進(jìn)行測量；依次變換什么的不同站位并采集各個站位下待測點的激光跟蹤儀測量值，對采集的數(shù)據(jù)利用高精度的干涉測長值進(jìn)行約束，利用多個站位提供的冗余待測點數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘優(yōu)化求解，獲取最終高精度的齒輪定位所需待測點測量值。
2.如權(quán)利要求1所述的一種特大型齒輪激光跟蹤在位測量系統(tǒng)的定位方法，其特征在于:齒輪定位測量包括如下步驟: 1)在齒輪上端面和齒頂圓布置若干待測點并按順序編號即第I待測點，第2待測點…第η待測點，通?？砂创郎y點的排放順序編號，編號順序沒有強(qiáng)制要求，但是要記住各個待測點對應(yīng)的編號和總共待測點的個數(shù)η，在所述的待測點上分別安裝把鏡座；然后按待測點編號順序移動反射鏡到各個待測點把鏡座上并測量齒輪上該待測點的三維坐標(biāo)值；依次移動激光跟蹤儀到不同站位下，再次按相同編號順序重復(fù)測量齒輪上的待測點站位的設(shè)置需要遵守如下準(zhǔn)則，首先站位的個數(shù)m要滿足mn ^ 3m+3n,其中η為待測點的個數(shù)，即保證解方程個數(shù)大于優(yōu)化求解的未知數(shù)個數(shù)，使方程組有解；此外應(yīng)該保證所有待測點在每個站位下都應(yīng)該具有直線視距，為了保證測量精度通常遵循如下約定，即保證每個待測點測量不確定度小于為被測齒輪容許公差的四分之一； 2)每次測量結(jié)果的坐標(biāo)值可以表示為(d，α，β)，d表示距離，α表示水平角，β表示俯仰角。為了后續(xù)標(biāo)定運算，利用下式將球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化成笛卡爾坐標(biāo)系:.V = ?/χ Sin(Z)*) X sin(a)
【文檔編號】G01B11/00GK103712557SQ201310685007
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】陳洪芳, 閆昊, 石照耀, 林家春 申請人:北京工業(yè)大學(xué)