基准转换标准器在多系统集成中的应用

乔磊，孙安斌，王继虎，曹铁泽

(航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

经纬仪和激光跟踪仪广泛应用于航空、航天、船舶等领域[1-2],尤其是在航天总装精测领域,需要利用包括经纬仪、激光跟踪仪在内的多种测量设备进行协同测量[3]。由于测量系统不同,其测量基准也不同,因此在实际测量过程中,需要对不同测量系统下的测量基准进行基准转换对齐,从而保证整体的测量精度。

目前常用的基准转换方法包括两种:方法一、通过激光跟踪仪和经纬仪对现场布置的多个公共靶标点进行测量,获得公共靶标点在激光跟踪仪坐标系下的三维坐标以及在经纬仪坐标系下的方位角,之后计算得出经纬仪与激光跟踪仪坐标系之间的相对位置关系[4-5];方法二、利用电子经纬仪、激光跟踪仪同时测量同一个多边形分布的靶座阵球心[6],得到坐标值后通过平移旋转实现基准转换。两种方法的操作流程都较为复杂,难以实现快捷转换。

针对传统基准转换手段较为繁琐耗时的问题,本文提出了一种新型便携式基准转换标准器。该标准器能够便捷地实现立方镜光学基准与跟踪仪靶标固定点位组成的机械坐标系的转换,满足经纬仪与激光跟踪仪的基准转换需求。

1 多系统基准转换工作原理

1.1 激光跟踪仪测量原理

激光跟踪仪测量系统主要由激光干涉测距系统与角度编码器测角系统两部分构成。根据激光干涉测量得到距离,根据跟踪仪水平轴与垂直轴处两个角度编码器测得角度,计算得出被测点位的空间坐标。激光跟踪仪坐标测量原理如图1所示[7]。

图1 激光跟踪仪坐标测量原理图

以激光跟踪仪回转中心作为坐标原点O,激光干涉测距值为S,由编码器测得的水平角为α,垂直角为β,因此可以得到被测目标点A(xA,yA,zA)[8-9]的空间坐标为

1.2 经纬仪测量原理

经纬仪测量系统主要由两台或两台以上的经纬仪、计算机及距离标定尺组成。采用交会测量法对被测目标进行测量,使两台经纬仪同时瞄准被测目标点,以其中一台经纬仪的三轴中心为原点建立坐标系,两台经纬仪三轴中心的连线为x轴,右手法定位为y轴,铅垂方向为z轴,然后记录两台经纬仪此时显示的两个俯仰角(γ1,γ2)和两个水平角(δ1,δ2),以及两台经纬仪的高差h12和水平距离值b12,计算得出被测目标点的空间坐标。经纬仪测量原理图如图2所示[10-13]。

图2 经纬仪测量原理图

被测目标点M(xM,yM,zM)空间坐标的计算公式为

1.3 基准转换工作原理

当利用经纬仪和激光跟踪仪进行协同测量时,采用已知空间位置关系的基准转换标准器实现不同测量系统的坐标系转换。采用三坐标测量机测得同一基准转换标准器基准平面上激光跟踪仪测量靶点、经纬仪测量目标立方镜的空间坐标及各平面的法矢量方向,从而将测量靶点位置与立方镜法矢量方向定义在同一个坐标系下,便于之后进行基准转换。

如图3所示,采用激光跟踪仪和经纬仪分别对基准转换标准器上的跟踪目标靶点和立方镜进行测量,分别得到激光跟踪仪坐标系E和经纬仪坐标系F下的测量结果。通过跟踪目标靶点和立方镜的位置关系,即可确定基准转换标准器的坐标系G。

图3 基准转换原理图

分别计算基准转换标准器坐标系G与激光跟踪仪坐标系E、经纬仪坐标系F的关系为

式中:GP,EP,FP分别为基准转换标准器坐标系,激光跟踪仪坐标系,经纬仪坐标系下同一位置的列向量;GEP,GFP分别为基准转换标准器坐标系在激光跟踪仪坐标系,经纬仪坐标系下的姿态矩阵;GP E0,GPF0分别为基准转换标准器坐标系在激光跟踪仪坐标系,经纬仪坐标系下原点的位置向量。计算可得

根据式(5)即可得出激光跟踪仪坐标系、经纬仪坐标系之间的相对转换关系。将其中一个坐标系测得的任意点坐标按照上述关系进行相应的坐标系基准转换即可实现激光跟踪仪与经纬仪的联合测量功能[9]。

2 多系统基准转换标准器结构设计

多系统集成基准转换标准器如图4所示,其主要由基准转换组件、转向组件和三脚架组成。基准转换组件用于安装机械基准与光学基准,其主要由基准立方镜、立方镜安装座、定位销座、碳纤维基板、背部销孔背盖组成,如图5所示。转向组件安装在通用三脚架上,用于支撑碳纤维基板组件,并实现标准器俯仰角度0°～90°可调。

图4 基准转换标准器结构图

图5 基准转换组件结构分解图

碳纤维基板上给出了用于建立激光跟踪仪使用的机械坐标系的标准尺寸,板上有5个基准孔位,可与激光跟踪仪或经纬仪的反射目标的标准靶座适配。通过三坐标法测得反射目标在标准板坐标系下的中心坐标值,实现机械坐标系的建立。

碳纤维基板采用T300材料一体成型制造,其大小为600 mm×600 mm×10 mm。标准板的支撑点位置是经过仿真优化设计选定的,所选定的4个支撑点对碳纤维基板平面度的影响小于0.01 mm。碳纤维孔位图如图6所示,其中,P0～P4为五个定位销套,用于激光跟踪仪建立坐标系;C1,C2为安装2个基准立方镜的定位销套,用于经纬仪建立光学坐标系。

图6 碳纤维基板孔位分布图

3 多系统基准转换标准器结构分析及实验

3.1 支点位置选择

由于机械基准与光学基准的销套和立方镜座均安装在碳纤维基板上,碳纤维板的变形直接影响定位销套的共面度,因此需对支点位置进行分析及优化。

如图7所示,优化的目标是使定位销套的共面度误差最小,此碳纤维板是对称的,故只需要使P1点和P0点的相对变形量最小即可保证整个共面度误差最小。定义P0点和P1点的变形量分别为UP0,UP1,令共面度误差为Uabj=UP0-UP1,优化的目标为使Uabj最小。

图7 定位销套及支撑点位置图

在铺层方式固定后,碳纤维基板的变形量只受支撑点支撑范围的影响,本设计采用四点支撑,以图6所示的支撑半径为变量进行受力变形分析。水平状态下,受力后定位销套位置的变形最大,故只对水平状态进行分析,结果如图8所示。

图8 碳纤维板定位销套相对变形量与支撑点半径关系图

通过图8的分析结果可知,碳纤维板定位销套的相对变形量Uabj随支撑点直径的增加而减少,在支撑半径为220 mm左右时相对变形量达到最小,之后开始反向增加。而基准立方镜安装在直径为500 mm的斜对角位置,为防止位置干涉,选取支撑直径为420 mm的四个对角点为作为支撑点与碳纤维基板支撑板连接。

3.2 基准转换标准器稳定性实验

为验证基准转换标准器的稳定性,采用激光跟踪仪在距标准器2～3 m范围内,对基准转换标准器水平、45°倾斜、垂直状态下的5个定位孔(P0～P4)的空间坐标进行测量,并与水平标定的数据进行比对以分析其稳定性,测量结果如表1所示。

表1 基准转换标准器三种状态下定位孔中心位置的一致性试验结果 mm

从表1可以看出定位孔中心点在各种状态下的平均位置偏差为0.007 mm,小于激光跟踪仪在距标准器2～3 m范围内的坐标测量重复性(0.01 mm),证明标准器在各种状态下的变形量均满足使用要求。

3.3 经纬仪系统基准转换实验

用基准转换标准器对经纬仪的基准转换误差(包括坐标转换误差和法矢量转换误差)进行验证。分别利用经纬仪测量5个定位孔(P0～P4)的空间坐标及两个立方镜各镜面的法矢量[8],定位孔及立方镜的位置如图9所示。其中,P0～P4代表偏移量X=12 mm的0.5″反射镜的中心坐标,C1,C2代表立方镜。

图9 标准板定位孔位置示意图

基准器坐标系的定义如图10所示,由P0～P4拟合成的圆心为原点,定义拟合圆的法矢量方向为X轴,以过原点且平行于P3与P1连线方向(指向P1)为Y方向。

图10 基准转换标准器坐标系的定义

使用带有自准直功能的高精度电子经纬仪[7]进行基准转换实验,经纬仪的布局如图11所示。

图11 经纬仪测量标准器布局示意图

图11 中T1～T4代表经纬仪的安置位置。由T1,T2两台经纬仪组成坐标测量系统,使用偏移量X=12 mm的目标座及0.5″的半球目标对各个定位孔进行测量,测量结果与三坐标标定值的偏差如表2所示。

表2 基准转换标准器水平放置定位孔中心mm

利用T3,T4两台经纬仪经准直及互瞄测量立方镜面的法矢量,测量结果与三坐标测量机测得的法矢量进行比对,结果如表3所示。

表3 立方镜法矢量测量的一致性

通过测量结果可知,使用经纬仪对标准器进行测量时,定位孔中心点的测量偏差均小于0.06 mm;测量立方镜的三个坐标轴,立方镜C1的平均绝对偏差为0.0034°,立方镜C2的平均绝对偏差为0.0043°。以上测量结果小于经纬仪在距标准器2～3 m范围内的测量误差,证明标准器满足使用要求。

4 总结

研制了一种应用于多系统协同测试环境下的便携式基准转换标准器,解决了经纬仪、激光跟踪仪协同测量时传统基准转换手段较为繁琐耗时的问题。该装置将原有方法布置在多个位置的不同测量目标集成在同一基准转换标准器上,相较原有测量转换方法具有操作简单、移动便捷、工作效率高等优点。该装置在航天精测、航空检测、船舶测量等领域具有较高推广价值。未来需进一步研究其他测量设备之间的基准转换方法及装置,以满足多系统测量情况下的多样化基准转换需求。