CN103737433A - 大尺寸构件复合式精度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大尺寸构件复合式精度测量方法，包括如下建立经纬仪测量***；建立在线检测修整设备测量***；分别使用经纬仪测量***和在线检测修整设备测量***对公共基准球进行测量获得测量数据；根据测量数据将经纬仪测量***的经纬仪测量坐标系和在线检测修整设备测量***的机床测量坐标系转化统一到一个坐标系。本发明包括在线检测修整设备测量***和经纬仪测量***，通过组合测量技术，成功的解决了卫星产品装配阶段的测量需求，测量精度和测量性能均较好的满足了要求；本发明将非接触式和接触式测量技术融合，作为整体在复合式测量***下实现，在航天领域有着广泛的应用前景。

Description

大尺寸构件复合式精度测量方法

技术领域

本发明涉及工业测量技术领域，具体地，涉及一种大尺寸构件复合式精度测量方法。

背景技术

航天器大尺寸工件的空间坐标测量主要采用的测量手段有接触式和非接触式两种。接触式测量设备以在线检测修整设备或三坐标为代表；非接触式测量则以光学电子经纬仪为代表。但是这两种测量设备在各自独立工作时，由于设备自身固有功能的限制都存在着某些无法避免的缺点：

（1）接触式测量方法

以在线检测修整设备或三坐标为代表，优点在于测量范围大、通用性强、可根据测量结果实时生成数控加工程序进行工件修正，但存在以下缺点：

由于测头的位置限制，特殊构型的工件型面如孔、洞等无法实施测量；

测量臂受加工轴尺寸限制以及空间结构的机械干涉，无法实施对桁架内部或平台舱内部结构的测量。

（2）非接触式测量方法

以光学电子经纬仪为代表，优点在于测量精度高、测量方位角度灵活，可对桁架或平台舱内部实施测量，但存在以下缺点：

受经纬仪交汇测量原理的限制，被测物测点位置必须粘贴靶标或棱镜；

测空间距离尺寸精度不如在线检测修正设备或三坐标；

无法根据测量结果实时地对工件加工修正。

鉴于以上现实问题，必须将目前接触式和非接触式测量方法进行复合，最大程度地发挥各自技术优势，取长补短，以获取被测工件更为全面准确的精度数据，这对于确保今后大型平台卫星的精度测量具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大尺寸构件复合式精度测量方法。

本发明涉及卫星大尺寸复合式精度测量***，包括经纬仪测量装置、在线检测修整设备、高精度基准靶标球以及复合测量***专用软件等。

本发明所要解决的技术问题是接触式测量装置，以三坐标为代表和非接触测量装置，以经纬仪为代表独立工作，无法满足测量要求。而本发明针对该问题提出一种大尺寸复合式精度测量构建方法，本发明能够发挥各测量***技术优势，取长补短，解决卫星壳体装配、桁架装配以及大型结构件装配等过程的精度测量的问题。

根据本发明的一个方面，提供的大尺寸构件复合式精度测量方法，包括如下步骤：

步骤1：建立经纬仪测量***；

步骤2：建立在线检测修整设备测量***；

步骤3：分别使用经纬仪测量***和在线检测修整设备测量***对公共基准球进行测量获得测量数据；

步骤4：根据测量数据将经纬仪测量***的经纬仪测量坐标系和在线检测修整设备测量***的机床测量坐标系转化统一到一个坐标系。

优选地，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：将多台经纬仪精密调平；

步骤1.2：进行经纬仪内觇标双面互瞄，以消除经纬仪的轴系误差和内觇标的安装误差；

步骤1.3：使用两台以上经纬仪测量基准尺，进行盘左和盘右观测。

优选地，步骤4之后还包括如下步骤：

步骤5：将经纬仪测量***和在线检测修整设备测量***与主控制器相连以构成复合测量***；

步骤6：使用复合测量***对被测物的坐标进行测量。

优选地，在线检测修整设备测量***包括机床数据传输器、机床控制器，所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：将机床数据传输器的两端分别连接在主控制器和机床控制器上；

步骤2.2：通过USB接口将机床控制器的测量数据传输到主控制器。

优选地，在步骤3中包括如下步骤：

步骤3.1：在经纬仪测量坐标系中测量公共基准球的经纬坐标；

步骤3.2：在机床测量坐标系中测量公共基准球的机床坐标。

优选地，步骤3.1包括如下步骤：

步骤3.1.1：将单点坐标测量的模式设置为圆心测量模式；

步骤3.1.2：使用一台经纬仪的第四象限的十字丝切准公共基准球的左上边缘，记录水平角度值和天顶距分别为(Hz₁₁，V₁₁)；

步骤3.1.3：再次将该台经纬仪的第二象限切准公共基准球的右下边缘，记录水平角度值和天顶距分别为(Hz₁₂，V₁₂)；

步骤3.1.4：计算过公共基准球球心的角度值和天顶距分别为（Hz₁，V₁），具体为，Hz₁=(Hz₁₁+Hz₁₂)/2

V₁=(V₁₁+V₁₂)/2；

步骤3.1.5：使用第二台经纬仪对公共基准球进行测量，计算过公共基准球球心的角度值和天顶距分别为为(Hz₂，V₂)；

步骤3.1.6：利用空间点坐标交会测量原理，交会得到公共基准球球心的经纬坐标。

优选地，步骤3.2包括如下步骤：

步骤3.2.1：测量公共基准球表面的若干个点的坐标；

步骤3.2.2：利用最小二乘法拟合公共基准球表面的若干个点的坐标，得到公共基准球球心的机床坐标。

优选地，在步骤3中获得三个公共基准点坐标。

优选地，步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：将经纬仪测量坐标系转换为机床测量坐标系，具体为，设经纬仪测量坐标系O-XYZ先平移（X₀，Y₀，Z₀）再旋转(ε_x，ε_y，ε_z)，最后缩放k倍后，转换到机床测量坐标系O′-X′Y′Z′，则公共基准点在O-XYZ中的坐标为（X，Y，Z）,在O′-X′Y′Z′中的坐标为（X′，Y′，Z′）；

步骤4.2：计算坐标转换后的矩阵方程，

$\left(\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\end{array}\right)=k{\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& a_2& a_3\\ b_1& b_2& b_3\\ c_1& c_2& c_3\end{array}\right)}^T\left(\begin{array}{c}X-X_0\\ Y-Y_0\\ Z-Z_0\end{array}\right)$

其中， $\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& a_2& a_3\\ b_1& b_2& b_3\\ c_1& c_2& c_3\end{array}\right)$ 为转换矩阵参数；

步骤4.3：将三个公共基准点坐标代入步骤4.2中的矩阵方程，计算得到经纬仪测量坐标系与机床测量坐标系的参数关系。

优选地，公共基准球数量要求3个以上，每个公共基准球的球度优于8μm，球表面粗糙度优于1.6μm。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明包括在线检测修整设备测量***和经纬仪测量***，通过组合测量技术，成功的解决了卫星产品装配阶段的测量需求，测量精度和测量性能均较好的满足了要求；

2.本发明通过基准球提供了公共基准点，将机床坐标系和经纬仪坐标系转换和统一到一个坐标系下，实现了同一坐标系的数据解算和处理，经过***误差改正，其测量精度明显提高，在特殊条件下具有良好的应用；

3.本发明将非接触式和接触式测量技术融合，作为整体在复合式测量***下实现，在航天领域有着广泛的应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中大尺寸复合式精度测量***构建示意图；

图2为本发明中复合式测量***数据传输和处理架构示意图；

图3为本发明中步骤流程图。

图中：

1 为计算机；

2 为在线检测修整设备；

3 为经纬仪；

4 为公共基准球；

5 为待测靶标；

6 为待测物。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图所示，本发明主要包括经纬仪测量装置、在线检测修整设备装置、基准球、数据传输器和数据处理装置等。其中，经纬仪测量装置由TM5100A电子经纬仪、基准尺、电源控制器和标志靶标等组成，通过采集待测部位粘贴的靶标点信息求解三维点坐标，测量数据采用GSI（Geodetic Serial Interface，大地测量串行接口）指令，通过RS-232C通讯方式实现计算机与仪器的数据和指令通讯。在线检测修整设备主要由工业控制计算机、触发式测头、信号传输及接口电路等硬件部分和测量***控制软件组成。在线检测修整设备将检测数据通过工业控制计算机自动建立一个可视化的整机精度修整模型，确定各分***、单机安装面的修整余量，并将有关工艺参数回馈给在线检测与修整设备，或者自动生成数控加工程序，测量数据可以通过自身预留的USB接口传输到外部设备中。公共基准转是经纬仪和在线检测修整设备坐标系转换的公共基准，公共基准球数量要求3个以上，每个公共基准球的球度优于8μm，球表面粗糙度优于1.6μm。数据传输器，将机床的测量数据实时传输到计算机中并被测量软件接收；数据处理***即复合式测量软件集成***，采用面向对象的编程语言编写，分为经纬仪测量模块、数据管理模块、经纬仪定向模块、数据解算模块、机床测量、坐标系模块等部分。

如图2、图3所示，本发明包括如下步骤：

步骤1：建立经纬仪测量***。

将多台经纬仪精密调平后，通过电缆线和T-LINK控制器连接，T-LINK控制器通过网线和计算机连接；进行经纬仪内觇标双面互瞄，以消除经纬仪的轴系误差和内觇标的安装误差；然后用两台经纬仪测量基准尺，进行盘左和盘右观测，软件进行***解算，建立经纬仪交会测量***。

步骤2：建立在线检测修整设备测量***。

将机床数据传输器的两端分别连接在计算机和机床控制器上，将开关切换到机床控制器一端，在机床控制器显示找到U盘的提示后，再将机床的*.ARC或者*.MPF格式的数据文件通过USB接口将测量数据传输到复合测量***数据库中。

步骤3：分别使用经纬仪测量***和在线检测修整设备测量***对公共基准球进行测量获得测量数据。

在复合测量软件中，经纬仪测量公共基准球时，将单点坐标测量的模式设置为“圆心测量”，用第1台经纬仪的第四象限的十字丝切准基准靶标球的左上边缘，记录水平角度值和天顶距分别为(Hz₁₁，V₁₁)，再用该台经纬仪的第二象限切准基准靶标球的右下边缘，记录水平角度值和天顶距分别为(Hz₁₂，V₁₂)，对观测值取平均，并且令；

Hz₁=(Hz₁₁+Hz₁₂)/2

V₁=(V₁₁+V₁₂)/2

则角度值和天顶距(Hz₁，V₁)过球心，同理可以得到第二台经纬仪过球心的角度值和天顶距为(Hz₂，V₂)，利用空间点坐标交会测量原理，即可交会得到靶标球心的坐标为（x，y，z）。

机床测量公共基准球时，通过测量靶标球表面的若干个点，利用最小二乘拟合的方法，间接得到靶标球心。在测量靶标球表面n（n≥4）个测量点，其坐标值为P_i（x_i，y_i，z_i），其中i=1,2,3,…,n。可拟合得到球心在机床测量***中的三维坐标。

按上述步骤，分别采集三个以上公共基准点。

步骤4：根据测量数据将经纬仪测量***的经纬仪测量坐标系和在线检测修整设备测量***的机床测量坐标系转化统一到一个坐标系。

设经纬仪测量坐标系O-XYZ先平移（X₀，Y₀，Z₀）再旋转(ε_x，ε_y，ε_z)，最后缩放k倍后，转换到机床坐标系O′-X′Y′Z′。点P在O-XYZ中的坐标为

（X，Y，Z）,在O′-X′Y′Z′中的坐标为（X′，Y′，Z′）,通过矩阵方程，当公共基准

$\left(\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\end{array}\right)=k{\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& a_2& a_3\\ b_1& b_2& b_3\\ c_1& c_2& c_3\end{array}\right)}^T\left(\begin{array}{c}X-X_0\\ Y-Y_0\\ Z-Z_0\end{array}\right),$

其中， $\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& a_2& a_3\\ b_1& b_2& b_3\\ c_1& c_2& c_3\end{array}\right)$ 为转换矩阵参数。

点个数大于3时，即可得到经纬仪坐标系与机床坐标系的参数关系，也就是实现了经纬仪测量坐标系和机床坐标系之间的转换。

步骤5：将经纬仪测量***和在线检测修整设备测量***与主控制器相连以构成复合测量***。

步骤6：使用复合测量***对被测物的坐标进行测量。

综上所述，本方法将非接触式和接触式测量技术融合，利用公共基准球提供公共基准点，将机床坐标系和经纬仪坐标系转换和统一到一个坐标系下，实现了卫星大尺寸复合式测量的要求。为解决卫星壳体装配、桁架装配以及大型结构件装配等过程的精度测量难题提供了有力的支持。

本发明的数据传输如2所示，经纬仪1测量数据通过通信串口1以及经纬仪n测量数据通过通信串口n传递给T-LINK控制器,然后传递给计算机。机床测量数据存储在数据存储器中，然后通过USB通信接口传递给数据传输器，由数据传输器传输给计算机。由计算机由经纬仪原始测量数据经过三角交会解算，求出公共基准球，即靶标球的经纬坐标，由机床原始测量数据计算出机床坐标。然后进行坐标的统一与转换，最后经过数据处理与解算，将数据保存至角度和坐标数据库。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种大尺寸构件复合式精度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立经纬仪测量***；

步骤2：建立在线检测修整设备测量***；

步骤3：分别使用经纬仪测量***和在线检测修整设备测量***对公共基准球进行测量获得测量数据；

步骤4：根据测量数据将经纬仪测量***的经纬仪测量坐标系和在线检测修整设备测量***的机床测量坐标系转化统一到一个坐标系。

2.根据权利要求1所述的大尺寸构件复合式精度测量方法，其特征在于，经纬仪测量***包括多台经纬仪，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：将多台经纬仪精密调平；

步骤1.2：进行经纬仪内觇标双面互瞄，以消除经纬仪的轴系误差和内觇标的安装误差；

步骤1.3：使用两台以上经纬仪测量基准尺，进行盘左和盘右观测。

3.根据权利要求1所述的大尺寸构件复合式精度测量方法，其特征在于，步骤4之后还包括如下步骤：

步骤5：将经纬仪测量***和在线检测修整设备测量***与主控制器相连以构成复合测量***；

步骤6：使用复合测量***对被测物的坐标进行测量。

4.根据权利要求1或2所述的大尺寸构件复合式精度测量方法，其特征在于，在线检测修整设备测量***包括机床数据传输器、机床控制器，所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：将机床数据传输器的两端分别连接在主控制器和机床控制器上；

步骤2.2：通过USB接口将机床控制器的测量数据传输到主控制器。

5.根据权利要求3所述的大尺寸构件复合式精度测量方法，其特征在于，在步骤3中包括如下步骤：

步骤3.1：在经纬仪测量坐标系中测量公共基准球的经纬坐标；

步骤3.2：在机床测量坐标系中测量公共基准球的机床坐标。

6.根据权利要求5所述的大尺寸构件复合式精度测量方法，其特征在于，步骤3.1包括如下步骤：

步骤3.1.1：将单点坐标测量的模式设置为圆心测量模式；

步骤3.1.2：使用一台经纬仪的第四象限的十字丝切准公共基准球的左上边缘，记录水平角度值和天顶距分别为(Hz₁₁，V₁₁)；

步骤3.1.3：再次将该台经纬仪的第二象限切准公共基准球的右下边缘，记录水平角度值和天顶距分别为(Hz₁₂，V₁₂)；

步骤3.1.4：计算过公共基准球球心的角度值和天顶距分别为（Hz₁，V₁），具体为，Hz₁=(Hz₁₁+Hz₁₂)/2

V₁=(V₁₁+V₁₂)/2；

步骤3.1.5：使用第二台经纬仪对公共基准球进行测量，计算过公共基准球球心的角度值和天顶距分别为为(Hz₂，V₂)；

步骤3.1.6：利用空间点坐标交会测量原理，交会得到公共基准球球心的经纬坐标。

7.根据权利要求5所述的大尺寸构件复合式精度测量方法，其特征在于，步骤3.2包括如下步骤：

步骤3.2.1：测量公共基准球表面的若干个点的坐标；

步骤3.2.2：利用最小二乘法拟合公共基准球表面的若干个点的坐标，得到公共基准球球心的机床坐标。

8.根据权利要求1所述的大尺寸构件复合式精度测量方法，其特征在于，在步骤3中获得三个公共基准点坐标。

9.根据权利要求8所述的大尺寸构件复合式精度测量方法，其特征在于，步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：将经纬仪测量坐标系转换为机床测量坐标系，具体为，设经纬仪测量坐标系O-XYZ先平移（X₀，Y₀，Z₀）再旋转(ε_x，ε_y，ε_z)，最后缩放k倍后，转换到机床测量坐标系O′-X′Y′Z′，则公共基准点在O-XYZ中的坐标为（X，Y，Z）,在O′-X′Y′Z′中的坐标为（X′，Y′，Z′）；

步骤4.2：计算坐标转换后的矩阵方程，

$\left(\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\end{array}\right)=k{\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& a_2& a_3\\ b_1& b_2& b_3\\ c_1& c_2& c_3\end{array}\right)}^T\left(\begin{array}{c}X-X_0\\ Y-Y_0\\ Z-Z_0\end{array}\right)$

其中， $\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& a_2& a_3\\ b_1& b_2& b_3\\ c_1& c_2& c_3\end{array}\right)$ 为转换矩阵参数；

步骤4.3：将三个公共基准点坐标代入步骤4.2中的矩阵方程，计算得到经纬仪测量坐标系与机床测量坐标系的参数关系。

10.根据权利要求1所述的大尺寸构件复合式精度测量方法，其特征在于，公共基准球数量要求3个以上，每个公共基准球的球度优于8μm，球表面粗糙度优于1.6μm。

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