CN109297426A - 一种大型精密工业设备变形量与伺服角度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型精密工业设备变形量与伺服角度检测方法，属于工业测量与大地测量交叉的技术领域。本发明使用了工业摄影测量***、激光跟踪仪与高精度全站仪相结合的技术，主要发明内容有：①在基准尺的基础上，将激光跟踪仪测量的两根线段长度也作为摄影测量的长度基准，提高摄影测量空间尺度精度的同时也可以进行相互检核；②自制拍摄辅助伸缩杆，让测量相机能够以任何角度拍摄目标的任何位置，解决大型设备的观测难题；③借助激光跟踪仪建立的局部重力水平坐标系作为过渡，实现了摄影测量坐标系到大地坐标系的高精度转换。

Description

一种大型精密工业设备变形量与伺服角度检测方法

技术领域

本发明属于工业测量与大地测量交叉的技术领域，具体地说，是关于一种大型精密工业设备变形量与伺服角度检测方法。

背景技术

现有的测量方法存在的问题： 成果是独立的摄影测量坐标系，缺少与国家大地坐标系的高精度转换方法；受工业测量相机景深、摄影标志反射角度等因素的限制，对大型设备拍摄时容易产生盲区；大型设备与基准尺的长度比值过大，不利于全局的空间尺度精度控制。本单位承接了新疆某大型精密工业设备的变形量与伺服角度检测项目，为克服现有技术不足，研发了本发明所公开的技术。

发明内容

本发明为解决背景技术中提及的问题，研究了一种工业摄影测量***、激光跟踪仪、高精度全站仪相结合的方法，用以检测大型精密工业设备的重力与温度变形量，并在大地测量坐标系下检测伺服角度。通过项目验证，该方法具有观测区域大、采集速度快、成果精度高、坐标可转换等优势，有效提高了大型精密工业设备变形量与伺服角度检测的效率与精度，并可将检测成果纳入国家统一的大地坐标系，对大型精密工业设备的制造与装配具有重要意义。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种大型精密工业设备变形量与伺服角度检测方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一、现场踏勘：对工业设备的形状尺寸、外部环境、***控制点点位分布及通视条件进行现场踏勘，确定工业设备的测量标志布设方案、激光跟踪仪架设点位、工业摄影测量***架设点位和全站仪架设点位，在确定的测量标志处安装磁性基座；

步骤二、建立激光跟踪仪坐标系并确定激光跟踪仪坐标系公共点标志：利用激光跟踪仪的测量水平面功能得到局部重力水平面，以激光跟踪仪中心为原点，水平面法线方向为Z轴，北方向为X轴，建立独立的右手空间直角坐标系，命名为激光跟踪仪坐标系，在磁性基座中安置激光跟踪仪反射球，以激光跟踪仪测量激光跟踪仪反射球位置，使各个磁性基座在激光跟踪仪坐标系中具有坐标，其中，有至少四个磁性基座定义为激光跟踪仪坐标系公共点标志；

步骤三、建立摄影测量坐标系并确定摄影测量坐标系公共点标志：以摄影测量中心为原点，建立摄影测量坐标系，在磁性基座处固定一根基准尺，在磁性基座上放置摄影标志靶球，摄影标志靶球球心和激光跟踪仪反射球球心重叠，用工业摄影测量***对工业设备进行摄影，获得摄影测量数据；通过测量，获得至少两条基准线段的真实长度，基准线段为磁性基座的球心坐标之间的连线，将基准线段长度带入摄影测量数据，对摄影测量数据进行平差解算，使磁性基座在摄影测量坐标系中具有坐标，同时获得摄影测量数据中基准尺平差解算的长度，将摄影测量数据中基准尺平差解算的长度与基准尺的真实长度进行比对，用以验证摄影测量解算成果的空间尺度精度；将定义为激光跟踪仪坐标系公共点标志的磁性基座定义为摄影测量坐标系公共点标志；

步骤四、确定大地坐标系公共点标志：在工业设备所处建筑内侧墙面上布设全站仪的反射片，反射片位置对于内部观测墩和激光跟踪仪站点都要通视良好，观测角度合适，反射片在立体空间均匀分布；使用已在国家大地坐标系中定向的全站仪，测定所有反射片中心点在大地坐标系中的三维坐标；将激光跟踪仪手持测头顶住反射片中心，测定所有反射片中心在激光跟踪仪坐标系的三维坐标；

步骤五、关联摄影测量坐标系与大地坐标系：由于激光跟踪仪坐标系公共点标志与摄影测量坐标系公共点标志位置相同，将其作为公共点对，计算摄影测量坐标系与激光跟踪仪坐标系的转换参数；以反射片中心点作为公共点对，计算激光跟踪仪坐标系与大地坐标系的转换参数；从而获得摄影测量坐标系与大地坐标系的转换参数，实现摄影测量坐标系与大地坐标系的关联；

步骤六、重力与温度变形检测：在工业设备的不同重力与温度状态下会产生形变，测量人员携带测量相机，对工业设备多角度拍照测量并提取测量标志在摄影测量坐标系中的三维坐标，利用摄影测量坐标系与大地坐标系的转换参数获得工业设备在大地坐标系中的三维坐标，并利用这些坐标分析工业设备的变形量；

步骤七、伺服角度检测：将步骤六中提取的测量标志坐标，利用摄影测量坐标系与大地坐标系的转换参数获得工业设备在大地坐标系中的三维坐标，计算工业设备上主要规则平面的法方向，通过与大地北方向的比较，检测伺服角度的精度。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的步骤三中，基准线段的选择方式为：在作为激光跟踪仪坐标系公共点标志的磁性基座中选取四个，分布尽量接近矩形，基准线段为四个磁性基座的球心坐标进行对角连线得到的两条线段。

上述的在工业设备的底部与背部设置编码标志，用于在高仰角时将设备本身与设备底座关联起来。

上述的步骤六中，测量人员携带测量相机依靠升降装置与拍摄辅助伸缩杆进行多角度拍照测量，所述的升降装置为升降机，所述的拍摄辅助伸缩杆为三节式伸缩杆，总长6米，固定在升降机上。

上述的每个测量标志要被四个以上不同位置的工业摄影测量***所拍摄。

上述的基准线段的长度长于基准尺长度。

为实现上述技术目的，本方法的发明内容主要有：

发明内容一、在基准尺的基础上，将激光跟踪仪测量的两根线段长度也作为摄影测量解算的长度基准。原因是大型精密工业设备尺寸和基准尺长度的比值过大，单独使用基准尺无法有效控制摄影测量中全局的尺寸精度，而通过长度显著长于基准尺的基准线段来作为长度基准，能更好地把握全局，提高测量精度。

发明内容二、摄影测量坐标系到大地坐标系的高精度转换方法。通过建立激光跟踪仪坐标系和摄影测量坐标系，并在工业设备上设置若干个作为公共点的磁性基座，在工业设备周围设置反射贴片的手段，使得摄影测量坐标系、激光跟踪仪坐标系和大地坐标系可以相互转换，最终实现了摄影测量坐标系到大地坐标系的高精度转换。

发明内容三、使用自制的拍摄辅助伸缩杆扩大工业测量相机的拍摄范围与拍摄角度。当大型工业设备处于高仰角状态时，升降机无法将摄影测量人员及设备送到指定拍摄位置，需要拍摄辅助伸缩杆协助摄影测量设备拍摄。拍摄辅助伸缩杆由铝型材杆件（3根，每根2米）、相机滑动装置等配件组成。拍摄过程中将3跟铝型材杆件通过一字连接件连接成6米长固定在升降机吊篮扶手处，通过钢丝绳拉动相机滑动装置使相机能够到达铝型材杆件上任意位置。

具体实施方式

以下对本发明的实施例作进一步详细描述。

本发明的一种大型精密工业设备变形量与伺服角度检测方法，包括以下步骤：

步骤一、现场踏勘：充分了解工业设备形状尺寸与外部环境、***控制点点位分布及通视条件，结合大型精密工业设备在各姿态状态下的测量需求与精度要求，初步确定标志布设方案、测量设备架设点位、工作流程设计等。具体内容有：

1）了解大型精密工业设备的形状、尺寸等信息，为升降装备的选择提供依据，并确定磁性基座与基准尺的布设位置。

2）了解大型精密工业设备的颜色、材质等信息，为摄影靶标的选择提供依据。

3）了解大型精密工业设备的伺服***转动区间，确定重力变形量检测中的方位角与俯仰角的组合。

4）了解大型精密工业设备的空调***，确定温度变形量检测中环境温度值组合。

5）了解大型精密工业设备外部的控制点（大地坐标系）点位分布以及通视条件，确定全站仪与激光跟踪仪的架设点位。

6）了解大型精密工业设备周围的地面与墙面情况，确定反射片的布设位置。

步骤二、布设测量标志：测量标志按用途主要分为摄影标志、激光跟踪仪坐标系标志、大地坐标系标志和编码标志。

1）布设摄影测量标志：①建立长度基准。在设备底座侧面固定基准尺的同时，用激光跟踪仪测定两根检测线段长也作为长度基准，两者可以互相检核。②布设测量标志。按照固定间距在工业设备表面布设与摄影测量***配套的测量标志。③增加编码标志。在工业设备的底部与背部增加编码标志，用以在高仰角时关联设备与设备底座。

摄影标志的布设原则：①保证每张像片至少4个编码标志；②保证每张像片上至少12个分布均匀的测量标志；③保证每个测量标志至少在3张不同位置的像片上成像；④最大限度维持大型工业设备的现状并减少在表面粘贴摄影标志的工作量。

2）布设摄影测量坐标系与激光跟踪仪坐标系的公共点标志：考虑到测量现场空间局限性、摄影测量相机的景深、激光跟踪仪与摄影测量坐标系转换的便利性，在工业设备底座侧面布置5个通用磁性基座，用于安置摄影半球标志与激光跟踪仪反射球，作为坐标系转换公共点。

3）布设激光跟踪仪与大地坐标系的公共点标志：为了在激光跟踪仪坐标系与全站仪坐标系之间进行转换，需要在设备所处建筑的内侧墙面上布设全站仪的反射片。反射片位置对于内部观测墩和激光跟踪仪站点都要通视良好，且观测角度合适，反射片在立体空间均匀分布。

步骤三、利用激光跟踪仪建立坐标系：利用激光跟踪仪的测量水平面功能得到局部重力水平面，以激光跟踪仪中心为原点，水平面法线（向上）方向为Z轴，北方向为X轴，建立独立的右手空间直角坐标系，命名为激光跟踪仪坐标系。

步骤四、计算激光跟踪仪坐标系与摄影测量坐标系的转换参数。详细步骤如下。

1）在工业设备的底座侧面选取若干（至少3个）跟踪仪反射球磁性基座，球座位置在立体空间内分布均匀，保证不在一条直线上。

2）将直径1.5英寸（38.1mm）的跟踪仪反射球放置在磁性基座上，并用激光跟踪仪测定球心的三维坐标。

3）在磁性基座上放置摄影测量***的标志靶球（半球，直径1.5英寸），利用摄影测量***拍摄并解算得到靶球球心坐标。

4）跟踪仪反射球与摄影标志靶球在放置到磁性基座上后，两个球心的空间位置是重合的，可以作为公共点对，计算摄影测量坐标系与激光跟踪仪坐标系的转换参数。

步骤五、计算激光跟踪仪坐标系与国家大地坐标系的转换参数。详细步骤如下。

1）在工业设备附近地面和墙面选取若干（至少3个）全站仪反射片，且保证反射片在立体空间内分布均匀，保证不在一条直线上。

2) 测量工业设备所处建筑内部观测墩的大地坐标。

（a）将测量现场***已知GPS控制点坐标经纬度（B, L）按照高斯投影正算原理投影至高斯平面得到平面坐标（x, y），并使用独立高程***。

（b）以工业设施所处建筑外控制点为测站架设全站仪，以其他任一控制点定向观测设备所处建筑内控制点坐标，将外部坐标***传入建筑内。

（c）利用除定向点外其他控制点重新定向，测量设备所处建筑内控制点坐标作为检核。

3）在建筑内部观测墩上架设全站仪，并用外部控制点定向，在国家大地坐标系下，测定所有反射片中心点的三维坐标。

4）将激光跟踪仪手持测头（安置0.1mm探针）顶住反射片中心，在激光跟踪仪坐标系下，测定所有反射片中心的三维坐标。

5）以反射片中心点作为公共点对，计算激光跟踪仪坐标系与大地坐标系的转换参数。

步骤六、重力与温度变形量检测：保持工业设备的不同俯仰角与温度状态，测量人员携带测量相机，依靠升降装置与自制拍摄辅助伸缩杆进行多角度拍照测量并提取标志点三维坐标（摄影测量坐标系），并利用这些坐标分析变形量。

摄影测量中网型的设计：相机拍摄位置与目标物体的方位构成了测量网的形状，摄站位置不仅要顾及影响精度的各种因素，还要兼顾工作环境的可用空间、相机本身的性能（如视场角、景深）和摄影标志对入射角的限制等因素。测量网形的规划设计遵循如下原则：

（a）尽可能使每个标志点被四个以上不同位置的摄站所拍摄。从多个不同位置对标志点进行交会测量，不仅能提高精度，而且增加了多余观测值，可以提高测量结果的可靠性。

（b）尽可能使每个标志点的交会角在60°~120°之间。

（c）尽可能对每个标志点的摄影入射角小于45°，最大不超过60°。

（d）尽可能使每个摄站都能拍摄所有标志，即保持所有像片间有100％重叠；如果只能对部分目标摄影，尽可能使相邻像片间具有较多的重叠和公共点。

（e）至少在一个摄站将相机旋转90°拍摄一次。

对于面状结构被测物，形成完全重叠测量网是最佳的情况。但如果物体太大或测量空间有限的情况下，只能采用部分重叠摄影。当被测物是有多面结构时，首先对各个表面按前述方法进行网形设计，再在面连接处增加摄站进行摄影，这样各个表面的联系就建立起来了。

步骤七、伺服角度检测：将步骤六中提取的标志点坐标，先由摄影测量坐标系转换到激光跟踪仪坐标系，再由激光跟踪仪坐标系转换到大地坐标系。计算工业设备上主要规则平面的法方向与大地北方向、水平面的夹角，检测伺服角度的精度。

工业设备的主要规则平面是指面积较大且与设备整体的位置固定的某个平面。主要规则平面的法线方向计算方法：（a）提取属于该平面的摄影标志点坐标；（b）用最小二乘平面拟合算法得到该平面的数学方程；（c）计算该平面的法线方程。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大型精密工业设备变形量与伺服角度检测方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一、现场踏勘：对工业设备的形状尺寸、外部环境、***控制点点位分布及通视条件进行现场踏勘，确定工业设备的测量标志布设方案、激光跟踪仪架设点位、工业摄影测量***架设点位和全站仪架设点位，在确定的测量标志处安装磁性基座；

步骤二、建立激光跟踪仪坐标系并确定激光跟踪仪坐标系公共点标志：利用激光跟踪仪的测量水平面功能得到局部重力水平面，以激光跟踪仪中心为原点，水平面法线方向为Z轴，北方向为X轴，建立独立的右手空间直角坐标系，命名为激光跟踪仪坐标系，在磁性基座中安置激光跟踪仪反射球，以激光跟踪仪测量激光跟踪仪反射球位置，使各个磁性基座在激光跟踪仪坐标系中具有坐标，其中，有至少四个磁性基座定义为激光跟踪仪坐标系公共点标志；

步骤三、建立摄影测量坐标系并确定摄影测量坐标系公共点标志：以摄影测量中心为原点，建立摄影测量坐标系，在磁性基座处固定一根基准尺，在磁性基座上放置摄影标志靶球，摄影标志靶球球心和激光跟踪仪反射球球心重叠，用工业摄影测量***对工业设备进行摄影，获得摄影测量数据；通过测量，获得至少两条基准线段的真实长度，基准线段为磁性基座的球心坐标之间的连线，将基准线段长度带入摄影测量数据，对摄影测量数据进行平差解算，使磁性基座在摄影测量坐标系中具有坐标，同时获得摄影测量数据中基准尺平差解算的长度，将摄影测量数据中基准尺平差解算的长度与基准尺的真实长度进行比对，用以验证摄影测量解算成果的空间尺度精度；将定义为激光跟踪仪坐标系公共点标志的磁性基座定义为摄影测量坐标系公共点标志；

步骤四、确定大地坐标系公共点标志：在工业设备所处建筑内侧墙面上布设全站仪的反射片，反射片位置对于内部观测墩和激光跟踪仪站点都要通视良好，观测角度合适，反射片在立体空间均匀分布；使用已在国家大地坐标系中定向的全站仪，测定所有反射片中心点在大地坐标系中的三维坐标；将激光跟踪仪手持测头顶住反射片中心，测定所有反射片中心在激光跟踪仪坐标系的三维坐标；

步骤五、关联摄影测量坐标系与大地坐标系：由于激光跟踪仪坐标系公共点标志与摄影测量坐标系公共点标志位置相同，将其作为公共点对，计算摄影测量坐标系与激光跟踪仪坐标系的转换参数；以反射片中心点作为公共点对，计算激光跟踪仪坐标系与大地坐标系的转换参数；从而获得摄影测量坐标系与大地坐标系的转换参数，实现摄影测量坐标系与大地坐标系的关联；

步骤六、重力与温度变形检测：在工业设备的不同重力与温度状态下会产生形变，测量人员携带测量相机，对工业设备多角度拍照测量并提取测量标志在摄影测量坐标系中的三维坐标，利用摄影测量坐标系与大地坐标系的转换参数获得工业设备在大地坐标系中的三维坐标，并利用这些坐标分析工业设备的变形量；

步骤七、伺服角度检测：将步骤六中提取的测量标志坐标，利用摄影测量坐标系与大地坐标系的转换参数获得工业设备在大地坐标系中的三维坐标，计算工业设备上主要规则平面的法方向，通过与大地北方向的比较，检测伺服角度的精度。

2.根据权利要求1所述的一种大型精密工业设备变形量与伺服角度检测方法，其特征是：步骤三中，基准线段的选择方式为：在作为激光跟踪仪坐标系公共点标志的磁性基座中选取四个，分布尽量接近矩形，基准线段为四个磁性基座的球心坐标进行对角连线得到的两条线段。

3.根据权利要求1所述的一种大型精密工业设备变形量与伺服角度检测方法，其特征是：在工业设备的底部与背部设置编码标志，用于在高仰角时将设备本身与设备底座关联起来。

4.根据权利要求1所述的一种大型精密工业设备变形量与伺服角度检测方法，其特征是：步骤六中，测量人员携带测量相机依靠升降装置与拍摄辅助伸缩杆进行多角度拍照测量，所述的升降装置为升降机，所述的拍摄辅助伸缩杆为三节式伸缩杆，总长6米，固定在升降机上。

5.根据权利要求1所述的一种大型精密工业设备变形量与伺服角度检测方法，其特征是：每个测量标志要被四个以上不同位置的工业摄影测量***所拍摄。

6.根据权利要求1所述的一种大型精密工业设备变形量与伺服角度检测方法，其特征是：所述的基准线段的长度长于基准尺长度。