基準轉換標準器在多系統集成中的應用

喬磊，孫安斌，王繼虎，曹鐵澤

(航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

經緯儀和激光跟蹤儀廣泛應用于航空、航天、船舶等領域[1-2],尤其是在航天總裝精測領域,需要利用包括經緯儀、激光跟蹤儀在內的多種測量設備進行協同測量[3]。由于測量系統不同,其測量基準也不同,因此在實際測量過程中,需要對不同測量系統下的測量基準進行基準轉換對齊,從而保證整體的測量精度。

目前常用的基準轉換方法包括兩種:方法一、通過激光跟蹤儀和經緯儀對現場布置的多個公共靶標點進行測量,獲得公共靶標點在激光跟蹤儀坐標系下的三維坐標以及在經緯儀坐標系下的方位角,之后計算得出經緯儀與激光跟蹤儀坐標系之間的相對位置關系[4-5];方法二、利用電子經緯儀、激光跟蹤儀同時測量同一個多邊形分布的靶座陣球心[6],得到坐標值后通過平移旋轉實現基準轉換。兩種方法的操作流程都較為復雜,難以實現快捷轉換。

針對傳統基準轉換手段較為繁瑣耗時的問題,本文提出了一種新型便攜式基準轉換標準器。該標準器能夠便捷地實現立方鏡光學基準與跟蹤儀靶標固定點位組成的機械坐標系的轉換,滿足經緯儀與激光跟蹤儀的基準轉換需求。

1 多系統基準轉換工作原理

1.1 激光跟蹤儀測量原理

激光跟蹤儀測量系統主要由激光干涉測距系統與角度編碼器測角系統兩部分構成。根據激光干涉測量得到距離,根據跟蹤儀水平軸與垂直軸處兩個角度編碼器測得角度,計算得出被測點位的空間坐標。激光跟蹤儀坐標測量原理如圖1所示[7]。

圖1 激光跟蹤儀坐標測量原理圖

以激光跟蹤儀回轉中心作為坐標原點O,激光干涉測距值為S,由編碼器測得的水平角為α,垂直角為β,因此可以得到被測目標點A(xA,yA,zA)[8-9]的空間坐標為

1.2 經緯儀測量原理

經緯儀測量系統主要由兩臺或兩臺以上的經緯儀、計算機及距離標定尺組成。采用交會測量法對被測目標進行測量,使兩臺經緯儀同時瞄準被測目標點,以其中一臺經緯儀的三軸中心為原點建立坐標系,兩臺經緯儀三軸中心的連線為x軸,右手法定位為y軸,鉛垂方向為z軸,然后記錄兩臺經緯儀此時顯示的兩個俯仰角(γ1,γ2)和兩個水平角(δ1,δ2),以及兩臺經緯儀的高差h12和水平距離值b12,計算得出被測目標點的空間坐標。經緯儀測量原理圖如圖2所示[10-13]。

圖2 經緯儀測量原理圖

被測目標點M(xM,yM,zM)空間坐標的計算公式為

1.3 基準轉換工作原理

當利用經緯儀和激光跟蹤儀進行協同測量時,采用已知空間位置關系的基準轉換標準器實現不同測量系統的坐標系轉換。采用三坐標測量機測得同一基準轉換標準器基準平面上激光跟蹤儀測量靶點、經緯儀測量目標立方鏡的空間坐標及各平面的法矢量方向,從而將測量靶點位置與立方鏡法矢量方向定義在同一個坐標系下,便于之后進行基準轉換。

如圖3所示,采用激光跟蹤儀和經緯儀分別對基準轉換標準器上的跟蹤目標靶點和立方鏡進行測量,分別得到激光跟蹤儀坐標系E和經緯儀坐標系F下的測量結果。通過跟蹤目標靶點和立方鏡的位置關系,即可確定基準轉換標準器的坐標系G。

圖3 基準轉換原理圖

分別計算基準轉換標準器坐標系G與激光跟蹤儀坐標系E、經緯儀坐標系F的關系為

式中:GP,EP,FP分別為基準轉換標準器坐標系,激光跟蹤儀坐標系,經緯儀坐標系下同一位置的列向量;GEP,GFP分別為基準轉換標準器坐標系在激光跟蹤儀坐標系,經緯儀坐標系下的姿態矩陣;GP E0,GPF0分別為基準轉換標準器坐標系在激光跟蹤儀坐標系,經緯儀坐標系下原點的位置向量。計算可得

根據式(5)即可得出激光跟蹤儀坐標系、經緯儀坐標系之間的相對轉換關系。將其中一個坐標系測得的任意點坐標按照上述關系進行相應的坐標系基準轉換即可實現激光跟蹤儀與經緯儀的聯合測量功能[9]。

2 多系統基準轉換標準器結構設計

多系統集成基準轉換標準器如圖4所示,其主要由基準轉換組件、轉向組件和三腳架組成。基準轉換組件用于安裝機械基準與光學基準,其主要由基準立方鏡、立方鏡安裝座、定位銷座、碳纖維基板、背部銷孔背蓋組成,如圖5所示。轉向組件安裝在通用三腳架上,用于支撐碳纖維基板組件,并實現標準器俯仰角度0°～90°可調。

圖4 基準轉換標準器結構圖

圖5 基準轉換組件結構分解圖

碳纖維基板上給出了用于建立激光跟蹤儀使用的機械坐標系的標準尺寸,板上有5個基準孔位,可與激光跟蹤儀或經緯儀的反射目標的標準靶座適配。通過三坐標法測得反射目標在標準板坐標系下的中心坐標值,實現機械坐標系的建立。

碳纖維基板采用T300材料一體成型制造,其大小為600 mm×600 mm×10 mm。標準板的支撐點位置是經過仿真優化設計選定的,所選定的4個支撐點對碳纖維基板平面度的影響小于0.01 mm。碳纖維孔位圖如圖6所示,其中,P0～P4為五個定位銷套,用于激光跟蹤儀建立坐標系;C1,C2為安裝2個基準立方鏡的定位銷套,用于經緯儀建立光學坐標系。

圖6 碳纖維基板孔位分布圖

3 多系統基準轉換標準器結構分析及實驗

3.1 支點位置選擇

由于機械基準與光學基準的銷套和立方鏡座均安裝在碳纖維基板上,碳纖維板的變形直接影響定位銷套的共面度,因此需對支點位置進行分析及優化。

如圖7所示,優化的目標是使定位銷套的共面度誤差最小,此碳纖維板是對稱的,故只需要使P1點和P0點的相對變形量最小即可保證整個共面度誤差最小。定義P0點和P1點的變形量分別為UP0,UP1,令共面度誤差為Uabj=UP0-UP1,優化的目標為使Uabj最小。

圖7 定位銷套及支撐點位置圖

在鋪層方式固定后,碳纖維基板的變形量只受支撐點支撐范圍的影響,本設計采用四點支撐,以圖6所示的支撐半徑為變量進行受力變形分析。水平狀態下,受力后定位銷套位置的變形最大,故只對水平狀態進行分析,結果如圖8所示。

圖8 碳纖維板定位銷套相對變形量與支撐點半徑關系圖

通過圖8的分析結果可知,碳纖維板定位銷套的相對變形量Uabj隨支撐點直徑的增加而減少,在支撐半徑為220 mm左右時相對變形量達到最小,之后開始反向增加。而基準立方鏡安裝在直徑為500 mm的斜對角位置,為防止位置干涉,選取支撐直徑為420 mm的四個對角點為作為支撐點與碳纖維基板支撐板連接。

3.2 基準轉換標準器穩定性實驗

為驗證基準轉換標準器的穩定性,采用激光跟蹤儀在距標準器2～3 m范圍內,對基準轉換標準器水平、45°傾斜、垂直狀態下的5個定位孔(P0～P4)的空間坐標進行測量,并與水平標定的數據進行比對以分析其穩定性,測量結果如表1所示。

表1 基準轉換標準器三種狀態下定位孔中心位置的一致性試驗結果 mm

從表1可以看出定位孔中心點在各種狀態下的平均位置偏差為0.007 mm,小于激光跟蹤儀在距標準器2～3 m范圍內的坐標測量重復性(0.01 mm),證明標準器在各種狀態下的變形量均滿足使用要求。

3.3 經緯儀系統基準轉換實驗

用基準轉換標準器對經緯儀的基準轉換誤差(包括坐標轉換誤差和法矢量轉換誤差)進行驗證。分別利用經緯儀測量5個定位孔(P0～P4)的空間坐標及兩個立方鏡各鏡面的法矢量[8],定位孔及立方鏡的位置如圖9所示。其中,P0～P4代表偏移量X=12 mm的0.5″反射鏡的中心坐標,C1,C2代表立方鏡。

圖9 標準板定位孔位置示意圖

基準器坐標系的定義如圖10所示,由P0～P4擬合成的圓心為原點,定義擬合圓的法矢量方向為X軸,以過原點且平行于P3與P1連線方向(指向P1)為Y方向。

圖10 基準轉換標準器坐標系的定義

使用帶有自準直功能的高精度電子經緯儀[7]進行基準轉換實驗,經緯儀的布局如圖11所示。

圖11 經緯儀測量標準器布局示意圖

圖11 中T1～T4代表經緯儀的安置位置。由T1,T2兩臺經緯儀組成坐標測量系統,使用偏移量X=12 mm的目標座及0.5″的半球目標對各個定位孔進行測量,測量結果與三坐標標定值的偏差如表2所示。

表2 基準轉換標準器水平放置定位孔中心mm

利用T3,T4兩臺經緯儀經準直及互瞄測量立方鏡面的法矢量,測量結果與三坐標測量機測得的法矢量進行比對,結果如表3所示。

表3 立方鏡法矢量測量的一致性

通過測量結果可知,使用經緯儀對標準器進行測量時,定位孔中心點的測量偏差均小于0.06 mm;測量立方鏡的三個坐標軸,立方鏡C1的平均絕對偏差為0.0034°,立方鏡C2的平均絕對偏差為0.0043°。以上測量結果小于經緯儀在距標準器2～3 m范圍內的測量誤差,證明標準器滿足使用要求。

4 總結

研制了一種應用于多系統協同測試環境下的便攜式基準轉換標準器,解決了經緯儀、激光跟蹤儀協同測量時傳統基準轉換手段較為繁瑣耗時的問題。該裝置將原有方法布置在多個位置的不同測量目標集成在同一基準轉換標準器上,相較原有測量轉換方法具有操作簡單、移動便捷、工作效率高等優點。該裝置在航天精測、航空檢測、船舶測量等領域具有較高推廣價值。未來需進一步研究其他測量設備之間的基準轉換方法及裝置,以滿足多系統測量情況下的多樣化基準轉換需求。