一種大尺寸平面度的在位測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種大尺寸平面度的在位測量方法，包括步驟如下：在被測平面附近布置兩站激光跟蹤儀，且兩站激光跟蹤儀之間相對(duì)被測平面具有一高度差；對(duì)兩站激光跟蹤儀的系統(tǒng)誤差進(jìn)行自校準(zhǔn)；將兩站激光跟蹤儀位于被測平面附近不同的兩位置，并分別測量被測平面上相同被測點(diǎn)的坐標(biāo)，分別得到兩站激光跟蹤儀的第一位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)和第二位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)；使用第一位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)第二位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，得到補(bǔ)償后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)；對(duì)補(bǔ)償后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得被測平面的平面度。本方法使用一站對(duì)另外一站測量數(shù)據(jù)誤差補(bǔ)償，提升平面度測量精度。本發(fā)明測量簡單高效且易于實(shí)現(xiàn)，尤其對(duì)加工過程中大尺寸平面度的在位檢測有重要的應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】一種大尺寸平面度的在位測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于精密測量領(lǐng)域，涉及一種大尺寸平面度高精度測量方法，尤其適用于加工過程中大尺寸平面度的高精度在位檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]大尺寸平面是指幾米乃至幾十米的平面，相比于常規(guī)尺寸，大型工件難以移動(dòng)，因此檢測場合已經(jīng)從計(jì)量實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向干擾因素眾多的大型工業(yè)制造現(xiàn)場，測量設(shè)備、系統(tǒng)必須在現(xiàn)場進(jìn)行組建、校準(zhǔn)和量值傳遞。同時(shí)，極高的測量精度需求(微米級(jí))、被測對(duì)象多樣性、測量效率等也是進(jìn)行大尺寸平面度測量時(shí)所面對(duì)的重要挑戰(zhàn)，因此大尺寸平面度精密測量技術(shù)也一直是學(xué)術(shù)界、工業(yè)界關(guān)注和追求的目標(biāo)。當(dāng)前發(fā)展勢頭最好的幾個(gè)重裝技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，如地基大型天文望遠(yuǎn)鏡、電力能源設(shè)備制造及安裝、船舶制造等，都對(duì)大尺寸平面度精密測量技術(shù)提出了迫切需求。在重大技術(shù)裝備涉及的關(guān)鍵技術(shù)中，大尺寸平面度精密測量技術(shù)是其中的基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一，它為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造工藝改進(jìn)與完善、質(zhì)量保證以及運(yùn)行安全提供了必須的測量數(shù)據(jù)支持。
[0003]從文獻(xiàn)調(diào)研情況來看，大尺寸平面度主要有以下幾種測量方法:
[0004]利用三坐標(biāo)測量機(jī)測量平面度具有較高的測量精度和相對(duì)較大的檢測范圍，可以編程自動(dòng)完成測量，但僅可在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)可移動(dòng)工件進(jìn)行測量并且儀器成本非常昂
蟲
貝ο
[0005]激光跟蹤儀是基于球坐標(biāo)原理的柔性坐標(biāo)測量儀器，通過測量儀器原點(diǎn)至靶標(biāo)的距離及相對(duì)水平、俯仰角度，得到靶標(biāo)的相對(duì)空間坐標(biāo)位置。利用激光跟蹤儀測量大尺寸平面度的方法具體又可分為單站激光跟蹤儀法及多站激光跟蹤儀法。單站激光跟蹤儀法即利用激光跟蹤儀球坐標(biāo)測量功能直接測量平面度，這種測量方法相對(duì)來說較為簡單，但往往受限于其測角誤差，精度較差。多站激光跟蹤儀法基于多邊原理解算空間坐標(biāo)，具備潛在的精度，但需要4臺(tái)以上的激光跟蹤儀同時(shí)進(jìn)行測量，檢測成本較高；同時(shí)該測量方法對(duì)各激光跟蹤儀布站位置有嚴(yán)格的限制條件，檢測過程相對(duì)復(fù)雜，還需進(jìn)一步進(jìn)行研究。
[0006]轉(zhuǎn)臺(tái)-旋臂法依靠高精度轉(zhuǎn)臺(tái)及懸臂產(chǎn)生“理論”平面，并采用測微儀接觸待測表面獲取各點(diǎn)高差信息，通過數(shù)據(jù)處理獲取平面度。這種檢測方法相對(duì)比較簡單，精度較高，適用于環(huán)狀面平面度檢測；在整面檢測時(shí)校正、拼接程序較為復(fù)雜；同時(shí)在大尺寸檢測時(shí)，由于懸臂過長會(huì)影響機(jī)械穩(wěn)定性，進(jìn)而損失測量精度。
[0007]三點(diǎn)支承法以被測表面自為基準(zhǔn)，不需要與任何基準(zhǔn)相比較。該方法操作方便，檢測結(jié)果直觀，特別適合于加工人員使用，但是測量大圓環(huán)面時(shí)，機(jī)械工裝質(zhì)量較大不易操作，且該方法只能測量一個(gè)環(huán)帶。
[0008]液面測量法基于連通器等高原理，通過測量兩個(gè)容器液面高度差變化進(jìn)而計(jì)算平面度，是一種低成本的測量方法。液面測量法受溫度等環(huán)境因素影響較大，液面穩(wěn)定時(shí)間隨著容器間的距離拉大不斷增加，所以液面法測量效率、精度較低；同時(shí)液面法的使用約束條件較為嚴(yán)格，要求被測件調(diào)平，不能廣泛應(yīng)用。[0009]水平儀-跨橋法是一種基于斜率測量平面度的方法，將固定有水平儀的橋板置于被測平面上，按一定的布點(diǎn)形式首尾銜接地拖動(dòng)橋板，測出被測平面上相鄰兩點(diǎn)連線相對(duì)測量基面的傾斜角，通過數(shù)據(jù)處理求出平面度。該方法適用于大、中型平面的平面度誤差測量，精度較高；不足之處是測量效率較低，僅可測量連續(xù)型平面。
[0010]綜上所述，現(xiàn)有的大尺寸平面度檢測方法由于適用尺寸、效率、精度、成本、技術(shù)等原因，已無法滿足亟待解決的檢測任務(wù)和測量難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011](一)要解決的技術(shù)問題
[0012]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種基于雙站激光跟蹤儀高精度的大尺寸平面度的在位測量方法。
[0013](二)技術(shù)方案
[0014]為達(dá)成所述目的，本發(fā)明提供的一種基于雙站激光跟蹤儀的大尺寸平面度的在位測量方法，解決問題的技術(shù)方案是通過以下步驟完成:
[0015]步驟S1:在被測平面附近布置兩站激光跟蹤儀，且兩站激光跟蹤儀之間相對(duì)被測
平面具有一高度差；
[0016]步驟S2:對(duì)兩站激光跟蹤儀的系統(tǒng)誤差進(jìn)行自校準(zhǔn)；
[0017]步驟S3:將兩站激光跟蹤儀位于被測平面附近不同的兩位置，并分別測量被測平面上相同被測點(diǎn)的坐標(biāo)，分別得到兩站激光跟蹤儀的第一位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)和第二位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)；
[0018]步驟S4:使用第一位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)第二位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，得到補(bǔ)償后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)；
[0019]步驟S5:對(duì)補(bǔ)償后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得被測平面的平面度。
[0020](三)有益效果
[0021]本發(fā)明基于雙站激光跟蹤儀的大尺寸平面度高精度的在位測量方法，是基于誤差補(bǔ)償原理的測量方法，用一站激光跟蹤儀測量數(shù)據(jù)補(bǔ)償另一站激光跟蹤儀的測量數(shù)據(jù)，從而達(dá)到高精度檢測的目的。相對(duì)于傳統(tǒng)測量方法，本發(fā)明測量測量過程中不需移動(dòng)被測件，可以實(shí)現(xiàn)在位測量；僅需要二臺(tái)激光跟蹤儀(最少一臺(tái))，節(jié)省了檢測成本；測量無需復(fù)雜的調(diào)整，采樣時(shí)間快，提高了檢測效率；基于誤差補(bǔ)償原理，測量精度高。本發(fā)明的方法測量簡單高效且易于實(shí)現(xiàn)，尤其對(duì)加工過程中大尺寸平面度的高精度在位檢測有重要的應(yīng)用價(jià)值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明大尺寸平面度測量方法的流程圖；
[0023]圖2為本發(fā)明雙站激光跟蹤儀布站示意圖；
[0024]圖3為本發(fā)明雙站激光跟蹤儀布站原理圖；
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案中涉及的各個(gè)細(xì)節(jié)問題。應(yīng)指出的是，所描述的實(shí)施案例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而不起任何限定作用。
[0026] 如圖1示出本發(fā)明基于雙站激光跟蹤儀的大尺寸平面度高精度在位測量方法，本方法是基于激光跟蹤儀球坐標(biāo)原理及高精度測距特性，在平面度測量時(shí)，利用合理布站，使用其中一站測量數(shù)據(jù)對(duì)另外一站測量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，從而提升平面度測量精度。本發(fā)明方法實(shí)施實(shí)施例如下:該方法通過以下步驟完成:
[0027]步驟S2:在被測平面3附近布置兩站激光跟蹤儀，且兩站激光跟蹤儀之間相對(duì)被測平面3具有一高度差；
[0028]其中，所述兩站激光跟蹤儀為在被測平面附近的第一位置布置一臺(tái)第一站激光跟蹤儀1，之后將第一站激光跟蹤儀I移站至被測平面附近的第二位置稱之為第二站激光跟蹤僅2。
[0029]其中，所述兩站激光跟蹤儀為使用兩臺(tái)激光跟蹤儀，所述兩臺(tái)激光跟蹤儀包括第一站激光跟蹤儀I和第二站激光跟蹤儀2。
[0030]請(qǐng)見圖2示出本發(fā)明方法在被測平面附近對(duì)雙站激光跟蹤儀進(jìn)行合理布站的具體實(shí)施例做法為:
[0031]兩站激光跟蹤儀應(yīng)相對(duì)被測平面3應(yīng)滿足一高度差。兩站激光跟蹤儀包括第一站激光跟蹤儀和第二站激光跟蹤儀，其中:第一站激光跟蹤儀，用以增加測量第一站激光跟蹤儀I與被測點(diǎn)連線在被測平面3內(nèi)投影長度的精度；第二站激光跟蹤儀2與被測點(diǎn)連線在被測平面3的法向上具有一高度差及角度，可提高測量第二站激光跟蹤儀2與被測量點(diǎn)連線在被測平面3法向的高度差的精度。
[0032]除上述激光跟蹤儀進(jìn)行布站方式之外，布站組合方式還是如下的一組組合方式:
(a)第一站激光跟蹤儀靠近被測平面3，第二站激光跟蹤儀2位于被測平面3上；(b)第二站激光跟蹤儀2靠近被測平面3，第一站激光跟蹤儀I位于被測平面3上。
[0033]為方便說明，將三維測量進(jìn)行二維簡化，具體原理如附圖3所示:Λζ為被測點(diǎn)的高差測量不確定度，Δ d為被測點(diǎn)在平面上徑向投影長度的測量不確定度，第一站激光跟蹤儀I或第二站激光跟蹤儀2的測量距離P在被測平面3中的投影長度I為:
[0034]l=p sin Θ，其投影長度的測星不確定度U1表不如下:
[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種大尺寸平面度的在位測量方法，其特征在于:該方法通過以下步驟完成: 步驟S1:在被測平面附近布置兩站激光跟蹤儀，且兩站激光跟蹤儀之間相對(duì)被測平面具有一高度差； 步驟S2:對(duì)兩站激光跟蹤儀的系統(tǒng)誤差進(jìn)行自校準(zhǔn)； 步驟S3:將兩站激光跟蹤儀位于被測平面附近不同的兩位置，并分別測量被測平面上相同被測點(diǎn)的坐標(biāo)，分別得到兩站激光跟蹤儀的第一位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)和第二位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)； 步驟S4:使用第一位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)第二位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，得到補(bǔ)償后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)； 步驟S5:對(duì)補(bǔ)償后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得被測平面的平面度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸平面度的在位測量方法，其特征在于，所述兩站激光跟蹤儀為在被測平面附近的第一位置布置一臺(tái)第一站激光跟蹤儀，之后將第一站激光跟蹤儀移站至被測平面附近的第二位置稱之為第二站激光跟蹤儀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大尺寸平面度的在位測量方法，其特征在于，所述的第一站激光跟蹤儀位于被測平面附近的第一位置，測量被測平面上被測點(diǎn)的坐標(biāo)，得到第一位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)；所述第二站激光跟蹤儀位于被測平面附近的第二位置，再次對(duì)測量被測平面上所述被測點(diǎn)的坐標(biāo)，得到第二位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的大尺寸平面度的在位測量方法，其特征在于，所述激光跟蹤儀為使用兩臺(tái)激光跟蹤儀，所述兩臺(tái)激光跟蹤儀包括第一站激光跟蹤儀和第二站激光跟蹤儀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大尺寸平面度的在位測量方法，其特征在于，所述第一站激光跟蹤儀位于被測平面附近的第一位置，第二站激光跟蹤儀位于被測平面附近的第二位置，第一站激光跟蹤儀和第二站激光跟蹤儀分別測量被測平面上相同被測點(diǎn)的坐標(biāo)，得到第一位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)和第二位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或5任一項(xiàng)所述的大尺寸平面度的在位測量方法，其特征在于，所述第一站激光跟蹤儀靠近被測平面放置，用以增加測量第一站激光跟蹤儀與被測點(diǎn)連線在被測平面內(nèi)投影長度的精度。
7.根據(jù)權(quán)利要求3和5任一項(xiàng)所述的大尺寸平面度的在位測量方法，其特征在于，所述第二站激光跟蹤儀與被測點(diǎn)連線在被測平面的法向上具有一高度差及角度，用以增加測量第二站激光跟蹤儀與被測點(diǎn)連線在被測平面法向上高度差精度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸平面度的在位測量方法，其特征在于，其特征在于，所述激光跟蹤儀測距模式選為干涉測距模式。
9.根據(jù)權(quán)利要求3和5任一項(xiàng)所述的大尺寸平面度的在位測量方法，其特征在于，其特征在于，步驟S4所述誤差補(bǔ)償?shù)牟襟E包括: 步驟S41:分別用第一站激光跟蹤儀的第一位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)及第二站激光跟蹤儀測量的第二位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)擬合被測平面，得到擬合平面A、B ;計(jì)算第一站激光跟蹤儀測量距離P π在擬合平面A面上投影長度Ili ；以擬合平面B法向?yàn)樽鴺?biāo)系Z軸，第二站激光跟蹤儀自身坐標(biāo)原點(diǎn)在擬合平面B面上投影點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，導(dǎo)出第二站激光跟蹤儀測量第二位置球坐標(biāo)的格式坐標(biāo)數(shù)據(jù)(P2i，θ2?, o2i)及在擬合平面B上投影坐標(biāo)(x2i，y2i)； 步驟S42:根據(jù)投影坐標(biāo)x2i，y21、投影長度Ili，計(jì)算第一站激光跟蹤儀、第二站激光跟蹤儀自身坐標(biāo)原點(diǎn)在擬合平面A、B上投影點(diǎn)在擬合平面A、B的轉(zhuǎn)換關(guān)系，表示如下: 其中i為被測點(diǎn)數(shù)，i = 1，2，3吣11，a、b為被測平面坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)系數(shù)，C、d為被測平面坐標(biāo)變換平移系數(shù)； 步驟S43:將擬合平面B上投影坐標(biāo)(x2i，y2i)進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到變換坐標(biāo)(x3i，y3i): 步驟S44:將變換坐標(biāo)(x3i，y3i)轉(zhuǎn)換成長度，獲得并計(jì)算轉(zhuǎn)換后長度+Λ2與基準(zhǔn)長度計(jì)算的偏差A(yù)l1: 步驟S45:補(bǔ)償?shù)诙炯す飧檭x的俯仰角度偏差，得到最終俯仰角度Θ 1: 步驟S46:對(duì)最終俯仰角度Θ 1進(jìn)行計(jì)算，得到補(bǔ)償后坐標(biāo)數(shù)據(jù)值(Xi，yi，Zi)，并獲取第二站激光跟蹤儀測量的水平角o2i。
【文檔編號(hào)】G01B11/30GK103983219SQ201410249777
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】李 杰, 吳時(shí)彬, 曹學(xué)東, 朱文, 楊杰 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所