本发明涉及一种校准靶标，具体涉及一种分体式校准靶标及具有该分体式校准靶标的校准装置以及利用该校准装置对激光扫描仪进行校准的校准方法。
背景技术：
随着科学技术的发展，尤其是大飞机制造等重大项目，对数字化精确定位和装配、大型零部件精确三维测量、产品质量监控及逆向工程的需求越来越多，激光跟踪仪、激光雷达、激光三维扫描仪、igps等新型空间坐标测量仪器的应用愈加广泛。此类仪器的空间测距精度是大型零部件加工精度以及汽车、飞机、风机等大型设备装配精度的前提。
三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段。地面三维激光扫描仪作为一种高效、精确和可靠的空间测绘技术在测绘、考古、建筑、林业等领域得到广泛应用。它的测量方式与激光跟踪仪类似，但因为采用非接触主动测量方式，可快速获取物体表面大量采样点的三维空间坐标，且在测量过程中无需使用目标靶镜。近年来，随着三维激光扫描技术的发展和精度要求的提高，其对校准、性能验证和测量可追溯性的需求也不断增加。
激光扫描仪的校准主要分为径向重复性、靶标重复性、径向距离示值误差以及空间距离示值误差等几个项目。径向距离示值误差是指沿测量轴方向相对距离测得值与参考值之差。径向重复性指对同一个固定靶标的径向绝对距离测得值的重复性。空间距离示值误差值对空间不同距离和方位的靶标进行测量，相对距离的测量值与参考值之差。靶标重复性指靶标中心坐标(点位)测得值的重复性。其中，径向重复性和靶标重复性均只需要一个单独的靶标即可实现。径向距离示值误差的校准可以利用长导轨基线、激光干涉仪、配合滑动工作台上的一个靶标实现。空间距离示值误差的校准就相对来说比较复杂，需将多个靶标固定在刚性结构上，并采用更高精度等级的仪器对任意两个靶标间的中心距(球心距)进行标定，作为空间距离的参考值，因此，对固定在刚性结构上的靶标的中心距(球心距)进行标定，是建立激光扫描仪空间距离示值误差校准装置的重要环节。
球形靶标由于其在各个方向上的对称性，被广泛用于各类三维激光扫描仪测量中，以便于实现激光扫描点云数据的转换、不同测站激光扫描仪测量坐标系的统一。激光扫描仪的球形靶标需具有漫反射特性，一般为亚光面，且球心无法直接测量，通常采用间接测量的方法获取球心坐标。
最常用的方法是采用激光跟踪仪靶镜在球面靶标上运动，通过激光跟踪仪的测量数据，拟合出球心。但是利用激光跟踪仪测量拟合法，球中心误差受到球表面形状，测量点数目多少的影响，且费时费力。另外，为了实现激光跟踪仪和激光扫描仪的坐标统一，以便于用空间测距精度级别更高一个数量级的激光跟踪仪评价激光扫描仪的性能指标，如何让二者的靶标同心是关键点。美国国家标准与技术研究所(nist)采用一体式靶标，将角锥镜置于铝制半球的中心，实现了全站仪和激光扫描仪的同时应用。但这种方法，一则半球的球度精度不会很高，二则国内现有的加工工艺，要保证角锥镜和半球球心具有较高的同心度很难。
技术实现要素：
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种分体式校准靶标及具有该分体式校准靶标的校准装置以及利用该校准装置对激光扫描仪进行校准的方法。
本发明提供了一种分体式校准靶标，在利用激光跟踪仪对激光扫描仪的空间距离示值误差进行校准时与靶镜相配合作为测量靶标使用，具有这样的特征，包括：靶座；靶镜承托组件，具有锥柄、设置在锥柄上的连接件以及设置在连接件上并用于通过磁性吸附与靶镜相连接的靶镜座；以及靶球组件，具有球侧锥柄、设置在球侧锥柄上的三维调节机构以及设置在三维调节结构上的靶球，其中，锥柄、球侧锥柄均为莫氏锥柄，该莫氏锥柄具有相同的尺寸以及公差，且锥尖向下设置，靶座上设置有莫氏锥套，该莫氏锥套的锥尖向下，开口向上，莫氏锥套与锥柄以及球侧锥柄相匹配。
在本发明提供的分体式校准靶标中，还可以具有这样的特征：其中，三维调节机构为连体三维平移台。
在本发明提供的分体式校准靶标中，还可以具有这样的特征：其中，靶座上位于莫氏锥套的开口处的外侧面设置有外螺纹，分体式校准靶标还包括螺母，该螺母与外螺纹相匹配，用于向上旋转并顶起锥柄以及球侧锥柄。
本发明还提供了一种校准装置，用于校准激光扫描仪的空间距离示值误差，具有这样的特征，包括：靶镜；第一分体式校准靶标，具有第一靶座、第一靶镜承托组件以及具有第一靶球的第一靶球组件；第二分体式校准靶标，具有第二靶座、第二靶镜承托组件以及具有第二靶球的第二靶球组件；长度提供件，用于承载第一分体式校准靶标以及第二分体式校准靶标；以及激光跟踪仪，用于发出激光并测量靶镜分别位于第一靶镜承托组件与第二靶镜承托组件时的坐标并得到两坐标之间的距离值作为标准距离值，第一靶球以及第二靶球作为激光扫描仪的测量靶标，供激光扫描仪扫描得到第一靶球和第二靶球之间的球心距离值，从而计算球心距离值与标准距离值的差值得到激光扫描仪的空间距离示值误差，其中，第一分体式校准靶标以及第二分体式校准靶标均为上述的分体式校准靶标。
在本发明提供的校准装置中，还可以具有这样的特征：其中，靶球的外表面为亚光球面。
本发明还提供了一种利用上述的校准装置对激光扫描仪进行校准的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，利用三坐标测量机对校准装置的靶镜与第一靶球以及第二靶球进行同心度校正；步骤二，将第一靶座以及第二靶座分别安装在长度提供件上；步骤三，分别将第一靶镜承托组件与第二靶镜承托组件安装在第一靶座以及第二靶座上；步骤四，将靶镜放置在第一靶镜承托组件的第一靶镜座上；步骤五，利用激光跟踪仪测量得到靶镜的第一靶标坐标值；步骤六，将靶镜从第一靶镜承托组件上取下放置在第二靶镜承托组件的第二靶镜座上；步骤七，利用激光跟踪仪再次测量得到靶镜的第二靶标坐标值；步骤八，根据第一靶标坐标值与第二靶标坐标值得到两套分体式校准靶标的中心距作为标准距离值；步骤九，将第一靶镜承托组件与第二靶镜承托组件取下，步骤十，分别将第一靶球组件与第二靶球组件安装在第一靶座以及第二靶座上；步骤十一，利用激光扫描仪扫描得到第一靶球组件的第一靶球与第二靶球组件的第二靶球的球心距离值；步骤十二，计算球心距离值与标准距离值的差值，该差值即激光扫描仪的空间距离示值误差。
在本发明提供的校准方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤一中，靶镜与第一靶球的同心度的校正包括以下步骤：步骤1-1，将第一靶镜承托组件固定设置在第一靶座上，然后将第一靶座固定在三坐标测量机的工作台上；步骤1-2，将靶镜放置在第一靶镜承托组件上，步骤1-3，利用三坐标测量机测量靶镜的球形外轮廓上的5个点的坐标；步骤1-4，根据步骤1-3测得的靶镜的球形外轮廓上的5个点的坐标，拟合得到靶镜的球形外轮廓的中心坐标(xj，yj，zj)；步骤1-5，保持靶座固定在三坐标测量机的工作台的位置不变，将第一靶镜承托组件取下；步骤1-6，将第一靶球组件安装在第一靶座上，利用三坐标测量机测量第一靶球组件的第一靶球的外轮廓上的5个点的坐标；步骤1-7，根据步骤1-6测得的第一靶球的外轮廓上的5个点的坐标，拟合得到第一靶球的中心坐标(xq，yq，zq)；步骤1-8，根据下式计算靶镜的中心坐标与第一靶球的中心坐标的偏差值，其中，△x＝xq-xj，△y＝yq-yj，△z＝zq-zj；步骤1-9，根据偏差值调整靶球组件中的第一三维调节机构使得偏差值△x、△y、△z均小于20μm；步骤1-10，当偏差值△x、△y、△z均小于20μm时，锁紧第一三维调节机构，完成靶镜与第一靶球的同心度的校正。
在本发明提供的校准方法中，还可以具有这样的特征：其中，靶镜与第二靶球的同心度校正步骤采用靶镜与第一靶球的同心度校正步骤。
本发明还提供了一种校准装置，其特征在于，包括：靶镜；至少三个分体式校准靶标，每个分体式校准靶标均具有靶座、靶镜承托组件以及具有靶球的靶球组件；长度提供件，用于承载分体式校准靶标；以及激光跟踪仪，用于测量靶镜位于任意一个靶镜承托组件时的中心坐标，根据任意两个中心坐标得到与该两个中心坐标相对应的任意两个靶镜承托组件之间的距离值作为标准距离值，从而根据该标准距离值与对应的两个靶球之间的球心距离值的差值得到激光扫描仪的空间距离示值误差，其中，分体式校准靶标上述中的分体式校准靶标。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的分体式校准靶标，因为锥柄与球侧锥柄是具有相同的尺寸以及公差的莫氏锥柄，且靶座上具有的莫氏锥套与该莫氏锥柄相匹配，所以，该分体式校准靶标的靶镜承托组件以及靶球组件能够通过莫氏锥柄准确落入靶座的莫氏锥套中，提供精确的定位，具有很高的重复性精度。
根据本发明的校准装置，其中的靶镜作为激光跟踪仪的靶标，两个分体式校准靶标的靶镜承托组件提供靶镜的坐标位置，供激光跟踪仪测量得到标准距离值，两个靶球供激光扫描仪测量球心距离值，计算球心距离值与标准距离值的差值即可得到激光扫描仪的空间距离示值误差。
根据本发明中利用上述的校准装置对激光扫描仪进行校准的方法，首先对靶镜和第一靶球以及第二靶球分别进行同心度校正，可直接利用激光跟踪仪校准激光扫描仪，避免了激光跟踪仪靶镜在扫描仪靶球上踩点拟合球心的费时费力的方式。且可通过保证靶镜与靶球的同心度，使得利用激光跟踪仪对激光扫描仪的校准精度更高。
附图说明
图1是本发明的实施例中校准装置的结构示意图；
图2是本发明的实施例中分体式校准靶标的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图及实施例对本发明的分体式校准靶标及该具有该分体式校准靶标的校准装置以及利用该校准装置对激光扫描仪进行校正的校准方法作具体阐述。
图1是本发明的实施例中校准装置的结构示意图。
如图1所示，校准装置100用于测量激光扫描仪的空间距离示值误差，包括第一分体式校准靶标10、第二分体式校准靶标20、靶镜30、长度连接件40、激光跟踪仪(图中未显示)。第一分体式校准靶标10与第二分体式校准靶标20的结构相同，以第一分体式校准靶标10为例进行详细阐述。
图2是本发明的实施例中分体式校准靶标的结构示意图。
如图2所示，第一分体式校准靶标10在利用激光跟踪仪对激光扫描仪的空间距离示值误差进行校准时与靶镜30相配合作为测量靶标使用，包括第一靶座11、第一靶镜承托组件12、第一靶球组件13以及螺母14。
如图2所示，第一靶座11的上端设置有锥尖向下、开口向上的莫氏锥套111，第一靶座11位于莫氏锥套111的开口的外侧面设置有竖直延伸的外螺纹。
螺母14与第一靶座11的外螺纹相匹配，在取出第一靶镜承托组件12以及第一靶球组件13时，使用者可以向上旋转螺母14，便于第一靶镜承托组件12以及第一靶球组件13的取出。
第一靶镜承托组件12具有第一锥柄121、第一连接件122以及第一靶镜座123。
第一锥柄121为莫氏锥柄，该莫氏锥柄的锥尖向下，与莫氏锥套111相匹配并可落入莫氏锥套111中。由于莫氏锥柄与莫氏锥套111高度匹配，因此在取出时，需要向上旋转螺母14以克服摩擦力将莫氏锥柄向上取出。
第一连接件122的下端固定在第一锥柄121上端。
第一靶镜座123固定在第一连接件122的上端，第一靶镜座123的上端为锥面，该锥面通过磁性吸附与靶镜30连接。
第一靶球组件13在校准过程中作为激光扫描仪的测量靶标使用，包括第一球侧锥柄131、第一三维调节机构132以及第一靶球133。
第一球侧锥柄131为莫氏锥柄，该莫氏锥柄的锥尖向下，与莫氏锥套111相匹配并可落入莫氏锥套111中。由于莫氏锥柄与莫氏锥套111高度匹配，因此在取出时，需要向上旋转螺母14以克服摩擦力将莫氏锥柄向上取出。第一球侧锥柄131与第一锥柄121具有相同的公差与尺寸。
第一三维调节机构132为紧凑型台式连体三维平移台，该紧凑型台式连体三维平移台的底部有安装孔，可以直接安装到第一球侧锥柄131的上端进行连接固定。
该连体三维平移台的滑动结构采用交叉滚柱导轨结构，x、y向平移行程5mm，z向升降行程5mm。第一三维调节机构132采用最小分辨率为0.01mm的微分头使得平台进行平移或升降。
第一靶球133安装在三维平移台的台面上，在微分头的调节下与靶镜30同心。第一靶球133的外表面为亚光球面。
靶镜30在利用激光跟踪仪对激光扫描仪进行校准时作为激光跟踪仪的靶标使用。靶镜30的外球直径为1.5英寸，内部含有角锥棱镜。
长度提供件40用于承载第一分体式校准靶标10以及第二分体式校准靶标20。在本实施例中，长度提供件40为刚性结构件。
激光跟踪仪用于测量靶镜30位于第一靶镜承托组件12以及第二靶镜承托组件22时的坐标位置，进而得到两者的距离值作为标准距离值，从而与激光扫描仪扫描得到的第一靶球组件13中的第一靶球133与第二靶球组件23的第二靶球233的球心距离值进行比较得到激光扫描仪的空间距离示值误差。
在利用校准装置100对激光扫描仪进行校准之前，首先要对靶镜30与第一分体式校准靶标10中的第一靶球133以及第二分体式靶标20中的第二靶球233进行同心度校正。
靶镜30与第一靶球133的同心度校正主要包括以下步骤：
步骤1-1，通过第一锥柄121将第一靶镜承托组件12固定设置在第一靶座11的莫氏锥套111中，然后将第一靶座11固定在三坐标测量机的工作台上。
步骤1-2，将靶镜30放置在第一靶镜承托组件12的第一靶镜座123上。
步骤1-3，利用三坐标测量机测量靶镜30的球形外轮廓上的5个点的坐标。
步骤1-4，根据步骤1-3测得的靶镜30的球形外轮廓上5个点的坐标，拟合得到靶镜30的球形外轮廓的中心坐标(xj，yj，zj)。
步骤1-5，保持第一靶座11固定在三坐标测量机的工作台的位置不变，通过旋转螺母14顶起第一锥柄121，将第一靶镜承托组件12取下。
步骤1-6，通过第一球侧锥柄131将第一靶球组件13安装在第一靶座11的莫氏锥套111中，利用三坐标测量机测量第一靶球组件13的第一靶球133的外轮廓上5个点的坐标。
步骤1-7，根据步骤1-6测得的第一靶球133的外轮廓的5个点的坐标，拟合得到第一靶球133的中心坐标(xq，yq，zq)。
步骤1-8，根据下式计算靶镜30的中心坐标与第一靶球133的中心坐标的偏差值，其中，△x＝xq-xj，△y＝yq-yj，△z＝zq-zj。
步骤1-9，根据偏差值通过第一靶球组件13中的第一三维调节机构132中的微分头调节第一靶球133的位置，使得偏差值△x、△y、△z均小于20μm。
步骤1-10，当偏差值△x、△y、△z均小于20μm时，锁紧第一三维调节机构132，完成靶镜30与第一靶球133的同心度的校正。
靶镜30与第二分体式校准靶标20的第二靶球233的同心度的校正步骤采用靶镜30与第一靶球133的同心度校正步骤。
利用同心度校正后的校准装置100对激光扫描仪进行校准的校准步骤包括以下步骤：
步骤一，将第一靶座11以及第二靶座21间隔一定距离地安装在长度提供件上40。
步骤二，通过第一锥柄121将第一靶镜承托组件12安装在第一靶座11的莫氏锥套111内。
步骤三，通过第二锥柄221将第二靶镜承托组件22安装在第二靶座21的莫氏锥套211内。
步骤四，将靶镜30放置在第一靶镜承托组件12的第一靶镜座123上。
步骤五，利用激光跟踪仪测量得到靶镜30的第一靶标坐标值。
步骤六，将靶镜30从第一靶镜承托组件12的第一靶镜座123上取下，然后放置在第二靶镜承托组件22的第二靶镜座223上。
步骤七，利用激光跟踪仪再次测量得到靶镜30的第二靶标坐标值。
步骤八，根据第一靶标坐标值与第二靶标坐标值得到靶镜30分别位于第一靶镜座123以及第二靶镜座223时的球心坐标，进而得到两球心的中心距，即标准距离值。
在本实施例中，在测量标准距离值时，调整激光跟踪仪的位置并保证靶镜30的通光孔始终正对激光跟踪仪，使得靶镜30位于第一靶镜座123与第二靶镜座223时靶镜30的中心连线与激光跟踪仪的出射光线重合。
步骤九，将第一靶镜承托组件12与第二靶镜承托组件22分别从第一靶座11与第二靶座21取下。
步骤十，分别将第一靶球组件13与第二靶球组件23安装在第一靶座11以及第二靶座21上。
步骤十一，利用激光扫描仪扫描得到第一靶球组件13的第一靶球133与第二靶球组件23的第二靶球233的之间的球心距离值。
步骤十二，计算球心距离值与标准距离值的差值，该差值为激光扫描仪的空间距离示值误差。
在本实施例中，对激光扫描仪的校准中采用的校准装置100中，包括第一分体式校准靶标10、第二分体式校准靶标20、靶镜30、长度提供件40以及激光跟踪仪，在实际应用中，校准装置可以包括靶镜、n个分体式校准靶标、用于承载分体式校准靶标的长度提供件以及激光跟踪仪，其中，n≥3。
包含n个分体式校准靶标的校准装置的校准方法为：首先通过上述同心度校正方法，依次对靶镜和每个分体式校准靶标的靶球进行同心度校正，然后将同心度校正后的n个分体式校准靶标的靶座同时安装在长度连接件上的不同位置处，将各个分体式校准靶标的靶镜座承托组件与各自对应的靶座连接，之后利用激光跟踪仪测量靶镜在各个镜座承托组件的靶镜座时的坐标位置。
选择任意两个靶标作为一组测量对，根据靶镜在两个靶标的坐标位置的距离差值得到标准距离值。然后将两个靶标的靶镜承托组件取下，换成各个靶标对应的靶球组件，利用激光扫描仪测量两个靶球组件中的靶球，得到两个靶球的球心距离值，计算该球心距离值与标准距离值的差值。
以此类推，再选择两个不同的靶标作为另一组测量对，计算该测量对中两个靶标之间的球心距离值与标准距离值的差值，直至得到n个分体式靶标中的所有的任意两两靶标之间的球心距离值与标准距离值的差值，这些测得的差值中数值最大的为激光扫描仪的空间距离示值误差。
例如，分体式校准靶标的个数为四个时，四个分体式校准靶标分别记为a、b、c、d，首先测量a与b之间的球心距离值与标准距离值的差值，然后，依次测量得到a与c之间的、a与d之间的、b与c之间的、b与d之间的以及c与d之间的球心距离值与标准距离值的差值，最后，这些测得的差值中数值最大的为激光扫描仪的空间距离示值误差。
关于采用本发明的校准装置对激光扫描仪进行校准的误差分析如下：
采用校准装置形成标准距离值引入的误差分量包括：激光跟踪仪测距误差，激光跟踪仪靶镜的中心定位误差、激光扫描仪靶球表面形状误差、靶镜和扫描靶球同心度误差、莫氏锥重复定位误差，以及激光跟踪仪靶镜球心与莫氏锥轴线的偏差。
其中，激光跟踪仪的纯径向测距经过波长补偿后误差优于10-6l，l为标准距离，当标准距离为3m时，激光跟踪仪标定标准距离时引入的误差为3μm。
市场上高精度的激光跟踪仪靶镜的中心定位精度为0.0001英寸，即为2.54μm。激光扫描仪靶球表面形状误差为15μm。通过三坐标测量机和光学装校的方法可以将激光跟踪仪靶镜中心和扫描靶球中心的中心坐标差值调节在35μm以内。则该分体式校准靶标的中心定位精度(靶镜中心与靶球外轮廓同心度)可达0.05mm。
莫氏锥柄的重复定位误差可通过三坐标机测量获得。将激光跟踪仪靶镜放置在莫氏锥柄上，安装靶座固定在三坐标机的工作台上，每次通过三坐标采点拟合的方式获得靶镜的球心三维坐标，测量多次重复拆装莫氏锥柄后靶镜的球心坐标，可获得莫氏锥重复定位误差，最大值为10μm。
将莫氏锥柄装入靶座的莫氏锥套中时，由于莫氏锥柄的圆周特性，每次莫氏锥柄装入莫氏锥套中相同的轴向位置时，其与靶座在圆周上的相对位置无法保证完全相同。因此，当激光跟踪仪的靶镜球心与莫氏锥柄轴线存在偏差时，也会在提供标准距离引入误差。该误差通过机械加工可保证在10μm以内。
最终，使用该分体式校准靶标构成的校准装置，提供的标准距离的不确定度，在3m长范围内，能够达到0.1mm。
实施例的作用与效果
根据本实施例中的分体式校准靶标，因为锥柄与球侧锥柄是具有相同的尺寸以及公差的莫氏锥柄，且莫氏锥套与该莫氏锥柄相匹配，所以，该分体式校准靶标的靶镜承托组件以及靶球组件能够通过莫氏锥柄准确落入靶座的莫氏锥套中，提供精确的定位，具有很高的重复性精度。
根据本实施例中的校准装置，其中的靶镜作为激光跟踪仪的靶标，两个分体式校准靶标的靶镜承托组件提供靶镜的坐标位置，供激光跟踪仪测量得到标准距离值，两个靶球供激光扫描仪测量球心距离值，计算球心距离值与标准距离值的差值即可得到激光扫描仪的空间距离示值误差。
根据本实施例中的利用上述的校准装置对激光扫描仪进行校准的方法首先对靶镜与第一靶球以及靶镜与第二靶球分别进行同心度校正，可直接利用激光跟踪仪校准激光扫描仪，避免了激光跟踪仪靶镜在扫描仪靶球上采点拟合球心的费时费力的方式。且可通过保证靶镜与靶球的同心度，使得利用激光跟踪仪对激光扫描仪的校准精度更高。
另外，通过光学装校，实现了该分体式校准靶标的中心定位误差在0.05mm以内，比市场上可匹配靶镜座的扫描球的中心定位精度±0.01英寸(±0.25mm)高约一个数量级，更加适用于作为激光扫描仪校准用标准器。
此外，将靶球组件安装在标准杆上，即可形成便携式激光扫描仪校准用标准器，解决激光扫描仪的现场及室外长距离校准问题。
另外，在本实施例中，使用螺母作为莫氏锥柄的顶起机构，使得莫氏锥柄更迅速、更容易地脱离莫氏锥套。
多个分体式校准靶标还可安装在三维大尺寸空间实验室中，实现激光雷达及激光扫描仪的重复性测量及空间示值误差校准。
此外，使用多台、多种大尺寸测量仪器形成多源异构网络，实现大型零部件数字化装配等现场测量应用，是未来大尺寸测量研究热点之一。而要实现多种测量系统的基准统一，离不开通用性靶标或互换性靶标的应用，本实施例中的分体式校准靶标及装校方法易于拓展应用到通用靶标。
另外，本实施例中还涉及到了包含至少三个分体式校准靶标的校准装置，利用多个分体式校准靶标，任意两组之间可以构成一个标准距离值，为激光扫描仪的空间距离示值误差的校准提供了更多的数据参考。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。