激光跟踪仪测量基准立方镜中心点位置的精测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于工业测量技术领域，具体涉及激光跟踪仪测量系统在光学基准立方镜测量中心点位上的应用。
【背景技术】
[0002]航天器上有安装精度要求的设备，常用光学基准立方镜作为设备安装精度测量的测量基准，一般为20mmX20mmX20mm规格的正立方体，加工精度为3"。而该基准立方镜中心位置在航天器结构基准上的坐标值，通常是代表用户所需要被测量设备在航天器结构坐标系的位置精度。而随着航天器在轨对接、姿态控制等的高精度的需求，对基准立方镜中心点位测量的不确定度也提出更高的需求。如1m内满足0.1mm不确定度测量需求，或在20m内实现0.2mm的需求。
[0003]以往航天器基准立方镜中心的测量采取2台经玮仪前方交会测量原理，需要两个操作人员，通过人眼进行瞄点，通过测量基准立方镜正交的2个面中心点，再向镜内缩进1mm的量值，来计算基准立方镜中心点位置的方法，该方法受测量环境、场地及2台经玮仪架设位置所限，人为瞄点操作差异等对经玮仪测量系统测量点位测量的不确定度影响较大，在5m内可做到小于0.2mm的测量精度，总之经玮仪测量系统测量精度低、速度慢，效率较低。
[0004]目前，国内外精测所用的仪器设备主要包括:经玮仪测量系统、摄影测量系统、三坐标测量系统、激光跟踪测量系统、激光雷达扫描测量系统等等。精度最高的测量系统属激光跟踪仪测量系统，最高测量精度达到< 0.5ym/m;80m测量量程内测量精度可达到(10 μ m ;采用速率彡1000点/秒，而针对基准立方镜中心点的测量，无疑激光跟踪仪测量是精度最高的。而如何实现激光跟踪仪对立方镜中心的测量及如何保证测量精度是至关重要的。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种新的激光跟踪仪测量基准立方镜中心点位置的精测方法，旨在提高测量精度和工作效率。
[0006]为达到以上目的，本发明采用如下的技术方案:
[0007]一种激光跟踪仪测量基准立方镜中心点位置的精测方法，包括如下步骤:
[0008]I)根据被测量基准立方镜的位置，调节激光跟仪架设的高度并固定位置；
[0009]2)激光跟踪仪测量系统进行联机预热30分钟，启动电脑进人激光跟踪仪标校程序，利用1.5"靶镜、1.5"的平面底座进行前视/后视精度标定和补偿；
[0010]3)退出标校菜单，进人SA软件测量系统，进行选型联机，并选择点测量菜单；
[0011]4)用IFM干涉测量，选择0.5"小靶镜在立方镜的三个正交面上分别均匀选择不低于5个测量点，测量顺序按照逆时针测量方式；
[0012]5)选取符合右手法则的方式，构造平面，偏移量选取向下偏移0.5"小靶镜的半径尺寸(6.35mm)，分别对应定义为A面、B面、C面；
[0013]6)选取构造坐标系的方式为三个面的方法，将A面、B面、C面拟合成坐标系，偏移量选取立方镜长度的二分之一，最终得到由三个正交面构造的坐标系设为基准立方镜坐标系；
[0014]7)基准立方镜坐标系的原点坐标值即为激光跟踪仪测量的基准立方镜中心点位置。
[0015]其中，0.5"小靶镜的半径尺寸为6.35mm。
[0016]本发明完全取代了用经玮仪测量基准立方镜中心位置的方法，具有如下效果:
[0017]本发明的测量方法较之经玮仪、激光雷达、摄影测量等测量系统，是测量基准立方镜中心精度最高的方法。而且，测量精度受仪器摆放位置的影响小，测量精度稳定性好，速度快，大大提高了测量效率。
【附图说明】
[0018]图1为基准立方镜三个正交面及中心位置示意图。
[0019]其中:1-1为立方镜A面；1-2为立方镜B面；1_3为立方镜C面；1_4为立方镜中心点。
[0020]图2为本发明的激光跟踪仪的设置示意图。
[0021]其中:2-1为激光跟踪仪'2-2为激光跟踪仪支架。
[0022]图3为本发明的方法中立方镜镜面测量点的设置方向示意图。
[0023]其中:3-1为基准镜面上的第I点；3_2为基准镜面上的第2点；3_3为基准镜面上的第3点。
[0024]图4为本发明的方法中激光测量附件的示意图。
[0025]其中:4-1为激光跟踪仪1.5"测量靶球；4_2为激光跟踪仪1.5"底座；4_3为激光跟踪仪0.5"测量革巴球。
【具体实施方式】
[0026]以下结合附图对本发明的测量过程进行详细说明，这些说明仅仅是示意性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
[0027]1.激光跟踪仪测量基准立方镜中心的所需设备及附件
[0028]激光跟踪仪测量系统包括激光跟踪仪机头、激光跟踪仪专用支架、笔记本电脑、激光跟踪仪控制箱、激光跟踪仪测量系统配置标校软件TrackerCalib及Spatial Analyzer测量软件(简称SA软件)。
[0029]测量所需工装附件:胶枪及适量胶棒(外购即可)、规格为20mmX20mmX20mm立方镜、激光跟踪仪1.5"靶镜、0.5"靶镜、1.5"的平面底座(靶球及底座是激光跟踪仪测量系统标配的附件)。
[0030]I)根据图1基准立方镜的位置，在距离3m?5m的距离，放置本发明的激光跟踪仪
2-1和支撑激光跟踪仪的激光跟踪仪支架2-2，其具体结构参见图2。调节激光跟踪仪支架到合适高度(确定基准立方镜的三个正交面3-1基准镜A面、3-2基准镜B面、3-3基准镜C面都能被激光跟踪仪测量头跟踪到，设置方向参见图3)。将胶棒装入胶枪中，插电进行预热；用预热好的胶枪将激光跟踪仪支架固定。
[0031]2)连接激光跟踪仪、控制箱及笔记本电脑的连线；启动电脑，进人TrackerCalib程序，对激光跟踪仪进行预热30分钟。利用4-1激光跟踪仪1.5"靶镜、4-2激光跟踪仪1.5"的平面底座，在基准立方镜摆置的附近，进行前视/后视精度标定和补偿，补偿结果控制在0.0Olmm以内，其中激光测量附件的示意图见图4。
[0032]3)退出标校菜单，进人SA软件测量系统，进行联机操作，然后选择点测量菜单。
[0033]4)用IFM干涉测量，选择4-3激光跟踪仪0.5 "小靶镜，分别在图1基准立方镜的A面、B面、C面三个正交面上，测量顺序按照图3中标明的3-1基准镜面第I点；3-2基准镜面第2点；3-3基准镜面第3点；逆时针测量方式；均匀选择不低于5个测量点进行测量。
[0034]5)通过点测量获取其在激光跟踪仪坐标系下的三维点坐标值。将测量每个面上的点通过最小二乘拟合，计算出最小二乘拟合平面，构造平面时，选取符合右手法则的方式，选取偏移量向下偏移6.35mm(0.5"小靶镜的半径尺寸)，分别对应定义为A面、B面、C面。
[0035]6)用A面、B面、C面三个正交面构造坐标系，偏移量选取二分之一的立方镜的长度，最终得到由A面、B面、C面三个正交面构造的坐标系设置为基准立方镜坐标系；
[0036]7)基准立方镜坐标系的原点坐标值即为激光跟踪仪测量的图1中所示的1-4基准镜中心点位置。
[0037]测量的基准立方镜规格尺寸可有所不同，基准镜面上的选取点也可不同，基准立方镜的加工精度也可有差异，但均可采用该方法测量基准立方镜面上的点，及构造面及坐标系，即数据处理方法同前就可得到立方镜中心点位置的坐标值。
[0038]本发明的测量方法能够满足在1m范围内测量基准立方镜(规格20mmX20mmX20mm,面与面之间夹角小于3")中心位置测量扩展不确定度达到U =
0.07mm，K = 2(置信区间95% )的精度。
[0039]尽管上文对本发明的【具体实施方式】进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。
【主权项】
1.一种激光跟踪仪测量基准立方镜中心点位置的精测方法，包括如下步骤: 1)根据被测量基准立方镜的位置，调节激光跟仪架设的高度并固定位置； 2)激光跟踪仪测量系统进行联机预热30分钟，启动电脑进人激光跟踪仪标校程序，利用1.5"靶镜、1.5"的平面底座进行前视/后视精度标定和补偿； 3)退出标校菜单，进人SA软件测量系统，进行选型联机，并选择点测量菜单； 4)用IFM干涉测量，选择0.5"小靶镜在立方镜的三个正交面上分别均匀选择不低于5个测量点，测量顺序按照逆时针测量方式； 5)选取符合右手法则的方式，构造平面，偏移量选取向下偏移0.5"小靶镜的半径尺寸(6.35mm)，分别对应定义为A面、B面、C面； 6)选取构造坐标系的方式为三个面的方法，将A面、B面、C面拟合成坐标系，偏移量选取立方镜长度的二分之一，最终得到由三个正交面构造的坐标系设为基准立方镜坐标系； 7)基准立方镜坐标系的原点坐标值即为激光跟踪仪测量的基准立方镜中心点位置。
2.如权利要求1所述的方法，其中，0.5"小靶镜的半径尺寸为6.35mm。
【专利摘要】本发明公开了一种基准立方镜中心位置的精测方法，利用激光跟踪仪测量系统实现对立方镜中心位置的测量，该方法在飞船二期型号中得到了充分的验证。具体方法是：通过激光跟踪仪及标准配置的0.5″的小靶镜，对基准立方镜的三个正交面进行点位测量，利用最小二乘拟合计算每个面的平面，再通过三个正交面平移拟合计算成三个坐标系，坐标原点即为所要的基准立方镜中心位置。本发明完全取代了用经纬仪测量基准立方镜中心位置的方法，满足在10m范围内测量基准立方镜中心位置精度在0.07mm的精度，测量精度受仪器摆放的位置的影响小，测量精度稳定，精度高，速度快，大大提高了测量效率。
【IPC分类】G01B11-00
【公开号】CN104596420
【申请号】CN201510037500
【发明人】任春珍, 刘浩淼, 王伟, 易旺民, 马强, 万毕乐, 郭洁瑛, 闫荣鑫, 段晨旭, 刘笑, 阮国伟, 陶力
【申请人】北京卫星环境工程研究所
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月26日