激光跟踪仪水平与垂直角对测量精度影响的试验研究.pdf

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1、第27卷第5期航天器环境工程2010年lO月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERrNG6431--II．_I皇曼量曼量曼曼鼍曼量量曼曼曼曼曼皇曼量皇曼曼激光跟踪仪水平与垂直角对测量精度影响的试验研究郭洁瑛，刘笑，王伟(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：激光跟踪仪是一种高精度测量设备，对于总装精测过程中大体积及复杂形面的航天器测量具有广阔应用前景。文章介绍了激光跟踪仪的测量原理，并通过激光跟踪仪水平角与垂直角在不同位置时对测量精度的影响进行试验分析，给出了激光跟踪仪最佳

2、测量角度并得出相应结论。关键词：激光跟踪仪；水平角；垂直角；测量精度中图分类号：TH744．5；TB922文献标识码：^文章编号：1673—1379(2010)05-0643-03DoI：10．3969／j．issn．1673·1379．2010．05．02lO引言在航天器总装过程中，随着航天器生产的批量化以及总装周期的缩短，对相应的专业测量技术要求越来越高。激光跟踪测量系统由激光跟踪仪、控制器、反射器、用户计算机等组成。激光跟踪仪是激光跟踪测量系统的主要组成部分，是一种新型大尺寸坐标测量仪器，其作用是

3、提供各种测量数据并进行各项系统误差改正，具有精度高、操作简单等特点。其基本原理是测量目标点的距离及水平和垂直方向的偏转角，距离分量及角度分量的测量分别由位于激光跟踪仪内部的激光干涉仪及高精度角度编码器测量获得。通常激光跟踪仪的测量不确定度指标由生产厂商在实验室理想状态下测试后提供，但是在实际工业测量现场激光跟踪仪的测量不确定度除受仪器自身的因素影响外，还受不同测量方法的影响。本文主要通过试验研究了激光跟踪仪水平与垂直角对测量精度的影响，得出的结论可为以后的试验和工作积累经验，减小测量方法失误及由此造成增

4、大误差的几率，从而保证系统整体精度。1激光跟踪仪测量原理激光跟踪仪的测量原理是以极坐标方式实现对被测物体空间三维坐标的测量。如图l所示，坐标系由激光跟踪头的水平回转轴线和竖直回转轴线及其交点组成。其中激光头在水平面回转时转动的角度称为水平角，沿竖直回转轴线旋转的角度称为垂直角。将测量目标器放置于被测点P，激光头发射并接收发射器返回的激光，通过测得激光头偏转的两个角度参量a、口以及由激光头中心到被测点P的距离参量，．，由公式可求得被测点的空间坐标尸(x，y，z)。fx=，sin∥siIl口2y=rsinp

5、cosaIz=，COS∥z／r，，／y够一一／。}7图l激光跟踪仪测量原理图Fig．1Principleofpositionmeasurementbylasertracker图l中a为水平角，∥为垂直角，对应的不确定度分别为研。、啪；，．为激光测距值，不确定度为m，；坐标x，Y、Z的不确定度分别为豫、％、mz；点位不确定度为怖。由以上式子中的工、Y、z分别对观测量口、∥、，．求偏导，则有：收稿日期：2010—01．17；修回日期：2010．09．27基金项目：航天科技基金资助项目作者简介：郭洁瑛(197

6、4一)，女，主要从事总装精度测量工作。联系方式：(010)68746006。航天器环境工程第27卷m：=口12聊：+a2m；+口；垅；m；=bZ。m：+眨2，，l口2+砖m；脚；=彳聊：+呸2柳口2+《坼2其中q2rsinflcosa，口2=rcosflsina，a3=sin

7、Bsin0‘．bl=一rsinpsina。62=rCOSflCOSa吃=rsinflcosa．c1=0．c2=一rsin∥C3=cosfl于是P点的点位不确定度计算公式为(2)饰=±＼『／擞2+坳2+舰2。从以上公式中可以看出：影

8、响激光跟踪仪测量不确定度的因素包括水平角、垂直角和激光测距值。2试验过程及数据本试验采用API公司的T3第三代激光跟踪仪(图2)。此系统携带方便，测量半径为60m，水平角范围±320。，俯仰角范围+80。～．60。，便于对机器人位置及姿态的测量、大型工件的尺寸及形位公差的测量、校准与控制数控加工机床、坐标测量机以及大型装置的校准。此系统绝对测距精度可达±15岬(10m以内)，±1．5ppm(10m以外)。API激光跟踪仪在测试之前经过中国计量研究院进行标定，性能满足试验的测量范围，竖直放置激光跟踪仪，对

9、标准试验平台及测量支架上放置的经过标定的专用测量靶标进行试验，并进行精度分析得出结论。图2试验用激光跟踪仪及靶标Fig．2Lasertrackerandmeasuringtarget2．1不同水平角对精度的影响1)在同一高度、不同角度，半径约为4m的等半径圆上，取3个点测量水平角精度，如图3所示。图3水平角精度测试方法示意图Fig．3Skewhmapofhorizontalangleprecisionmeasurement2)在与仪器同高的