三坐标测量系统的开发及其在航天器检测中的应用

坐标系后,将设计数据转换成相应的角度信息,并在实地指示出来。

　　(8)数据的输入、输出

　　MetroIn系统不仅使用它本身的数据,也能兼容外部数据。可将外部数据直接输入到某指定工件并转换到特定坐标系中;点坐标及其观测值可以输出到相应格式的文件中;定向的结果可以进行打印输出。

　　(9)三维图形显示

　　联机或脱机测量数据可以三维可视化显示,其中包括离散的单点显示、拟合计算的基本几何形状(如直线、平面、圆柱、球等)显示,并可对视图进行任意视角观察,使得我们对测量结果有个直观的感觉。

　　4　系统的主要数学原理

　　4.1　系统定向

　　经纬仪三坐标测量是基于角度前方交会的三角测量原理,而对多台仪器构成的测量系统,由于“甬余”数据的存在,对定向和坐标解算算法有两种方法:一种是基于仪器精确整平的测站三维网平差的方法;另一种是建立在摄影测量学共线方程基础上的光束法平差法。下面主要介绍前一种方法的数学原理。多台仪器的系统定向也就是确定仪器各设站点的相互位置关系,其实也就是测站点三维控制网的解算。经纬仪三坐标测量系统三维控制网中的观测值仅为水平方向值和天顶距(或垂直角),再加上必要的相对控制条件(如基准尺的长度)即可完成网的平差解算。

　　在测站三维控制网中,加入基准尺的测量是为了给网提供一个尺度控制条件。基准尺两端点间的长度已知,基准尺的测量即构成距离条件。

　　以上各误差方程的系数和常数项可参见文献6。测站三维控制网引入相对控制(距离)条件后,平差处理可分为两种类型。一是把相对控制视为确定值,作为条件方程与角度观测方程构成附有条件的间接平差模型进行处理;二是视相对控制为观测值,将条件方程化为虚拟观测值误差方程,并赋以一定的权,同角度观测值一并按间接平差进行处理。

　　把相对控制看成是虚拟观测值,则可得间接平差模型:

　　4.2　在线测量

　　系统定向完成后,各测站间的相互位置关系已确定,就可以对空间可视点进行在线点测量。所谓混合测量系统就是指既有经纬仪也有全站仪组成的测量系统,对物方点的测量既有角度观测信息,也有距离观测信息。

　　每个物方点有三个未知数,因此每点至少需要用两台经纬仪观测水平角和天顶距,或一台全站仪测角测距,就可进行在线测量,且测量坐标均在统一的测量坐标系中。

　　需要说明的是,对于既有角度观测值,又有距离观测值的误差方程,由于角度和距离观测精度的不同,需要选取一个合适的权阵P,观测值的权可以根据仪器的验前观测精度来选取。

　　5　系统精度测试与应用

　　5.1　系统精度测试

　　在实验室,我们用4台仪器(3台T3000和1台T2000S)布设成四边形测站网。为了测试系统对长度测量的误差,将基准尺(标定长度为900.706±0.008 mm)在测站网包容范围内(6m×5m×2m)的前后左右上下共放置了10个位置。每个点均用交会图形比较好的三台仪器测量;然后,根据基准尺两端点的坐标计算出基准尺的实测长度,结果见表1。

　　由上表数据可统计出所测基准尺平均长度为900.739mm,与标定长度差值为0.033mm。影响系统坐标测量不确定度的因素甚多,主要有仪器测角误差、经纬仪之间的基线长短、交会图形的好坏以及人眼照准误差等。所以一直没有一个精确的误差评定模型,文献[2,3,8]经测试认为,在5米范围内,最点位测量精度可达到0.05mm。

　　5.2　实际应用

　　我们已将经纬仪/全站仪三坐标测量系统MetroIn成功应用在航天器推进舱圆度检测、天线面形测量、三峡大坝1号机组座环检测和大型闸门的安装与检测等项目中[2],下面是对某航天器推进舱的测量结果。

　　我们用6台T3000电子经纬仪组成三坐标测量系统,对某航天器推进舱(直径约3m)后端框的圆度进行测量。每10°粘贴一个测量标志,整圆共测了36个点,用36个点坐标按最小二乘法拟合圆,然后计算出对径方向的18条直径的数值,在温度为20℃和34℃两种状态下分别各测了两次,并且和传统的数控镗铣床打表法测量结果进行了比较,18条直径统计结果列于表2。从上表数据可看出,经纬仪三坐标测量系统的重复测量精度很好,重复测量差值为0.05mm,而传统的数控镗铣床打表法测量的则为0.43mm。

　　6　结　　论

　　非接触式大尺寸柔性三坐标测量系统MetroIn是国内自主开发的、基于多台传感器的经纬仪/全站仪三坐标测量系统,其测量范围从几米到几十米,测量精度在0.05毫米至亚毫米级,和传统的三坐标测量机相比,它不需工作台和导轨,便于携带和安装,可在被测物体加工过程或安装现场内进行非接触测量,该系统已成功应用于航天器推进舱圆度检测、天线面形测量、三峡大坝1号机组座环检测和大型闸门的安装与检测等项目中。

　　参考文献

　　1　李广云,倪　涵,徐忠阳.工业测量系统.北京:解放军出版社,1994

2李广云.工业测量系统最新