六自由度測量功能的雷射掃描跟蹤儀的製作方法
2023-05-13 02:29:11
專利名稱：六自由度測量功能的雷射掃描跟蹤儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種六自由度測量功能的雷射掃描跟蹤儀。屬於雷射掃描跟蹤儀的創新技術。
背景技術：
現有的三維雷射掃描跟蹤儀是一種高精度(動態測量時為±20ppm)、高分辨力(距離測量精度為0.1μm，角度測量精度為0.25arc-sec.)、大範圍(25m)、智能化動態測量儀器，其工作原理如圖1所示。由HP雙頻雷射幹涉儀1發出的測量光束經分光鏡3入射到二維旋轉的平面反射鏡4上，由平面鏡4反射出的平行光束打到角隅稜鏡5的中心位置後被反射回到分光鏡3，返回的光束照射到二維位置靈敏檢測器件(PSD)2上。當發射光束的中心位於角隅稜鏡的中心位置時，返回光束的中心必位於PSD坐標的中心位置，此時，跟蹤儀的機械系統處於靜止狀態。當稜鏡移動時，返回光束的中心位置將偏離PSD的中心，PSD將偏離其中心的幾何量轉換為電信號，該電信號經計算機處理後驅動平面鏡4水平與垂直旋轉，直到發出的光束再次跟蹤入射到稜鏡的中心，同時返回的光束也重新回到PSD的中心。平面鏡4的旋轉由伺服電機驅動，其水平與垂直旋轉的角度值由位於平面鏡4水平與垂直軸線上的角度光柵給出並由計算機記錄，從而完成掃描跟蹤測量。
顯然，該三維雷射掃描跟蹤儀適合於坐標軌跡的跟蹤測量，也適合於曲面輪廓的描繪。因此在大尺寸、高精度的空間坐標測量項目中有著廣泛的應用。但是，直接應用上述三維測量裝置不能實現被跟蹤物體坐標方位的測定(如孔中心軸線方位角的測量，多孔之間中心距的測量等)，也不能實現空間點之間的距離測量(如瞄準與測量兩個空間十字線交點的距離等)。原因是該角隅稜鏡的作用只是將入射光線沿原方向返回，而當該角隅稜鏡圍繞入射光線有方位角轉動時，其反射光線的方向不變，因此無法測量出圍繞入射光線的方位角變化，即不能實現三維方位角的測量。又由於該角隅稜鏡自身不具備子坐標系功能，因此無法攜帶點位瞄準測頭，所以不能實現空間點之間的距離測量。
發明內容
本發明的目的在於提供一種六自由度測量功能的雷射掃描跟蹤儀。該雷射掃描跟蹤儀不僅能完成坐標軌跡的跟蹤及曲面輪廓的描繪；而且還具備測量或瞄準所跟蹤物體坐標方位及空間點距的多項功能，並使該儀器成為六自由度、大測量範圍、高精度、高分辨力的基準溯源裝置。
本項發明是通過下述技術方案加以實現的。包括由雙頻雷射幹涉儀、二維位置靈敏檢測器件、分光鏡、二維旋轉平面鏡及坐標方位測量靶構成六自由度測量功能的雷射掃描跟蹤儀。其特徵在於，它的坐標方位測量靶是由主軸9、位於主軸上端攜帶角隅稜鏡5的軸向平面轉動機構、位於主軸中部攜帶光電測頭或空心正四面體測頭的繞主軸轉動機構以及主軸下端由測杆與觸球構成的定位機構所組成。
上述攜帶角隅稜鏡的軸向平面轉動機構由一塊與主軸連接的定位靠板7，定位靠板上鑲嵌短軸14連接轉動臂6組成，在轉動臂外端裝置角隅稜鏡5。定位靠板上分別於0°、90°、180°的軸線位置處設有由彈性鋼球與錐窩副構成的鎖定轉動臂的定位點。
上述攜帶光電測頭或空心正四面體測頭的繞主軸轉動機構，由繞主軸轉動的轉動塊8及轉動塊上垂直於主軸設置能自轉動的側向臂12組成。轉動塊8通過其上的彈性鋼球與主軸上的錐窩副構成在主軸上0°、90°、180°與270°的四個鎖定點。側向臂12通過轉動塊8上的彈性鋼球與其自身的錐窩副構成的定位機構可使所攜帶的光電測頭的測量軸線鎖定在平行於主軸軸線或垂直於主軸軸線的兩個位置方向上。
本發明不僅適用於坐標軌跡的跟蹤及曲面輪廓的描繪；而且還能實現測量或瞄準所跟蹤物體坐標方位及空間點距的多項功能，從而確立了該儀器成為六自由度、大測量範圍、高精度、高分辨力的基準溯源裝置。
圖1為三維雷射掃描跟蹤儀的工作原理示意圖。
圖2為本發明的坐標方位測量靶的結構示意圖。
圖3為圖2A-A剖面示意圖。
圖4為圖2B-B剖面示意圖。
圖5為空心正四面體結構示意圖。
圖中1-雙頻雷射幹涉儀 2-二維位置靈敏檢測器件(PSD) 3-分光鏡 4-平面反射鏡5-角隅稜鏡 6-轉動臂 7-定位靠板 8-轉動塊 9-主軸 10-測杆 11-觸球12-側向臂 13-光電定位測頭 14-短軸 15-角隅稜鏡磁性靶座 16-空心正面體。
具體實施例方式
結合附圖對本發明的原理及實施測量的過程加以說明。
在攜帶角隅稜鏡的軸向平面轉動機構中，轉動臂6的中心線可由彈性鋼球與錐窩副準確定位在定位靠板7的三個位置處(OA、OB、OC)，因此，角隅鏡光靶的中心在三個位置上的坐標值(圖中A、B、C三點)可在三坐標測量機上測量確定。設以軸向平面轉動機構的旋轉中心O為坐標原點，以A(xa』ya』za』)、B(xb』yb』zb』)、C(xc′yc』zc』)三點坐標值為參考點構成「三自由度坐標方位測量靶」的坐標系統。該坐標方位測量靶與三維雷射掃描跟蹤儀聯機應用時，其坐標係為掃描跟蹤儀的子坐標系，以X』Y』Z』表示。
在攜帶光電測頭或空心正四面體測頭的繞軸轉動機構中，側向臂12可安裝光電定位測頭13，用於定位被測點；也可安裝空心正四面體16，採用六自由度參數綜合調整法來定位二維視覺傳感器等。
在測量時，隨著角隅稜鏡光靶繞其坐標原點O旋轉一周，計算機將採集光靶位於0°、90°和180°三個位置處的坐標值。根據這三點的坐標值，由式(1)可以求出X』-Y』平面方程，pa(x』-x』b)+qa(y』-y』b)+ra(z』-z』b)＝0(1)式中pa、qa、ra為X』-Y』平面的方向數。並由該平面方程求得其通過O點的法線方程。因此，通過矩陣2的運算便可將靶標系統X』Y』Z』的坐標轉換到三維雷射掃描跟蹤儀的主坐標系統之中。 式中R9為坐標旋轉係數，t為坐標平移係數。
例如，在汽車自身整體誤差測量項目中，該「三自由度坐標方位測量靶」上的空心正四面體的稜邊被用來虛擬(代表)車身上某標準稜邊，並被安排到圖紙規定的空間坐標與方位處，以便用它來定位二維視覺傳感器在主坐標系中的位置。顯然，該定位過程的實質是對所跟蹤物體坐標方位的瞄準。由於靶標系統X』Y』Z』已建立在三維雷射掃描跟蹤儀的主坐標系統之中，因此位於X』Y』Z』坐標系中的空心正四面體的稜邊位置便也已得知。
再如，利用測杆與觸球測量時，不但觸球的位置可知，而且測杆軸線在主坐標系中的方位也已知。因此，既可測量空間的點距，也可測量孔中心線的坐標方位。
因此，該「三自由度坐標方位測量靶」可裝卡各種用途的傳感器，進一步擴大了三維雷射掃描跟蹤儀的功能；僅通過簡單的矩陣計算便可實現了空間六自由度的測量。
權利要求
1.一種六自由度測量功能的雷射掃描跟蹤儀，該掃描跟蹤儀式包括由雙頻雷射幹涉儀、二維位置靈敏檢測器件、分光鏡、二維旋轉平面鏡及坐標方位測量靶構成，其特徵在於它的坐標方位測量靶是由主軸、位於主軸上端攜帶角隅稜鏡的軸向平面轉動機構、位於主軸中部攜帶光電測頭或空心正四面體測頭的繞主軸轉動機構以及主軸下端由測杆與觸球構成的定位機構所組成。
2.按權利要求1所述的六自由度測量功能的雷射掃描跟蹤儀，其特徵在於攜帶角隅稜鏡的軸向平面轉動機構由一塊與主軸連接的定位靠板，定位靠板上鑲嵌短軸連接轉動臂組成，在轉動臂外端裝置角隅稜鏡，定位靠板上分別於0°、90°、180°的軸線位置處設有由彈性鋼球與錐窩副構成的鎖定轉動臂的定位點。
3.按權利要求1所述的六自由度測量功能的雷射掃描跟蹤儀，其特徵在於攜帶光電測頭或空心正四面體測頭的繞主軸轉動機構，由繞主軸轉動的轉動塊及轉動塊上垂直於主軸設置能自轉動的側向臂組成，轉動塊通過其上的彈性鋼球與主軸上的錐窩副構成在主軸上0°、90°、180°與270°的四個鎖定點；側向臂通過轉動塊上的彈性鋼球與其自身的錐窩副構成的定位機構可使所攜帶的光電測頭的測量軸線鎖定在平行於主軸軸線或垂直於主軸軸線的兩個位置方向上。
全文摘要
本發明公開了一種六自由度測量功能的雷射掃描跟蹤儀。該掃描跟蹤儀包括由雙頻雷射幹涉儀、二維位置靈敏檢測器件、分光鏡、二維旋轉平面鏡及坐標方位測量靶構成。其特徵在於:它的坐標方位測量靶是由主軸,位於主軸上端攜帶角隅稜鏡的軸向平面轉動機構、位於主軸中部攜帶光電測頭或空心正四面體測頭的繞主軸轉動機構以及主軸下端由測杆與觸球構成的定位機構所組成。在轉動臂外端裝置角隅稜鏡,它的轉動由定位靠板上分別於0°、90°、180°的軸線位置處,設有由彈性鋼球與錐窩副構成的轉動定位點。繞主軸轉動機構由轉動塊及轉動側向臂構成。本發明實現六自由度測量功能,測量範圍大、精度高、分辨力高。
文檔編號G06K7/10GK1362692SQ0210088
公開日2002年8月7日 申請日期2002年2月7日 優先權日2002年2月7日
發明者王寶光 申請人:天津大學