大尺寸空间坐标测量系统精度理论若干问题的研究

【摘要】： 在现代制造工业中，大尺寸空间坐标测量系统获得了越来越广泛的应用，它具有 量程大、精度高、非接触、机动灵活、动态测量等优点，是传统坐标测量技术所无法替 代的，对控制产品质量起到了至关重要的作用。随着生产的发展和科学技术水平的提 高，要求提供精度更高、动态性能更佳的测量系统，为此，发达国家都在不断研究和开 发新的大尺寸空间坐标测量系统。本文根据国家自然科学基金重点项目“现代质量控 制、溯源中若干理论与技术基础的研究”（编号59735120）以及国防科工委预研项目 “大尺寸计量标准”的要求，针对大尺寸空间坐标测量系统精度理论这一重大基础课题 展开研究，尤其是研究其动态精度理论，目的是推动该技术的发展和提高应用水平。本 文研究对象主要为经纬仪系统、单站激光跟踪仪及多站激光跟踪系统，本文 创造性研究及主要工作如下： 1．对经纬仪测量系统关键测量理论与测量精度进行了研究。重点研究了经纬仪系统测 站控制网平差和光束平差这两种新的定向方法，将序贯平差引入经纬仪系统定向测 量和坐标解算中，它可以提高解算精度和数据一致性，其平差效果与整体平差一 致。推导了经纬仪系统空间最佳测点，为优化设站、提高测量精度奠定了基础。 2．对单站激光踉踪仪测量理论进行了研究，建立了单站激光跟踪仪初始距离校准数学 模型，分析了单站仪空间测长不确定度。 3．对多站激光跟踪系统测量理论进行了研究，给出了多站激光跟踪系统坐标直接解算 方法，该方法不需要给出点位坐标初值，也不涉及解的多值判断。研究了多站距离 交会系统初始参数自标定过程中的共线性问题，并给出了共线性判断准则。首次提 出了多站激光跟踪系统坐标加权算法，它考虑了测量过程中测站参数的随机变化， 可以提高测量精度，该算法适用于所有基于多站距离交会的测量系统。 4．深入分析与研究了多站距离交会系统中定位误差与几何图形之间的关系，据此可以 找出多站距离交会系统的最佳图形，从而得到最佳测量点和最佳测量精度。该方法 为优化设站和寻求最佳测量精度提供了理论依据。同时，还提出了测量方程制约性 的概念特别是给出了长方阵制约数计算方法，它可以间接反映几何图形的优劣，预测坐 标点解算精度。 5．系统地研究了大尺寸空间坐标测量系统精度校准技术。提出了经纬仪系统和单站激 光跟踪仪这两种典型大尺寸空间坐标测量系统的性能评定参数，给出了检测方法和 数据处理步骤，研制了35m长大尺寸计量标准，精度达5×10~(-7)，首次对LTD500 激光跟踪仪在35m全行程范围内进行了实际检测，验证了检测方法的正确性与有效 性，同时得到了LTD500激光跟踪仪全程测长精度。检测方法中首次提出了动态误 11 合肥工业大学博士学位论文 差校准和面向对象的槽度校准，有助于反映系统的动态测量性能和评定系统面向测 量对象的测量不确定度，反映了因际上关于仪器校准和沏源的最新发展方向。 6．全面分析了LTD500 N角误差和测匣误差来源，首次建立了LTD500十一项几何误 差数学模型，提出了五项几何误差校准方法，对其中主要三项几何课差进行了误差 修正，实验结果表明，修正后LTD500系统测长精度在各点上均有不同程度提高， 说明了几何杖型和修正方法正确有效． 7．研究了动态误差基本理论，设计了LTD500激光跟踪仪动态测量误差校准方案，采 用空间旋转球杆对激光踉踪仪进行了动态检测，检测结果显示，LTD500空间回动 态测量误差具有平稳随机过程特征。