激光扫描与激光跟踪仪组合式测量方法研究

摘要

工业装备的制备能力是国家工业、科技及综合实力的集中体现，而大型复杂结构件的高质高效加工是保障装备整体质量、缩短制造时间的关键因素。传统单一的离线式检测难以实现多区域跨视场的在线测量，结合数字化方式对多种测量方法进行融合统一，可有效提高测量过程中如视场大小，精度范围等系统指标；然而，由于测量系统之间基准协调困难，数据转换和传输存在误差，难以实现高效高精测量。本文面向机械结构件的加工，针对工业测量现场精度差异化需求分区的高精度测量需求，开展的相关补偿和标定方法研究，具体研究如下：为了实现结构件的高精度加工，需要对零件的表面特征进行高精度的无损伤性三维检测，并向工控机快速反馈精确的型面结构特征，实现高效率加工与配准。准确地表征测量获得加工型面在任意坐标系下的特征信息，向目标钻铣设备实时反馈，为加工定位和验证提供重要参考，是整个加工与装配的重要过程。组合式测量有着多种测量仪器不同的优势点，可以协助结局传统单一测量仪器测量过程中的存在的如测量周期长，测量空间有限和测量目标结构受限等问题，由于在测量精度和效率上的优势，逐渐在大尺寸测量领域得到推广。本文针对结构件尺寸大，各部分精度要求不同且精度要求高等问题，采用激光线扫和激光跟踪仪共同测量，研究了相关补偿方案和标定算法，主要研究内容如下： （1）针对局部激光线扫过程中存在初始定位误差问题，分析空间点云变换模型，提出基于三维变换的局部误差补偿方法，根据安装结构的平面特征，通过三坐标测量得到安装误差偏置矩阵，完成安装补偿。在方案的基础上，对所有硬件线路进行集成连接，增添安全设备，并设计了靶球标定装置，局部等步长控制程序及相关数据预处理程序，实现了对二维数据的升维和精度补偿。 （2）针对局部空间光学反射误差问题，根据设备测量的不同光学原理与实验条件，提出了通过测量目标模型结构特征反馈测量实时偏转角，基于光学补偿模型对测量数据进行补偿，最终得到精确局部测量点云数据的系统性误差补偿方法。通过与直接测量的点云数据比对，拟合半径平均精度可以达到10μm。 （3）针对大尺度空间三维测量的全局标定问题，提出一种基于激光跟踪和激光扫描组合的大视场全局标定方法，分析解算过程中存在的误差项，提出了采用基于抗差估计的奇异值分解解算模型，通过先验实验分析了坐标转换过程中算法结构和特征参数选择对精度的影响，改善公共点的数据结构和局内需求，实现了误差在0.03mm以内的全局标定，相比于传统最小二乘解算，误差平均缩减了60%以上。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题来源、研究背景及意义

1.1.1 研究背景及意义

1.1.2 课题来源

1.2 组合式测量国内外研究现状及发展

1.3 技术难点及研究方案

1.4 研究内容

2 局部激光精扫数据升维及补偿

2.1 局部空间标定特征分析

2.1.1 初始位姿转换特征矩阵

2.1.2 局部坐标系测量转换约束

2.2 目标数据预处理

2.3 基于安装定位的结构误差补偿

2.3.1 安装定位偏转矩阵模型

2.3.2 设备偏转矩阵解算

2.4 实验验证及评价

2.5 本章小结

3 激光扫描工件偏转补偿

3.1 局部激光扫描测量原理

3.1.1 直射式三角测量

3.1.2 斜射式三角测量

3.2 基于工件偏转角的光学误差补偿

3.2.1 工件偏转的光能分布

3.2.2 工件偏转误差补偿模型

3.3 试验及评价

3.4 本章小结

4 基于抗差估计的全局标定模型优化

4.1 点云位姿变换理论

4.1.1 点云变换原理

4.1.2 点云变换模型分类

4.1.3 跨坐标系模型参数解算

4.2 基于抗差估计的标定模型优化

4.2.1 基于Procrustes分析的标定模型

4.2.2 基于抗差估计的靶标选取方法

4.3 实验及评价

4.4 本章小结

5 实验系统搭建及实验评价

5.1 三维激光线扫系统

5.1.1 测量硬件系统

5.1.2 局部等步长测量控制

5.2 公共视场靶标标定系统

5.3 验证实验与结论

5.4 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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