激光跟踪仪专用工作台及激光跟踪测量方法

摘要

本发明公开了一种在测量三维空间中A、B两点的距离时，可将激光跟踪仪尽可能的移动到A、B两点连线的延长线上，并且使激光跟踪仪的指向方向与A、B两点连线尽可能的一致的激光跟踪仪专用工作台。本发明的专用工作台包括与激光跟踪仪的底座相匹配的安装座，以及用于调整该安装座的垂直角度调整装置、水平角度调整装置、水平平移调整装置以及上下升降调整装置。通过该工作台能够在测量过程中仅利用激光跟踪仪的干涉测量功能，避免了激光跟踪仪的水平转动和垂直转动，从而减小激光跟踪仪的测量不确定度，保证A、B两点的测长精度。另外，本发明还公开了一种激光跟踪测量方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光跟踪仪专用工作台及激光跟踪测量方法。

背景技术

在现有的便携式、大尺寸空间测量设备中，激光跟踪仪是精度最高的。比如，美国API 公司生产的某型号激光跟踪仪的测量不确定度达到0.005毫米/米，其测量范围为0-60米。 但是，当其测量范围超过20米时，其测量不确定度将达到0.1毫米，并且，随着该测量范围 的增加，测量的不确定度还将呈直线增长。而某零件是一个长度超过30米且精度要求超高的 零件，故上述激光跟踪仪无法满足其测量精度要求。

发明内容

为克服激光跟踪仪的上述局限，本申请的发明人首先对激光跟踪仪的内部结构和测量原 理进行了深入的研究。激光跟踪仪的本质是一种球坐标测量系统，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，距离分量由激光干涉仪测量，角度分量由高精角度编码器 测量。激光跟踪仪主要由一个激光干涉仪和水平、垂直的两个角度码盘构成，其误差主要由 两部分组成：一部分是激光干涉仪的误差，该误差为0.001毫米/米，另一部分误差为角度码 盘的转角误差，该误差大于1角秒。可见，对激光跟踪仪测量不确定度影响量最大是仪器的 转角误差。因此，如果在测量过程中尽量减小仪器的水平转动和垂直转动，只利用仪器的干 涉测量功能，这样就能减小仪器的测量不确定度，满足超大型工件的精密测量要求。

下面结合附图1对激光跟踪仪长度测量不确定度数学推导如下：设激光跟踪仪所在位置 为T，两个被测点为A和B，T到AB的垂线与AB相交于P，AB之间的距离为d，在直角三角 形TPB中，d＝d₂-d₁。图中，r₁、r₂分别是激光跟踪仪到A、B点之间的距离，若设∠TAP＝a₁， ∠TBP＝a₂，则d₁＝r₁cosa₁，d₂＝r₂cosa₂，d＝r₂cosa₂-r₁cosa₁。对测量距离d求导，得：Δd＝cosa₂Δr₂-cosa₁Δr₁+r₂sin a₂Δa₂-r₁sina₁Δa₁。上式中，Δr₁、Δr₂是激光干涉仪测量长度的精 度，Δa₁、Δa₂是激光跟踪仪测量角度的精度。当激光跟踪仪放置在点P处时，a₁＝a₂＝0°。 在这种情况下，由于cos(0°)＝1，sin(0°)＝0，即得Δd＝Δr₂-Δr₁。可见，当激光跟踪 仪位于A、B两点连线的延长线上并且其指向方向也与A、B两点连线一致时，AB点之间的距 离测量值的不确定度取决于测量两点坐标时激光干涉仪测量长度的不确定度。

基于上述分析，本申请提出，本发明所要解决的第一个技术问题即提供一种在测量三维 空间中A、B两点的距离时，可将激光跟踪仪尽可能的移动到A、B两点连线的延长线上，并 且使激光跟踪仪的指向方向与A、B两点连线尽可能的一致的激光跟踪仪专用工作台。

为此，本发明的激光跟踪仪专用工作台包括与激光跟踪仪的底座相匹配的安装座，以及 用于调整该安装座的垂直角度调整装置、水平角度调整装置、水平平移调整装置以及上下升 降调整装置。其中，垂直角度调整装置可使固定在安装座上的激光跟踪仪整体绕一水平轴线 做俯仰方向的旋转运动，以将激光跟踪仪指向方向的俯仰角度与A、B两点连线与水平面之间 的夹角调整一致；水平角度调整装置可使固定在安装座上的激光跟踪仪整体绕一竖直轴线做 水平方向的旋转运动，以将激光跟踪仪指向方向的水平角度与A、B两点连线与竖直面之间的 夹角调整一致；水平平移调整装置可使固定在安装座上的激光跟踪仪整体沿一水平方向做平 移运动，以将激光跟踪仪调整到A、B两点连线在一水平面上的投影线上；上下升降调整装置 可使固定在安装座上的激光跟踪仪整体沿一竖直方向做平移运动，以将激光跟踪仪调整到A、 B两点连线在一竖直面上的投影线上。由此，通过该专用工作台即可将激光跟踪仪尽可能的 移动到A、B两点连线的延长线上，并且通过垂直角度调整和水平角度调整还能够使激光跟踪 仪的指向方向与A、B两点连线方向调整一致，这样，在测量过程中仅利用了激光跟踪仪的干 涉测量功能，避免了激光跟踪仪的水平转动和垂直转动，从而减小激光跟踪仪的测量不确定 度，保证A、B两点的测长精度。

进一步的，所述安装座、垂直角度调整装置、水平角度调整装置、水平平移调整装置和 上下升降调整装置是由上至下设置的；其中，上下升降调整装置用于带动其上方的机构整体 做上下升降运动，水平平移调整装置用于带动其上方的机构整体做水平平移运动，水平角度 调整装置用于带动其上方的机构整体做水平旋转运动，垂直角度调整装置用于带动安装座做 垂直旋转运动。

作为垂直角度调整装置的具体结构，所述垂直角度调整装置包括沿水平方向设置的转轴 以及通过该转轴连接的下定位板和上转动板，所述转轴靠近该上转动板右边缘设置，在下定 位板和上转动板之间且靠近上转动板左边缘处设有支撑高度调整装置。另外，所述上下升降 调整装置可采用多种机构来实现上下升降调节，如蜗轮螺杆升降机、液压升降机或气动升降 机等。水平角度调整装置和水平平移调整装置亦可以由多种现有的方式来实现，比如转盘机 构和丝杆机构等。

在上述激光跟踪仪专用工作台的基础上，本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种 运用该专用工作台的激光跟踪测量方法，用于测量三维空间中A、B两点的距离，其步骤包括：

(1)将激光跟踪仪安装上述专用工作台上，然后再将该专用工作台移动到使激光跟踪仪 靠近所述A、B两点连线的延长线的位置上；

(2)通过激光跟踪仪分别测得A、B两点的坐标从而建立A、B两点连线的延长线，然后 确定出对专用工作台的垂直角度调整装置、水平角度调整装置、水平平移调整装置和上下升 降调整装置的调整量；

(3)按照上述计算得到的调整量分别对专用工作台的垂直角度调整装置、水平角度调整 装置、水平平移调整装置和上下升降调整装置进行调整；

(4)重复上述步骤(2)至步骤(3)，直到用激光跟踪仪测量A、B两点时激光跟踪仪的 垂直转角码盘和水平转角码盘的读数接近零；此时，再通过激光跟踪仪测得A、B两点的距离 值。

此处使用术语“接近”是因为考虑到在必不可少的误差影响下将很难保证激光跟踪仪的 垂直转角码盘和水平转角码盘绝对为零，故只能采取保守的说法。

由此，在最终测量时，激光跟踪仪基本上不需要进行水平转动和垂直转动，只利用激光 跟踪仪的干涉测量功能，这样就减小了仪器的测量不确定度，以满足超大型工件的精密测量 要求。显然，上述方法最适合A、B两点的距离为20米至60米的情况。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本申请附加的方面和优点将在 下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

图1为对激光跟踪仪长度测量不确定度数学推导的辅助示意图。

图2为本发明的激光跟踪仪专用工作台的结构示意图。

图3为图2中上下升降调整装置工作时的调整状态图。

图4为图2中水平平移调整装置工作时的调整状态图。

图5为图2中垂直角度调整装置工作时的调整状态图。

图6为通过上下升降调整装置将激光跟踪仪的坐标原点O移动到A、B两点连线的延长线 在XZ平面上的投影线上的示意图，图中H表示上下升降调整的距离。

图7为通过水平平移调整装置将激光跟踪仪的坐标原点O移动到A、B两点连线的延长线 在XY平面上的投影线上的示意图，图中W表示水平平移调整的距离。

图8为通过水平角度调整装置将激光跟踪仪在XY平面上的指向方向旋转到A、B两点连 线的延长线在XY平面上的投影线上的示意图，图中α表示水平旋转角度。

图9为通过垂直角度调整装置将激光跟踪仪在XZ平面上的指向方向旋转到A、B两点连 线的延长线在XZ平面上的投影线上的示意图，图中β表示垂直旋转角度。

图6至图9中分别标出了三维空间的X轴、Y轴和Z轴方向。

图6至图9中的虚线分别表示经专用工作台进行姿态调整后的激光跟踪仪7。

图中标记为：安装座1、垂直角度调整装置2、转轴2a、上转动板2b、支撑高度调整装 置2c、下定位板2d、水平角度调整装置3、水平平移调整装置4、滑动块4a、导轨4b、手柄 4c、上下升降调整装置5、手柄5a、升降台5b、支架6、激光跟踪仪7。

具体实施方式

如图2至图5所示的激光跟踪仪专用工作台，包括安装座1以及用于调整该安装座1的 垂直角度调整装置2、水平角度调整装置3、水平平移调整装置4和上下升降调整装置5。其 中，安装座1、垂直角度调整装置2、水平角度调整装置3、水平平移调整装置4和上下升降 调整装置5是由上至下设置的，上下升降调整装置5的下方还安装有支架6，用于支撑整个 专用工作台。上下升降调整装置5用于带动其上方的机构整体做上下升降运动，水平平移调 整装置4用于带动其上方的机构整体做水平平移运动，水平角度调整装置3用于带动其上方 的机构整体做水平旋转运动，垂直角度调整装置2用于带动安装座1做垂直旋转运动。具体 来说，如图3所示，上下升降调整装置5采用蜗轮螺杆升降机构来实现其上下升降的功能， 当操作者旋转上下升降调整装置5的手柄5a时，上下升降调整装置5的升降台5b即上下运 动；如图4所示，水平平移调整装置4采用了与固定在所述升降台5b上的导轨4b相配合的 滑动块4a，当操作者旋转水平平移调整装置4的手柄4c时，该手柄4c经一丝杆机构带动滑 动块4a沿导轨滑动；水平角度调整装置3则采用了一转盘机构，该转盘机构的上转盘上安装 有垂直角度调整装置2；如图5所示，垂直角度调整装置2包括沿水平方向设置的转轴2a以 及通过该转轴2a连接的下定位板2d和上转动板2b，所述转轴2a靠近该上转动板2b右边缘 设置，在下定位板2d和上转动板2b之间且靠近上转动板2b左边缘处设有支撑高度调整装置 2c。此处所谓的“支撑高度调整装置2c”，是对上转动板2b起支撑作用，并且其对上转动板 2b的支撑高度可调的装置。支撑高度调整装置2c可由多种机构来实现，比如蜗轮螺杆升降 机构、螺旋传动机构等等。具体的一种实现方式为，在上转动板2b中安入一个固定螺母，在 下定位板2d上安装一根与该固定螺母配合的旋转螺杆，然后再在旋转螺杆上设置一个与该螺 杆固联的转盘，用手拨动转盘时，螺杆同步转动，导致固定螺母沿旋转螺杆的轴向运动，由 于固定螺母与上转动板2b一体，因此上转动板2b将绕转轴2a旋转。

在上述激光跟踪仪专用工作台的基础上，本发明还提供了一种运用该专用工作台的激光 跟踪测量方法，用于测量三维空间中A、B两点的距离，其步骤包括：(1)将激光跟踪仪7安 装上述专用工作台上，然后再将该专用工作台移动到使激光跟踪仪7靠近所述A、B两点连线 的延长线的位置上；(2)通过激光跟踪仪7分别测得A、B两点的坐标从而建立A、B两点连 线的延长线，然后确定出需对专用工作台的垂直角度调整装置2、水平角度调整装置3、水平 平移调整装置4和上下升降调整装置5的调整量；(3)按照上述计算得到的调整量分别对专 用工作台的垂直角度调整装置2、水平角度调整装置3、水平平移调整装置4和上下升降调整 装置5进行调整；(4)重复上述步骤(2)至步骤(3)，直到用激光跟踪仪7测量A、B两点 时激光跟踪仪7的垂直转角码盘和水平转角码盘的读数接近零；此时，再通过激光跟踪仪7 测得A、B两点的距离值。

下面结合附图6至附图9对上述步骤(2)和步骤(3)做进一步说明。在计算出将激光 跟踪仪7调整到A、B两点连线的延长线上而需对专用工作台的垂直角度调整装置2、水平角 度调整装置3、水平平移调整装置4和上下升降调整装置5的调整量后，首先，如图6所示， 通过上下升降调整装置5将激光跟踪仪7的坐标原点O移动到A、B两点连线的延长线在XZ 平面上的投影线上，坐标原点O的上下升降调整的距离为H；然后，如图7所示，再通过水 平平移调整装置4将激光跟踪仪7的坐标原点O移动到A、B两点连线的延长线在XY平面上 的投影线上，坐标原点O的水平平移调整距离为W；完成上述两个步骤后，激光跟踪仪7的 坐标原点O实际上已经位于A、B两点连线的延长线上了，但由于此时还没有对专用工作台的 垂直角度调整装置2和水平角度调整装置3进行调整呢，因此用激光跟踪仪7测A、B两点时， 激光跟踪仪7中的垂直转角码盘和水平转角码盘仍然会转动，就会存在转角误差。因此，如 图8所示，再通过水平角度调整装置3将激光跟踪仪7在XY平面上的指向方向旋转到A、B 两点连线的延长线在XY平面上的投影线上，此后，如图9所示，再通过垂直角度调整装置2 将激光跟踪仪7在XZ平面上的指向方向旋转到A、B两点连线的延长线在XZ平面上的投影线 上。至此，该激光跟踪仪7既移动到了A、B两点连线的延长线上，并且激光跟踪仪7的指向 方向也与A、B两点连线一致，当用激光跟踪仪7在此测A、B两点时，激光跟踪仪7的垂直 转角码盘和水平转角码盘的读数为零，A、B两点之间的距离完全由激光干涉仪测量得到，由 此大大增加了测量的准确性。