丝线定位仪、绝对定位系统、绝对定位方法和标定方法

摘要

本申请公开了一种丝线定位仪、绝对定位系统、绝对定位方法和标定方法。本申请的丝线定位仪，包括球形壳体、电极板组和基座，球形壳体轴线上开设丝线通道；电极板组由四块大小相等的长条形电极板组成，四块电极板沿丝线通道方向安装在丝线通道内，四块电极板两两平行且镜像对称布置于球形壳体轴线的上下左右，上下两块电极板的对称面与左右两块电极板的对称面垂直，并且两个对称面的交线与球形壳体轴线重合；球形壳体活动安装于基座上，球形壳体在基座上可以沿开设丝线通道的轴线转动。本申请的丝线定位仪，利用四块电极板对加载射频信号的金属丝线进行相对定位，然后再对球形壳体进行空间坐标测量，确定球形壳体的绝对位置，实现丝线绝对定位。

说明书

技术领域

本申请涉及丝线定位设备领域，特别是涉及一种丝线定位仪、绝对定位系统、绝对定位方法和标定方法。

背景技术

目前丝线在超高精度测量中的应用越来越广泛，但是丝线定位精度却没有提高。因为丝线细小柔软，即使微小的作用力也会影响测量精度，所以使用接触式测量方法不可能得到很高的测量精度；光学测量仪器如经纬仪、全站仪测量时需要瞄准同一测量点，才能计算得到空间三维位置，对于长度方向无差别的丝线来说很难测到同一点，所以也无法得到很高的测量精度。

现有的几种丝线定位设备包括，光电式定位仪、图像式丝线定位仪、电容式丝线定位仪和丝线位移监测器。

其中，光电式定位仪是美国著名的斯坦福直线加速器中心(简称SLAC)的直线加速器相干光源(简称LCLS)项目中，在利用振动线技术测量磁中心位置时，为了确定丝线和磁铁外部基准之间的关系而设计的。该定位仪利用激光二极管作为光源，四象限PSD作为传感器；因为激光二极管的光源尺寸远大于丝线直径，设计者巧妙的利用了尺寸约为1/5丝线直径的狭缝作为光闸来细分信号,从而提高精度。利用三坐标测量机精确标定获取狭缝相对定位仪外部基准之间的位置关系，丝线绝对定位精度可达到30微米。当丝线移动时，狭缝必须对准丝线才能测量，所以测量费时、无法进行动态观测。

图像式丝线定位仪，主要以开源公司的oWPS产品为代表，是应CLIC的应用需求开发的。它采用两只微型CCD/CMOS相机作为传感器建立双目视觉测量模型，相机的内部参数以及模型中的结构参数经过精确标定。测量时，利用相机内部参数校正丝线图像坐标之后，通过结构参数准确计算视野内丝线的三维位置。测量准确度可达10微米，精度可达5微米。但因为镜头景深限制，其测量范围仅为10mm×10mm。只能使用特殊丝线：vectran，测量其它材料丝线尤其是金属丝时，由于反光无法实现丝线高精度提取，大大限制了它的精度，也无法进行绝对位置测量。

电容式丝线定位仪，以Fogale公司的WPS为代表。其原理是变介质型电容传感器，丝线穿过平行电极时，会引起极间介质介电常数变化，从而将丝线位置转换为电容量的变化。可将测量精度提高到10微米。但是没有绝对定位基准，只能进行相对位置测量。

丝线位移监测器，是Zhuhongyan等在文献“Design and simulation of a wireposition monitor for cryogenicsystems in an ADS linac”Chinese PhysicsC.Vol.38,No.8(2014)中报道的一种丝线定位设备，该定位仪用于测量低温恒温器中设备位置收缩量，主要针对设备温度变化过程中设备位置的相对变化，相对位置测量精度可达到30微米，但无精确外部基准，无法对绝对位置进行测量。

发明内容

本申请的目的是提供一种改进的丝线定位仪，基于该丝线定位仪的丝线绝对定位系统，采用该丝线定位仪进行丝线绝对定位的方法，以及丝线绝对定位的误差标定方法。

本申请采用了以下技术方案：

本申请的一方面公开了一种丝线定位仪，包括球形壳体11、电极板组和基座13，球形壳体11的轴线上开设丝线通道，以便丝线穿过；电极板组由四块独立且大小相等的长条形电极板121、122、123、124组成，四块电极板121、122、123、124沿丝线通道方向安装在丝线通道内，四块电极板两两平行且镜像对称的布置于球形壳体11轴线的上下左右，上下两块电极板的对称面与左右两块电极板的对称面垂直，并且两个对称面的交线与球形壳体11轴线重合，使用时，丝线穿过四块电极板笼罩的区域；球形壳体11活动安装于基座13上，球形壳体11在基座13上可以沿开设丝线通道的轴线转动。

需要说明的是，为了保障测量的准确性，本申请所采用的球形壳体是高精度球体，基座也是高精度的，球形壳体在基座上转动时，球形壳体轴线的位置是不变的。在一种实现方式中，丝线通道为一个圆柱形孔，其轴心线也是和球形壳体的轴线重合的，这样可以方便并保障四块电极板的准确安装。

还需要说明的是，本申请的丝线定位仪，与现有的丝线定位仪最大的区别在于，本申请的丝线定位仪使用时，是在金属丝线上加载射频信号，当加载射频信号的金属丝线靠近电极板时，电极板上会产生镜像电荷，电荷量与金属丝和电极之间的距离有关，利用相对放置的两个电极板，则可以综合处理两个电极板的信号，得到金属丝线与两个电极板对称中心线的距离。本申请利用四块电极板，则可以得到金属丝线相对于电极板对称中心线的二维坐标，实现相对定位。再结合球形壳体本身的绝对定位，则可以实现金属丝线的绝对定位。这里需要解释的是，球形壳体的绝对定位可以采用常规的空间坐标测量设备，这将在后续的方案中说明；球形壳体绝对定位实际上是对球形壳体的轴线进行绝对定位，而在本申请的丝线定位仪设计中，电极板对称中心线与球形壳体的轴线是重合的，因此，金属丝线相对于电极板对称中心线的相对定位加上球形壳体轴线的绝对定位，就可以实现金属丝线的绝对定位。不过，在安装电极板时，很难确保四块电极板的对称中心线与球形壳体的轴线重合，因此，本申请提出了基于本申请的丝线定位仪的，误差标定方法，这也将在后续的方案中详细说明。

优选的，球形壳体11的外表面开设有十二个V型槽，每个V型槽的两个基准面相互垂直；四块电极板121、122、123、124中，每块电极板的两端各开设有一个V型槽，共计八个V型槽，这八个V型槽中，V型槽的延伸方向与相应电极板的长度方向垂直，V型槽的其中一个基准面与相应电极板平行，四块电极板121、122、123、124同一端的V型槽沿球形壳体11的轴线对称设置，两端的V型槽镜像对称设置；另外四个V型槽的延伸方向与球形壳体11的轴线平行，四个V型槽沿球形壳体11的轴线对称而均匀的设置于球形壳体11的最外缘，并且，V型槽设置于两块相邻的电极板之间，V型槽的两个基准面分别与两块相邻的电极板平行。

其中，球形壳体11的最外缘是相对于球形壳体11的轴线而言的最外缘。

需要说明的是，调整基准的作用，一方面，是为了方便电极板安装，以保障电极板安装的准确性；另一方面，通过调整基准可以调节球形壳体的位置。可以理解，本申请的丝线定位仪中，球形壳体是沿着轴线转动的，但是，在其它方位上是固定的；在丝线测量时，有时需要对丝线定位仪的姿态，即轴线转动以外的其它方向，进行微调，以使丝线与电极板平行，因此需要调整基准改变球形壳体的姿态。需要说明的是，调整基准是调节整个球形壳体和电极板的姿态，使丝线与电极板平行的；电极板与球形壳体本身是固定安装的，四块电极板在调试安装好后，位置是固定不变的。

还需要说明的是，十二个V型槽中，电极板两端的V型槽除了可以作为安装基准，方便电极板安装以外，还可以作为偏航角调整基准，而四个与球形壳体11的轴线平行的V型槽，则作为水平调整基准，调整滚动角和俯仰角。此外，本申请的球形壳体本身精度很高，可直接测量球体空间位置，作为空间安装基准。

优选的，球形壳体11上，在丝线通道14的两个开口处，分别设计有高精度摄影测量反射镜片151、152、153、154。

需要说明的是，高精度摄影测量反射区域的作用是为了配合非接触式摄影测量方法对球形壳体进行绝对定位而设计的，可以理解，如果球形壳体的定位采用其它方式，例如三坐标测量机、跟踪仪等，则可以不用高精度摄影测量反射区域。

本申请的另一面公开了一种丝线绝对定位系统，包括三坐标测量机和本申请的丝线定位仪；丝线定位仪1固定安装在三坐标测量机的六自由度平台21上，在三坐标测量机的载物台22上，位于丝线定位仪1两侧分别竖立安装有丝线支撑机构23、24；使用时，丝线3经由丝线支撑机构23、24穿过丝线定位仪1。

需要说明的是，如前面提到的，本申请的丝线定位仪可以对丝线进行相对定位，再结合丝线定位仪本身空间坐标的绝对定位，即可以实现丝线的绝对定位；而本申请的一种实现方式中，丝线绝对定位系统采用的就是三坐标测量机对丝线定位仪进行空间定位。可以理解，除了三坐标测量机，还可以采用其它的空间坐标测量设备，在此不做具体限定。

本申请的再一面还公开了一种丝线绝对定位方法，包括采用本申请的丝线定位仪，按照以下方法对金属丝线进行定位测量：

调整丝线定位仪的位置，使金属丝线穿过丝线定位仪时，与电极板平行；

在金属丝线上加载射频信号，测量四块电极板121、122、123、124上的电流，以球形壳体11的轴线为中心，定义左右两块电极板方向为X轴，上下两块电极板方向为Y轴，根据公式一和公式二，获得金属丝线相对于球形壳体11轴线的位置；

公式一：

公式二：

其中，D_X为丝线水平方向偏离中心的归一化距离、D_Y为竖直方向偏离中心的归一化距离，I_b和I_d分别为X轴向上两块电极板测量的电流，I_a和I_c分别为Y轴向上两块电极板测量的电流，x为金属丝线横向上偏离球形壳体11的轴线的距离、y为金属丝线竖向上偏离球形壳体11的轴线的距离、b为电极板与球形壳体11的轴线的距离、Φ为电极板相对于球形壳体11的轴线的张角；

采用空间坐标测量设备测量球形壳体11的绝对位置，根据球形壳体11的绝对位置，和金属丝线相对于球形壳体11轴线的位置，计算金属丝线的绝对位置，实现金属丝线的绝对定位。

优选的，空间坐标测量设备为三坐标测量机、跟踪仪或高精度摄影测量定位仪。

本申请的再一面还公开了一种丝线定位仪的误差标定方法，采用本申请的丝线定位仪，按照以下方法对丝线定位仪进行误差标定：

1)调整定位仪姿态，使电极与金属丝线平行，上下电极与载物台平行，定位仪读数x1、y1；

2)金属丝位置不变，将定位仪旋转180度，定位仪读数x2、y2；

x1＝r_x+Δx，y1＝r_y+Δy，在旋转180度后，x2＝r_x-Δx，y2＝r_y-Δy；两次读数相减可得到Δx＝(x1-x2)/2，Δy＝(y1-y2)/2；

其中，r_x为丝线与球形壳体轴线水平方向的距离，r_y为丝线与球形壳体轴线竖直方向的距离，x1、y1和x2、y2是丝线定位仪两次测量的丝线相对于电极板对称中心线的二维坐标，Δx为电极板对称中心线与球形壳体轴线的横向偏差，Δy为电极板对称中心线与球形壳体轴线的竖向偏差。

需要说明的是，调整定位仪姿态，在本申请的一种实现方式中，主要是通过调整基准V型槽进行的；而球形壳体或定位仪本身的三维坐标则是通过其它设备，例如千分表、水平仪或者空间坐标测量设备测量基准位置，得到与所需位置的差别，然后由六自由度平台按照测出的差别进行相应的自动调整。此外，电极与金属丝线平行，主要是保障丝线的平行度即可，丝线的水平平行通过丝线两端的支撑机构进行调整，电极板的平行是在装配的时候直接保障其平行度的。在本申请的误差标定方法中，丝线不用直接放在电极的对称面，可以利用电流信号判断丝线的位置，将它移动到电极对称中心上去。因为存在装配误差，电极对称中心可能和球心不重合，误差标定方法就是为了测出这个偏差。

本申请的有益效果在于：

本申请的丝线定位仪，将四块电极板安装在高精度的球形壳体内，利用四块电极板对加载射频信号的金属丝线进行相对定位，然后再对球形壳体进行空间坐标测量，确定球形壳体的绝对位置，进而实现丝线绝对定位。本申请的丝线定位仪为丝线定位提供了一种新的测量准确的绝对定位设备，并且，使用简单方便，易操作。

附图说明

图1是本申请实施例中丝线定位仪的结构示意图；

图2是本申请实施例中丝线定位仪球形壳体的侧面结构示意图；

图3是本申请实施例中丝线定位仪球形壳体沿丝线通道剖视的结构示意图；

图4是本申请实施例中丝线绝对定位系统的结构示意图；

图5是本申请实施例中丝线定位仪进行丝线位置测量的原理分析图；

图6是本申请实施例中丝线定位仪进行丝线位置测量时的误差标定分析图。

具体实施方式

本申请的丝线定位仪，将四块电极板安装在丝线通道上，两两平行镜像对称设置在球形壳体轴线的上下左右，四块电极板围成的区域，实际上就是丝线定位的测量区域；四块电极板的轴心线与球形壳体轴线重合，是为了方便绝对定位；四块电极板可以测量出丝线相对于四块电极板轴心线的位置，实现相对定位，而要进行绝对定位，则需要测量球形壳体的空间坐标，即得到球形壳体轴线的定位，在球形壳体轴线于四块电极板轴心线重合的情况下，球形壳体轴线的空间定位也就是四块电极板轴心线的绝对空间位置，再加上丝线相对于四块电极板轴心线的位置，即得到丝线的绝对空间位置，实现丝线绝对定位。

本申请的丝线定位仪，在使用时，给丝线加载射频信号，当丝线靠近电极板时，电极板上会产生镜像电荷，电荷量与金属丝和电极之间的距离有关，但不具有方向性且是非线性的；若利用相对放置的两个电极板，则可以综合处理两个电极板的信号，得到丝线与两个电极板对称中心线的距离，且有较大的线性区域。因此，本申请的丝线定位仪中，左右对称的电极板，可以定位出丝线在X轴向上的位置；而上下对称的电极板，则可以定位出丝线在Y轴向上的位置；四块电极板即可定位出丝线相对于电极板对称中心线的距离。需要注意的是，在丝线定位测量时，需要先调整丝线定位仪的姿态或位置，使丝线与电极板平行，即保障丝线在丝线通道的纵深上是一致的，才可以用于二维坐标标定丝线相对于电极板对称中心线的距离。

下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。

实施例

本例的丝线定位仪，如图1至图3所示，包括球形壳体11、电极板组和基座13，球形壳体11的轴线上开设丝线通道，以便丝线穿过；电极板组由四块独立且大小相等的长条形电极板121、122、123、124组成，四块电极板121、122、123、124沿丝线通道方向安装在丝线通道内，四块电极板两两平行且镜像对称的布置于球形壳体11轴线的上下左右，上下两块电极板的对称面与左右两块电极板的对称面垂直，并且两个对称面的交线与球形壳体11轴线重合，使用时，丝线穿过四块电极板笼罩的区域；球形壳体11活动安装于基座13上，球形壳体11在基座13上可以沿开设丝线通道的轴线转动。本例的球形壳体11和基座13都是高精度加工，球形壳体11在基座13上转动时，轴线的空间位置是保持不变的。此外，为了调整球形壳体的姿态，同时也为了电极板准确安装，本例的球形壳体11上设计了调整基准，通过调整基准，可以改变球形壳体的姿态，使丝线与电极板保持平行。而为了方便采用摄影测量方法对球形壳体进行空间定位，本例在球形壳体11上，在丝线通道14的两个开口处，分别设计有高精度摄影测量反光标识151、152、153、154，如图2所示，图2只是示出了其中一个开口处的四个反光标识，另外一个开口处相对应的位置处也设置有反射镜片。

本例的丝线定位仪，使用时，金属丝线平行于电极板的穿过丝线通道，并在金属丝线上加载射频信号；丝线定位仪的定位原理是，加载射频信号的金属丝线会在电极板上产生镜像电荷，镜像电荷的量与金属丝线与电极板的距离相关，因此，如图5所示，定义四块电极板的对称中心线为起点，上下电极板为Y轴，左右电极板为X轴，通过检测四块电极板上的电流，就可以获知金属丝线相对于电极板对称中心线的位置。

计算公式如下：

公式一：

公式二：

其中，D_X为丝线水平方向偏离中心的归一化距离、D_Y为竖直方向偏离中心的归一化距离，I_b和I_d分别为X轴向上两块电极板测量的电流，I_a和I_c分别为Y轴向上两块电极板测量的电流，x为金属丝线横向上偏离球形壳体11的轴线的距离、y为金属丝线竖向上偏离球形壳体11的轴线的距离、b为电极板与球形壳体11的轴线的距离、Φ为电极板相对于球形壳体11的轴线的张角。本例具体采用Bergoz公司的MX-BPM板卡处理感应电流信号，并采用北京中泰研创的USB7648b模数转换卡进行采集。

本例为了使用方便，丝线定位仪的读出设备直接跟电流检测设备连接，并且将以上公式一和公式二编写到软件程序中，因此，丝线定位仪可以直接给出金属丝线的x，y坐标信息，该坐标是金属丝线相对于电极板对称中心线的位置坐标。

基于本例的丝线定位仪，本例进一步提供了一个丝线绝对定位系统，实际上，就是利用空间坐标测量设备对球形壳体11的空间坐标进行绝对定位，本例具体采用的是三坐标测量机。如图4所示，本例的丝线绝对定位系统，包括三坐标测量机和本例的丝线定位仪；丝线定位仪1固定安装在三坐标测量机的六自由度平台21上，在三坐标测量机的载物台22上，位于丝线定位仪1两侧分别竖立安装有丝线支撑机构23、24；使用时，丝线3经由丝线支撑机构23、24穿过丝线定位仪1。本例具体采用的是海克斯康Global三坐标测量机；三坐标测量机的其它组成部件与一般的三坐标测量机相同，在此不累述。

使用时，通过本例的丝线定位仪定位出金属丝线的相对于电极板对称中心线的位置，然后再通过三坐标测量机测量出球形壳体轴线的空间坐标，根据丝线定位仪的设计，理论上电极板对称中心线与球形壳体轴线是重合的，因此，三坐标测量机测量的球形壳体轴线的空间坐标，理论上就是电极板对称中心线的空间坐标，该坐标加上金属丝线的相对于电极板对称中心线的位置坐标，即可得到金属丝线的绝对空间坐标，实现金属丝线的绝对定位。

但是，考虑到安装误差，电极板对称中心线与球形壳体轴线并是完全重合的，因此，本例提供了一种丝线绝对定位的误差标定方法。标定平台采用的是，本例的基于三坐标测量机的丝线绝对定位系统。

1)首先调整丝线定位仪的姿态，使电极板与金属丝线平行，旋转球形壳体，使上下电极板与载物台平行，左右电极板与载物台垂直，并调整六自由度平台，使金属丝线在上下电极板的对称面上，丝线定位仪读数x1，此时纵向y＝0，三坐标测量机测量定位仪的空间位置S1；

2)金属丝线位置不变，将丝线定位仪的球形壳体旋转180度，丝线定位仪读数x2，三坐标测量机测量定位仪的空间位置S2。

定义r为丝线与球形壳体轴线的距离，而x1和x2是丝线定位仪两次测量的丝线与电极板对称中心线的距离，Δx为电极板对称中心线与球形壳体轴线的横向偏差，如图6所示，则x1＝r+Δx，x2＝r-Δx，两次读数相减可得到Δx＝(x1-x2)/2。即计算出电极板对称中心线与球形壳体轴线的横向偏差。图6左右两个图分别为x1的测量示意图和球形壳体旋转180度后x2的测量示意图。

可以平行移动金属丝线，获得不同的x1测量值，以及对应的球形壳体旋转180度后测量的x2测量值，多次测量，得到更为准确的Δx值。

纵向偏差的测量方法类似：

1)首先调整丝线定位仪的姿态，使电极板与金属丝线平行，旋转球形壳体，使上下电极板与载物台平行，左右电极板与载物台垂直，并调整六自由度平台，使金属丝线在左右电极板的对称面上，丝线定位仪读数y1，此时横向x＝0，三坐标测量机测量定位仪的空间位置；

2)金属丝线位置不变，将丝线定位仪的球形壳体旋转180度，丝线定位仪读数y2，三坐标测量机测量定位仪的空间位置。

定义r为丝线与球形壳体轴线的距离，而y1和y2是丝线定位仪两次测量的丝线与电极板对称中心线的距离，Δy为电极板对称中心线与球形壳体轴线的横向偏差，则y1＝r+Δy，y2＝r-Δy，两次读数相减可得到Δy＝(y1-y2)/2。即计算出电极板对称中心线与球形壳体轴线的纵向偏差。

同样可以多次测量y1以及对应的球形壳体旋转180度后测量的y2，得到更为准确的Δy值。

或者，丝线不用调节到电极板的对称面上，通过测量第一次的x1、y1，和旋转180度后的x2、y2，同样通过前述方法两次的x或y相减，计算Δx值和Δy值。

具体的，本例的丝线定位仪，其Δx＝7.4微米，Δy＝6.6微米。

本例的丝线定位仪，能够对金属丝线进行相对定位，也能进行绝对定位。其中，相对定位的测量精度为5微米，准确度为5微米。绝对定位的测量精度和准确度取决于丝线定位仪的精准度以及所采用的空间坐标测量设备，本例具体采用三坐标测量机对丝线进行绝对定位，测量精度为6微米，准确度为6微米。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。