專(zhuān)利名稱(chēng)：六自由度測(cè)量功能的激光掃描跟蹤儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種六自由度測(cè)量功能的激光掃描跟蹤儀。屬于激光掃描跟蹤儀的創(chuàng)新技術(shù)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的三維激光掃描跟蹤儀是一種高精度(動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)為±20ppm)、高分辨力(距離測(cè)量精度為0.1μm，角度測(cè)量精度為0.25arc-sec.)、大范圍(25m)、智能化動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x器，其工作原理如圖1所示。由HP雙頻激光干涉儀1發(fā)出的測(cè)量光束經(jīng)分光鏡3入射到二維旋轉(zhuǎn)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棱鏡5的中心位置后被反射回到分光鏡3，返回的光束照射到二維位置靈敏檢測(cè)器件(PSD)2上。當(dāng)發(fā)射光束的中心位于角隅棱鏡的中心位置時(shí)，返回光束的中心必位于PSD坐標(biāo)的中心位置，此時(shí)，跟蹤儀的機(jī)械系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)棱鏡移動(dòng)時(shí)，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(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后驅(qū)動(dòng)平面鏡4水平與垂直旋轉(zhuǎn)，直到發(fā)出的光束再次跟蹤入射到棱鏡的中心，同時(shí)返回的光束也重新回到PSD的中心。平面鏡4的旋轉(zhuǎn)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其水平與垂直旋轉(zhuǎn)的角度值由位于平面鏡4水平與垂直軸線上的角度光柵給出并由計(jì)算機(jī)記錄，從而完成掃描跟蹤測(cè)量。
顯然，該三維激光掃描跟蹤儀適合于坐標(biāo)軌跡的跟蹤測(cè)量，也適合于曲面輪廓的描繪。因此在大尺寸、高精度的空間坐標(biāo)測(cè)量項(xiàng)目中有著廣泛的應(yīng)用。但是，直接應(yīng)用上述三維測(cè)量裝置不能實(shí)現(xiàn)被跟蹤物體坐標(biāo)方位的測(cè)定(如孔中心軸線方位角的測(cè)量，多孔之間中心距的測(cè)量等)，也不能實(shí)現(xiàn)空間點(diǎn)之間的距離測(cè)量(如瞄準(zhǔn)與測(cè)量?jī)蓚€(gè)空間十字線交點(diǎn)的距離等)。原因是該角隅棱鏡的作用只是將入射光線沿原方向返回，而當(dāng)該角隅棱鏡圍繞入射光線有方位角轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其反射光線的方向不變，因此無(wú)法測(cè)量出圍繞入射光線的方位角變化，即不能實(shí)現(xiàn)三維方位角的測(cè)量。又由于該角隅棱鏡自身不具備子坐標(biāo)系功能，因此無(wú)法攜帶點(diǎn)位瞄準(zhǔn)測(cè)頭，所以不能實(shí)現(xiàn)空間點(diǎn)之間的距離測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種六自由度測(cè)量功能的激光掃描跟蹤儀。該激光掃描跟蹤儀不僅能完成坐標(biāo)軌跡的跟蹤及曲面輪廓的描繪；而且還具備測(cè)量或瞄準(zhǔn)所跟蹤物體坐標(biāo)方位及空間點(diǎn)距的多項(xiàng)功能，并使該儀器成為六自由度、大測(cè)量范圍、高精度、高分辨力的基準(zhǔn)溯源裝置。
本項(xiàng)發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的。包括由雙頻激光干涉儀、二維位置靈敏檢測(cè)器件、分光鏡、二維旋轉(zhuǎn)平面鏡及坐標(biāo)方位測(cè)量靶構(gòu)成六自由度測(cè)量功能的激光掃描跟蹤儀。其特征在于，它的坐標(biāo)方位測(cè)量靶是由主軸9、位于主軸上端攜帶角隅棱鏡5的軸向平面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、位于主軸中部攜帶光電測(cè)頭或空心正四面體測(cè)頭的繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及主軸下端由測(cè)桿與觸球構(gòu)成的定位機(jī)構(gòu)所組成。
上述攜帶角隅棱鏡的軸向平面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)臂6組成，在轉(zhuǎn)動(dòng)臂外端裝置角隅棱鏡5。定位靠板上分別于0°、90°、180°的軸線位置處設(shè)有由彈性鋼球與錐窩副構(gòu)成的鎖定轉(zhuǎn)動(dòng)臂的定位點(diǎn)。
上述攜帶光電測(cè)頭或空心正四面體測(cè)頭的繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)塊8及轉(zhuǎn)動(dòng)塊上垂直于主軸設(shè)置能自轉(zhuǎn)動(dòng)的側(cè)向臂12組成。轉(zhuǎn)動(dòng)塊8通過(guò)其上的彈性鋼球與主軸上的錐窩副構(gòu)成在主軸上0°、90°、180°與270°的四個(gè)鎖定點(diǎn)。側(cè)向臂12通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)塊8上的彈性鋼球與其自身的錐窩副構(gòu)成的定位機(jī)構(gòu)可使所攜帶的光電測(cè)頭的測(cè)量軸線鎖定在平行于主軸軸線或垂直于主軸軸線的兩個(gè)位置方向上。
本發(fā)明不僅適用于坐標(biāo)軌跡的跟蹤及曲面輪廓的描繪；而且還能實(shí)現(xiàn)測(cè)量或瞄準(zhǔn)所跟蹤物體坐標(biāo)方位及空間點(diǎn)距的多項(xiàng)功能，從而確立了該儀器成為六自由度、大測(cè)量范圍、高精度、高分辨力的基準(zhǔn)溯源裝置。


圖1為三維激光掃描跟蹤儀的工作原理示意圖。
圖2為本發(fā)明的坐標(biāo)方位測(cè)量靶的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1-雙頻激光干涉儀 2-二維位置靈敏檢測(cè)器件(PSD) 3-分光鏡 4-平面反射鏡5-角隅棱鏡 6-轉(zhuǎn)動(dòng)臂 7-定位靠板 8-轉(zhuǎn)動(dòng)塊 9-主軸 10-測(cè)桿 11-觸球12-側(cè)向臂 13-光電定位測(cè)頭 14-短軸 15-角隅棱鏡磁性靶座 16-空心正面體。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施測(cè)量的過(guò)程加以說(shuō)明。
在攜帶角隅棱鏡的軸向平面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，轉(zhuǎn)動(dòng)臂6的中心線可由彈性鋼球與錐窩副準(zhǔn)確定位在定位靠板7的三個(gè)位置處(OA、OB、OC)，因此，角隅鏡光靶的中心在三個(gè)位置上的坐標(biāo)值(圖中A、B、C三點(diǎn))可在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上測(cè)量確定。設(shè)以軸向平面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，以A(xa’ya’za’)、B(xb’yb’zb’)、C(xc′yc’zc’)三點(diǎn)坐標(biāo)值為參考點(diǎn)構(gòu)成“三自由度坐標(biāo)方位測(cè)量靶”的坐標(biāo)系統(tǒng)。該坐標(biāo)方位測(cè)量靶與三維激光掃描跟蹤儀聯(lián)機(jī)應(yīng)用時(shí)，其坐標(biāo)系為掃描跟蹤儀的子坐標(biāo)系，以X’Y’Z’表示。
在攜帶光電測(cè)頭或空心正四面體測(cè)頭的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，側(cè)向臂12可安裝光電定位測(cè)頭13，用于定位被測(cè)點(diǎn)；也可安裝空心正四面體16，采用六自由度參數(shù)綜合調(diào)整法來(lái)定位二維視覺(jué)傳感器等。
在測(cè)量時(shí)，隨著角隅棱鏡光靶繞其坐標(biāo)原點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)一周，計(jì)算機(jī)將采集光靶位于0°、90°和180°三個(gè)位置處的坐標(biāo)值。根據(jù)這三點(diǎn)的坐標(biāo)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(shù)。并由該平面方程求得其通過(guò)O點(diǎn)的法線方程。因此，通過(guò)矩陣2的運(yùn)算便可將靶標(biāo)系統(tǒng)X’Y’Z’的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到三維激光掃描跟蹤儀的主坐標(biāo)系統(tǒng)之中。 式中R9為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)系數(shù)，t為坐標(biāo)平移系數(shù)。
例如，在汽車(chē)自身整體誤差測(cè)量項(xiàng)目中，該“三自由度坐標(biāo)方位測(cè)量靶”上的空心正四面體的棱邊被用來(lái)虛擬(代表)車(chē)身上某標(biāo)準(zhǔn)棱邊，并被安排到圖紙規(guī)定的空間坐標(biāo)與方位處，以便用它來(lái)定位二維視覺(jué)傳感器在主坐標(biāo)系中的位置。顯然，該定位過(guò)程的實(shí)質(zhì)是對(duì)所跟蹤物體坐標(biāo)方位的瞄準(zhǔn)。由于靶標(biāo)系統(tǒng)X’Y’Z’已建立在三維激光掃描跟蹤儀的主坐標(biāo)系統(tǒng)之中，因此位于X’Y’Z’坐標(biāo)系中的空心正四面體的棱邊位置便也已得知。
再如，利用測(cè)桿與觸球測(cè)量時(shí)，不但觸球的位置可知，而且測(cè)桿軸線在主坐標(biāo)系中的方位也已知。因此，既可測(cè)量空間的點(diǎn)距，也可測(cè)量孔中心線的坐標(biāo)方位。
因此，該“三自由度坐標(biāo)方位測(cè)量靶”可裝卡各種用途的傳感器，進(jìn)一步擴(kuò)大了三維激光掃描跟蹤儀的功能；僅通過(guò)簡(jiǎn)單的矩陣計(jì)算便可實(shí)現(xiàn)了空間六自由度的測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種六自由度測(cè)量功能的激光掃描跟蹤儀，該掃描跟蹤儀式包括由雙頻激光干涉儀、二維位置靈敏檢測(cè)器件、分光鏡、二維旋轉(zhuǎn)平面鏡及坐標(biāo)方位測(cè)量靶構(gòu)成，其特征在于它的坐標(biāo)方位測(cè)量靶是由主軸、位于主軸上端攜帶角隅棱鏡的軸向平面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、位于主軸中部攜帶光電測(cè)頭或空心正四面體測(cè)頭的繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及主軸下端由測(cè)桿與觸球構(gòu)成的定位機(jī)構(gòu)所組成。
2.按權(quán)利要求1所述的六自由度測(cè)量功能的激光掃描跟蹤儀，其特征在于攜帶角隅棱鏡的軸向平面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)臂組成，在轉(zhuǎn)動(dòng)臂外端裝置角隅棱鏡，定位靠板上分別于0°、90°、180°的軸線位置處設(shè)有由彈性鋼球與錐窩副構(gòu)成的鎖定轉(zhuǎn)動(dòng)臂的定位點(diǎn)。
3.按權(quán)利要求1所述的六自由度測(cè)量功能的激光掃描跟蹤儀，其特征在于攜帶光電測(cè)頭或空心正四面體測(cè)頭的繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)塊及轉(zhuǎn)動(dòng)塊上垂直于主軸設(shè)置能自轉(zhuǎn)動(dòng)的側(cè)向臂組成，轉(zhuǎn)動(dòng)塊通過(guò)其上的彈性鋼球與主軸上的錐窩副構(gòu)成在主軸上0°、90°、180°與270°的四個(gè)鎖定點(diǎn)；側(cè)向臂通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)塊上的彈性鋼球與其自身的錐窩副構(gòu)成的定位機(jī)構(gòu)可使所攜帶的光電測(cè)頭的測(cè)量軸線鎖定在平行于主軸軸線或垂直于主軸軸線的兩個(gè)位置方向上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種六自由度測(cè)量功能的激光掃描跟蹤儀。該掃描跟蹤儀包括由雙頻激光干涉儀、二維位置靈敏檢測(cè)器件、分光鏡、二維旋轉(zhuǎn)平面鏡及坐標(biāo)方位測(cè)量靶構(gòu)成。其特征在于:它的坐標(biāo)方位測(cè)量靶是由主軸,位于主軸上端攜帶角隅棱鏡的軸向平面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、位于主軸中部攜帶光電測(cè)頭或空心正四面體測(cè)頭的繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及主軸下端由測(cè)桿與觸球構(gòu)成的定位機(jī)構(gòu)所組成。在轉(zhuǎn)動(dòng)臂外端裝置角隅棱鏡,它的轉(zhuǎn)動(dòng)由定位靠板上分別于0°、90°、180°的軸線位置處,設(shè)有由彈性鋼球與錐窩副構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)定位點(diǎn)。繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)動(dòng)塊及轉(zhuǎn)動(dòng)側(cè)向臂構(gòu)成。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)六自由度測(cè)量功能,測(cè)量范圍大、精度高、分辨力高。
文檔編號(hào)G06K7/10GK1362692SQ0210088
公開(kāi)日2002年8月7日 申請(qǐng)日期2002年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月7日
發(fā)明者王寶光 申請(qǐng)人:天津大學(xué)