基于公共光学基准的大尺寸空间角度测量误差研究

　　0　引言

　　目前,对于大尺寸空间位姿的测量,主要是采用以参考坐标系为测量基准的空间坐标测量技术,通过标定及误差处理来实现高精度测量[1-4]。如对于大型三坐标测量,通过激光干涉法或多台跟踪仪法来进行误差的评定、分离和补偿;对于多传感器视觉测量,通过严格的现场标定将各传感器坐标系统一起来,并在摄像机标定及图像畸变校正基础上进行精密测量。

　　在大尺寸空间位姿测量及大型设备装配中,也经常采用实物基准。如在卫星总装中,为保证精度,设计加工一个与卫星接口相匹配的大型精密转台作为实物基准;又如在装配大型轴类工件时,通过加工一个长达几米乃至十几米的铸铁基准体作为实物基准。在此类测量中,对于因大型基准体材料和结构变形而对测量精度的影响应尽量予以避免或采取相应的补偿措施。

　　上述各测量方法和测量仪器通常或多或少存在以下不足:测量复杂、造价昂贵、缺乏便携性和可移动性、需要现场严格标定等。为此,本文提出基于公共光学基准的大尺寸空间的角度测量方法,并开展相应的误差研究。

　　1　测量原理

　　以一个工程问题为例,基于公共光学基准的大尺寸空间的角度测量原理如下:如图1所示,在一个大型轴类工件上,为了测量相距7m的小轴1的轴线与小轴2的轴线在垂直于主轴的平面C上的投影A、B之间的夹角γ,以激光器发出的一束垂直于平面C的线结构激光平面作为公共光学基准,采用两个光轴均垂直于平面C的CCD摄像机,分别对两个小轴以及由激光投射在小轴上而形成的激光光条进行拍摄,通过图像处理[5],分别在CCD1、CCD2的图像上得到小轴 1轴线与光条Ⅰ之间的夹角α、小轴2轴线与光条Ⅱ之间的夹角β。由于在两个CCD图像中的激光光条是由同一个线结构激光平面得到的,彼此平行,故得到夹角 γ=180°-α-β。

　　2　基于精度考虑的测量系统设计

　　2.1　提高公共光学基准的准确性与可靠性

　　实际测量中,由于被测对象的形状位姿各异,使得物空间中激光光条的形状和相对位置同样各异。为了在各种测量对象条件下,保证两个CCD图像中的激光光条始终平行,采用以下设计方法:按照针孔透视成像模型(图2),当任意一个与CCD1(CCD2)的光轴zC1(zC2)平行的平面S通过该CCD 的镜头中心C01(C02)点时,平面S与物空间任意形状位姿的被测对象的交线M1N1(M2N2)在图像平面I1(I2)上的投影m1n1(m2n2) 都在平面S与各自图像平面的交线p1q1(p2q2)上。

　　如图2所示,在测量时,使充当公共光学基准的线结构激光平面S同时通过两个CCD的镜头中心C01、C02。这样,无论被测对象如何,两个 CCD像面中的激光光条m1n1、m2n2都始终在各自CCD像面与激光平面S的交线p1q1、p2q2上。按照上述测量原理,两个CCD的像面平行,因此上述交线平行,故两个CCD图像平面中的激光光条m1n1、m2n2始终是平行的,可以准确可靠地发挥公共基准的作用。