CN110514132B - 大尺寸桁架式支撑结构稳定性测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
大尺寸桁架式支撑结构稳定性测试装置及测试方法，涉及一种大尺寸桁架式支撑结构测试技术领域，解决现有桁架式结构稳定性测试精度低，通用性差等问题，包括两组测距单元，跟踪仪，四个经纬仪，四个高精度测角设备以及数据处理与分析系统；本发明可通过调整测试单元与高精度测角设备的位置或适当增加测试设备数量来配合实现。由于现有激光测距设备在短距离范围内可实现1μm的测量精度，测角设备具备0.1″的测角精度，在局部坐标下的测量精度较高，在建立坐标系之间的转换关系后，在空间上完成全部特征点统一到标准坐标系下，在5m测量范围内，本发明方法最终的位置变化测量精度达到10μm，角度变化测量精度达到3″。本方法满足通用性强以及高精度的使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种大尺寸桁架式支撑结构测试技术领域，具体涉及一种大尺寸桁架式支撑结构稳定性测试装置及测试方法。
背景技术
目前国内大型光学载荷的口径已经发展到2-4m量级，整体结构包络尺寸达到5m量级，大尺寸桁架式支撑结构是大型光学载荷结构设计常采用的形式，桁架式结构具有简洁可靠、组装灵活、可设计性强、高支撑刚度、动态特性良好、对温度不敏感且体积小、质量轻等特点，有利于减小载荷结构设计时的体积与重量，同时桁架式支撑结构相比于其他支撑结构形式的稳定性较高，更有利于降低结构变形给载荷光学性能指标带来的影响，为了进一步确保载荷在发射过程中能够承受多种振动、冲击及噪声等外界载荷和环境条件的考验，载荷在地面研制阶段有必要对桁架式结构的稳定性进行测试，即对桁架式结构上多个特征区域及特征点之间的相对位置关系进行测试，来验证桁架结构设计的可靠性。目前常用的桁架稳定性测试方法主要包括两种，其一是利用激光跟踪仪设备，将测试用靶球放置于各个待测位置上，完成特征区域间相对位置与姿态的变化情况测试，这种方法受激光跟踪仪设备自身的测量精度限制，对于5m以上的大尺寸结构件，方法的测试精度约为50μm，此方法较适用于小尺寸支撑结构的稳定性测试；其二是在待测特征区域位置加装棱镜，利用经纬仪交汇测量棱镜角度变化情况，此种方法主要是对角度变化情况进行测试，难以给出位置相对变化的最终结果，常用方法目前均不满足大型桁架式结构稳定性测试的高精度要求，因此研究测试精度高、通用性强的桁架式结构稳定性测试方法。
中国专利公报公开了“一种平面桁架结构稳定性力学实验装置”(CN201110343859.9)。该装置包括带滑槽台架，滑槽台架的左右两端设置两个支柱，两个支柱的顶端连接有由七根弹簧钢矩形截面杆构成的平面桁架，每个截面杆各粘贴一枚应变花，平面桁架四杆交汇处设置有第一吊卡，第一吊卡通过柔索连接第二吊卡，第二吊卡铰接在加载机构杠杆上，杠杆铰支于支柱，在杠杆左边有游砣，支柱左端悬挂砝码吊盘，右端栓接初始平衡调节砣，能实时连续测定结构的临界载荷。此装置主要针对平面桁架结构的稳定性测定，并不是针对5m量级的大型桁架式支撑结构的变形量测量，通用性不足。
发明内容
本发明为解决现有桁架式结构稳定性测试精度低，通用性差等问题，提供一种大尺寸桁架式支撑结构稳定性测试方法。
大尺寸桁架式支撑结构稳定性测试装置，包括两组测距单元，跟踪仪，四个经纬仪，四个高精度测角设备以及数据处理与分析系统；
在待测桁架的特征区域位置处安装第一基准块和第二基准块，第一组测距单元和第二组测距单元分别对准第一基准块和第二基准块的三个正交面，所述第一组测距单元安装第一基准棱镜，第二组测距单元安装第二基准棱镜；所述第一基准棱镜光轴指向代表第一测距单元的局部坐标系O1指向，第二基准棱镜光轴指向代表第二测距单元的局部坐标系O2指向；
所述跟踪仪用于对两局部坐标系间三维位置关系的测量，所述四个经纬仪用于对两局部坐标系间三维角度关系的测量；获得两个局部坐标系间的转换矩阵；
所述第一组测距单元和第二组测距单元分别对第一基准块和第二基准块进行局部坐标系下的三维位置测量，同时第一高精度测角设备和第二高精度测角设备对第一基准块在所述局部坐标系O1内的三维角度的测量，第三高精度测角设备和第四高精度测角设备对第二基准块在所述局部坐标系O2内的三维角度测量；获得桁架结构受载荷作用前后的局部坐标系内的数据后，利用所述两个局部坐标系间的转换矩阵，通过数据处理与分析系统，最终完成桁架式支撑结构上特征区域位置之间的相对关系变化量的测量。
大尺寸桁架式支撑结构稳定性测试方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、在待测桁架结构的特征区域位置处安装代表该特征区域变形特征的第一基准块和第二基准块；
第一组测距单元和第二组测距单元分别对准第一基准块和第二基准块的三个正交面，将第一基准棱镜和第二基准棱镜的三个光轴指向调整与第一组测距单元和第二测距单元测试光束的方向一致；
步骤二、采用激光跟踪仪完成两组测距单元所建立的两个局部坐标系之间的三维位置关系，采用四个经纬仪测试两个局部坐标系之间的三维角度，获得两个局部坐标系的转换关系矩阵；
步骤三、采用第一测距单元测量第一基准块在局部坐标系O1下的三维位置，采用第一高精度测角设备和第二高精度测角设备测量第一基准块在局部坐标系O1下相对第一基准棱镜在对应方向的三维角度；
采用第二测距单元测量第二基准块在局部坐标系O2下的三维位置，利用第三高精度测角设备和第四高精度测角设备测量第二基准块在局部坐标系O2下相对第二基准棱镜在对应方向的三维角度；
步骤四、将步骤三获得的第一基准块和第二基准块在各自局部坐标系下的角度及位置数据作为一组测试数据，根据步骤二获得的两个局部坐标系之间的转换关系矩阵，采用数据处理与分析系统将局部坐标系O2下的数据转换到局部坐标系O1内，以局部坐标系O1作为基准坐标系；
步骤五、对待测桁架结构施加温度载荷或力学载荷，在载荷作用稳定后，再次采用第一测距单元测量第一基准块在局部坐标系O1下的三维位置，采用第一高精度测角设备和第二高精度测角设备测量第一基准块在局部坐标系O1下相对第一基准棱镜在对应方向的三维角度；
采用第二测距单元测量第二基准块在局部坐标系O2下的三维位置，采用第三高精度测角设备和第四高精度测角设备测量第二基准块在局部坐标系O2下相对第二基准棱镜在对应方向的三维角度；
步骤六、将步骤五获得的载荷作用后的第一基准块和第二基准块在各自局部坐标系下的角度及位置数据作为另一组测试数据，利用步骤二获得的两个局部坐标系之间的转换关系矩阵，采用数据处理与分析系统将局部坐标系O2下的数据转换到局部坐标系O1内；
步骤七、将步骤四和步骤六的两组测试数据，采用数据处理与分析系统计算桁架式机构在施加载荷后的变化量。
本发明的有益效果：本发明所述的测试方法，采用坐标变换的测试形式，考虑到大尺寸桁架结构某些特征区域间相对距离较远，建立在同一坐标系下时现有测试方法测试精度的不足，针对待测特征点的位置，建立局部坐标系，通过坐标系之间的关系完成桁架在经历不同外界载荷作用前后刚体位移的剔除，得到桁架上特征点之间相对变形量，即桁架稳定性测量。
采用本发明所述的方法测试时，假设需要测试多个特征点之间相对位置及角度关系变形量，可通过调整测试单元与高精度测角设备的位置或适当增加测试设备数量来配合实现。由于现有激光测距设备在短距离范围内可实现1μm的测量精度，测角设备具备0.1″的测角精度，在局部坐标下的测量精度较高，在建立坐标系之间的转换关系后，在空间上完成全部特征点统一到标准坐标系下，在5m测量范围内，本发明方法最终的位置变化测量精度达到10μm，角度变化测量精度达到3″。测距及测角设备的测量精度可溯源到国家计量院，该方法实现了便携、通用性强及高精度的使用要求。
附图说明
图1为本发明所述的一种大尺寸桁架式支撑结构稳定性测试装置的结构示意图；
图2为本发明所述的一种大尺寸桁架式支撑结构稳定性测试装置中测距单元与支撑结构架的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，一种大尺寸桁架式支撑结构稳定性测试装置，包括两组测距单元，跟踪仪，四个经纬仪，四个高精度测角设备以及数据处理与分析系统；在待测桁架的特征区域位置处安装第一基准块1和第二基准块2，第一组测距单元5和第二组测距单元6分别对准第一基准块1和第二基准块2的三个正交面，所述第一组测距单元5安装第一基准棱镜11，第二组测距单元6安装第二基准棱镜12；所述第一基准棱镜11光轴指向代表第一测距单元5的局部坐标系O1指向，第二基准棱镜12光轴指向代表第二测距单元6的局部坐标系O2指向；
所述激光跟踪仪7用于对两局部坐标系间三维位置关系的测量，所述四个经纬仪用于对两局部坐标系间三维角度关系的测量；获得两个局部坐标系间的转换矩阵；
所述第一组测距单元5和第二组测距单元6分别对第一基准块1和第二基准块2进行局部坐标系下的三维位置测量，同时第一高精度测角设备3和第二高精度测角设备4对第一基准块1在所述局部坐标系O1内的三维角度的测量，第三高精度测角设备8和第四高精度测角设备9对第二基准块2在所述局部坐标系O2内的三维角度测量；获得桁架结构受载荷作用前后的局部坐标系内的数据后，利用所述两个局部坐标系间的转换矩阵，通过数据处理与分析系统17，最终完成桁架式结构上特征位置之间的相对关系变化量的测量。
本实施方式中，每组测距单元由三台高精度的激光测距设备组成，所述激光测距设备固定在支撑结构架10上，使每组激光测距设备分别对准第一基准块1和第二基准块2的三个正交面，且距离不超过5mm，每组测距单元上分别安装了第一基准棱镜11、第二基准棱镜12，棱镜正交三面的光轴指向代表该测距单元的局部坐标系指向，通过激光跟踪仪7以及四个测角设备，完成两组局部坐标系之间的坐标关系建立。所述第一基准棱镜11和第二基准棱镜12分别安装在支撑结构架10上。
具体实施方式二、结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的大尺寸桁架式支撑结构稳定性测试装置的测试方法，该方法由以下步骤实现：
第一、在待测桁架结构的特征区域位置处安装能够代表该特征区域变形特征的第一基准块1和第二基准块2，两个基准块均为立方体且表面能对测试光线进行反射；
第二，将激光测距设备三个为一组成正交状态进行固定，组成两组测距单元，将两组测距单元分别固定在高稳定性的支撑结构架10上，高稳定支撑结构的尺寸与实际被测物的外形尺寸相关，两组测距单元对准测试基准板上的第一基准块1、第二基准块2的三个正交面，用于局部坐标系下前后两次位置坐标的测量；在两组测距单元上分别加装第一基准棱镜11和第一基准棱镜12，每个棱镜的三个正交面的光轴指向用于代表每组测距激光测距设备三个朝向测试光束的光轴指向，高稳定性支撑结构架10在整个测试过程中长时间保证所有测距设备及其基准棱镜间相对位置关系不变；
第三，利用激光跟踪仪7，完成两组测试单元所建立的两个局部坐标系之间的三维位置关系，利用四个经纬仪完成两个局部坐标系之间的三维角度关系测试，从而获得两个局部坐标系的转换关系矩阵。
第四，利用第一测距单元5测量第一基准块1在局部坐标系O1下的三维位置，利用两台第一高精度测角设备3和第二高精度测角设备4完成第一基准块1在局部坐标系O1下相对第一基准棱镜11在对应方向的三维角度。
第五，利用第二测距单元6测量第二基准块2在局部坐标系O2下的三维位置，利用两台第三高精度测角设备8和第四高精度测角设备9完成第二基准块2在局部坐标系O2下相对第二基准棱镜12在对应方向的三维角度。
第六，将步骤四和步骤五获得的在各自局部坐标系下的位置和角度数据作为一组测试数据，根据第三步获得的两个局部坐标系之间的关系，可以利用数据处理与分析系统17将坐标系O2下的数据转换到坐标系O1内，以坐标系O1作为基准坐标系。
第七，保持高稳定性支撑结构架10、第一测距单元5、第二测距单元6及第一基准棱镜11和第二基准棱镜12等状态不变；
第八，对待测桁架结构施加温度载荷或力学载荷，在载荷作用稳定后，重新利用第一测距单元5测量第一基准块1在局部坐标系O1下的三维位置，利用第一高精度测角设备3和4第二高精度测角设备完成第一基准块1在局部坐标系O1下相对第一基准棱镜11在对应方向的三维角度；利用第二测距单元6测试第二基准块2在局部坐标系O2下的三维位置，利用第三高精度测角设备8第四高精度测角设备9完成第二基准块2在局部坐标系O2下相对第二基准棱镜12在对应方向的三维角度。
将加温度载荷或力学载荷后，将第一基准块1和第二基准块2的在各自局部坐标系下的位置和角度数据作为另一组测试数据，再次利用两个局部坐标系之间的关系将局部坐标系O2下的测试数据转换到局部坐标系O1内；
第九，在获得载荷作用前后的两组测试数据后，利用数据处理与分析系统17计算桁架式机构在经历载荷变化后的变形情况。
本实施方式中所述的第一基准块1和第二基准块2，加装在待测桁架上，作用是代表待测桁架上特征区域或特征点的位置。第一高精度测角设备3和第二高精度测角设备4配合，用于第一基准块1在局部坐标系O1下的角度位置测量，测角精度优于0.1″。
第一测距单元5和第二测距单元6均由三个正交的高精度激光测距设备组成的测试单元，分别用于第一基准块1和第二基准块2在局部坐标系O1和局部坐标系O2下的三维位置测量，三维测距精度优于1μm。
所述高精度激光跟踪仪7和四个高精度经纬仪13、14、15、16，用于局部坐标系O1与O2间的转换关系的建立，测角精度优于0.5″。
第三高精度测角设备8和第四高精度测角设备9配合用于第二基准块2在局部坐标系O2下的三维角度位置测量，测角精度优于0.1″。
高稳定性支撑结构架10，用于对第一测距单元5和第二测距单元6的支撑及固定。能够保证测距单元5、6之间的相对位置关系稳定，可利用10根据实际测试需要进行测距单元的位置调整。
所述第一基准棱镜11和第二基准棱镜12，分别安装在10高稳定性支撑结构架上的可视位置，基准棱镜三面正交性优于5″，三个面的光轴指向分别代表测试单元5中每个测距设备测试光束指向。
本实施方式所述的数据处理与分析系统17，根据激光跟踪仪7以及四个经纬仪确定出的两个坐标系间转换关系，对桁架结构变形前后两个基准块在各自局部坐标系下的位置及角度数据进行数据处理及分析，得到两个基准块之间的相对变形量，即可以得到大型桁架式结构的稳定性结果。
对本实施方式所述的测试方法的测试精度进行分析与验证，当待测桁架尺寸达到5m量级后，三维位置变形量测试精度约为10μm，三维角度变形量测试精度约为3″。通过对本实施方式所述的测试方法进行仿真，表明该方法可行，并且利用验证实验进一步验证方法在工程上实用有效。
Claims (6)
1.大尺寸桁架式支撑结构稳定性测试装置，包括两组测距单元，激光跟踪仪(7)，四个经纬仪，四个高精度测角设备以及数据处理与分析系统；其特征是：
在待测桁架的特征区域位置处安装第一基准块(1)和第二基准块(2)，第一组测距单元(5)和第二组测距单元(6)分别对准第一基准块(1)和第二基准块(2)的三个正交面，所述第一组测距单元(5)安装第一基准棱镜(11)，第二组测距单元(6)安装第二基准棱镜(12)；所述第一基准棱镜(11)光轴指向代表第一测距单元(5)的局部坐标系O1指向，第二基准棱镜(12)光轴指向代表第二测距单元(6)的局部坐标系O2指向；
所述激光跟踪仪(7)用于对两局部坐标系间三维位置关系的测量，所述四个经纬仪用于对两局部坐标系间三维角度关系的测量；获得两个局部坐标系间的转换矩阵；
所述第一组测距单元(5)和第二组测距单元(6)分别对第一基准块(1)和第二基准块(2)进行局部坐标系下的三维位置测量，同时第一高精度测角设备(3)和第二高精度测角设备(4)对第一基准块(1)在所述局部坐标系O1内的三维角度的测量，第三高精度测角设备(8)和第四高精度测角设备(9)对第二基准块(2)在所述局部坐标系O2内的三维角度测量；获得桁架式支撑结构受载荷作用前后的局部坐标系内的数据后，利用所述两个局部坐标系间的转换矩阵，通过数据处理与分析系统(17)，最终完成桁架式支撑结构上特征区域位置之间的相对关系变化量的测量。
2.根据权利要求1所述的大尺寸桁架式支撑结构稳定性测试装置，其特征在于：第一组测距单元(5)和第二组测距单元(6)分别对准所述第一基准块(1)和第二基准块(2)的三个正交面，且距离不超过5mm。
3.根据权利要求1所述的大尺寸桁架式支撑结构稳定性测试装置，其特征在于：还包括支撑结构架(10)，所述第一组测距单元(5)和第二组测距单元(6)每组测距单元分别由三个正交的高精度激光测距设备组成，所述激光测距设备固定在支撑结构架(10)上，所述第一基准棱镜(11)和第二基准棱镜(12)分别安装在支撑结构架(10)上。
4.根据权利要求1所述的大尺寸桁架式支撑结构稳定性测试装置，其特征在于：所述第一基准块(1)和第二基准块(2)均为立方体且表面对测试光线进行反射。
5.根据权利要求1所述的大尺寸桁架式支撑结构稳定性测试装置的测试方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：
步骤一、在待测桁架结构的特征区域位置处安装代表该特征区域变形特征的第一基准块(1)和第二基准块(2)；
第一组测距单元(5)和第二组测距单元(6)分别对准第一基准块(1)和第二基准块(2)的三个正交面；将第一基准棱镜(11)和第二基准棱镜(12)的三个光轴指向调整与第一组测距单元和第二测距单元测试光束的方向一致；
步骤二、采用激光跟踪仪(7)完成两组测距单元所建立的两个局部坐标系之间的三维位置关系，采用四个经纬仪测试两个局部坐标系之间的三维角度，获得两个局部坐标系的转换关系矩阵；
步骤三、采用第一测距单元(5)测量第一基准块(1)在局部坐标系O1下的三维位置，采用第一高精度测角设备(3)和第二高精度测角设备(4)测量第一基准块(1)在局部坐标系O1下相对第一基准棱镜(11)在对应方向的三维角度；
采用第二测距单元(6)测量第二基准块(2)在局部坐标系O2下的三维位置，利用第三高精度测角设备(8)和第四高精度测角设备(9)测量第二基准块(2)在局部坐标系O2下相对第二基准棱镜(12)在对应方向的三维角度；
步骤四、将步骤三获得的第一基准块(1)和第二基准块(2)在各自局部坐标系下的角度及位置数据作为一组测试数据，根据步骤二获得的两个局部坐标系之间的转换关系矩阵，采用数据处理与分析系统(17)将局部坐标系O2下的数据转换到局部坐标系O1内，以局部坐标系O1作为基准坐标系；
步骤五、对待测桁架结构施加温度载荷或力学载荷，在载荷作用稳定后，再次采用第一测距单元(5)测量第一基准块(1)在局部坐标系O1下的三维位置，采用第一高精度测角设备(3)和第二高精度测角设备(4)测量第一基准块(1)在局部坐标系O1下相对第一基准棱镜(11)在对应方向的三维角度；
采用第二测距单元(6)测量第二基准块(2)在局部坐标系O2下的三维位置，采用第三高精度测角设备(8)和第四高精度测角设备(9)测量第二基准块(2)在局部坐标系O2下相对第二基准棱镜(12)在对应方向的三维角度；
步骤六、将步骤五获得的载荷作用后的第一基准块(1)和第二基准块(2)在各自局部坐标系下的角度及位置数据作为另一组测试数据，利用步骤二获得的两个局部坐标系之间的转换关系矩阵，采用数据处理与分析系统(17)将局部坐标系O2下的数据转换到局部坐标系O1内；
步骤七、将步骤四和步骤六的两组测试数据，采用数据处理与分析系统(17)计算桁架式机构在施加载荷后的变化量。
6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：对待测桁架结构施加温度载荷或力学载荷作用前后，保持支撑结构架(10)、第一测距单元(5)、第二测距单元(6)、第一基准棱镜(11)以及第二基准棱镜(12)的相对位置关系不变。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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