CN112797924A - 激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置及其测量方法。该测量装置包括水平轴系和垂直轴系，垂直轴系包括竖轴轴承座、竖轴主轴、竖轴测角单元，水平轴系包括横轴轴承座、横轴主轴、横轴测角单元，横轴主轴与负载安装板连接，负载安装板上设有测量模块，横轴主轴和竖轴主轴的旋转轴线正交。该测量方法中，横轴主轴和竖轴主轴的旋转轴线正交于点O，以点O为测量原点，利用测量模块测量与目标位置间的长度d，测量模块记录俯仰角α、方位角β，基于球坐标系测量原理确定空间目标位置的三维坐标。本发明的优点：可以实现空间坐标高精度测量；采用流体润滑轴承作为正交回转轴线支承部件，实现了高回转精度，同时降低轴系跳动对系统测量精度的影响。

Description

激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及精密测量领域，具体涉及一种激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置及其测量方法。

背景技术

激光跟踪测量系统作为高精度大尺寸空间坐标测量基准，被广泛应用在我国航空航天、大科学装置研制、智能制造、计量测试等领域。高精度正交回转轴系是激光跟踪测量系统的重要运动执行机构，正交回转轴系轴线的交点往往作为激光跟踪测量系统的测量基准点。因此，正交轴的制造和装配精度是影响激光跟踪测量系统测量精度的关键，如何实现正交轴的高精度设计是当前的研究重点，设计一种简单、可靠的正交回转轴测量装置，能够保证仪器的精度，尤其是轴系的回转精度和轴间的垂直度，保证测量装置的测量准确，是亟待解决的问题。

目前，常用的正交回转轴系为基于标准滚动轴承、转台轴承的正交回转轴系，限于轴承的设计和制造水平虽然可以达到P2级精度水平，但是轴系回转精度往往在微米级，轴系跳动对激光跟踪测量系统的测长精度有较大影响。此外，轴系低回转精度容易导致轴系整体测角水平较低，限制了激光跟踪测量系统的测角精度。因此，轴系的设计与制造水平尤其是回转精度从根上限制了激光跟踪测量系统的测量精度。

此外，正交回转轴系的设计通常采用铸铁、合金钢等高密度黑色金属作为支撑结构和关键部件，而且轴系设计尺寸较大，重量偏高，不利于激光跟踪测量系统的便携化发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，目的在于提供一种激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置及其测量方法，解决现有缺少一种简单、可靠的正交回转轴测量装置的问题。本发明可实现轴系纳米级回转精度，可轻易保证激光跟踪测量系统的测角精度到达亚秒级，同时，降低轴系回转精度对激光跟踪测量系统测长的影响，进而提高激光跟踪测量系统的测量精度。

本发明通过下述技术方案实现：

一种激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置，包括水平轴系和垂直轴系，垂直轴系包括竖轴轴承座，竖轴轴承座上设有竖轴主轴，竖轴主轴在竖轴轴承座上旋转布置，竖轴轴承座与竖轴主轴之间设有竖轴测角单元，水平轴系包括横轴轴承座，竖轴主轴与横轴轴承座连接，横轴轴承座上设有横轴主轴，横轴主轴在横轴轴承座上旋转布置，横轴轴承座与横轴主轴之间设有横轴测角单元，横轴主轴与负载安装板连接，负载安装板上设有测量模块，横轴主轴和竖轴主轴的旋转轴线正交。

进一步的，所述的测量模块为光学测量模块。

进一步的，所述竖轴主轴通过竖轴流体润滑轴承支承安装在竖轴轴承座内，并相对于竖轴轴承座旋转。

进一步的，所述的竖轴流体润滑轴承为气浮轴承，竖轴流体润滑轴承的回转精度为50nm～100nm。

进一步的，所述的竖轴流体润滑轴承包括固定在轴承座上的轴承定子，轴承定子内设有轴承转子，轴承转子的上下两端分别连接上止推板、下止推板，上止推板、轴承转子和下止推板之间形成工字型结构，上止推板、轴承转子和下止推板均与轴承定子之间形成间隙。

进一步的，所述的横轴轴承座通过横轴流体润滑轴承支承安装在横轴轴承座内，并相对于横轴轴承座旋转。

进一步的，所述的横轴流体润滑轴承为气浮轴承，横轴流体润滑轴承的回转精度为50nm～100nm。

进一步的，所述的横轴流体润滑轴承包括固定在轴承座上的轴承定子，轴承定子内设有轴承转子，轴承转子的上下两端分别连接上止推板、下止推板，上止推板、轴承转子和下止推板之间形成工字型结构，上止推板、轴承转子和下止推板均与轴承定子之间形成间隙。

进一步的，所述的竖轴主轴与竖轴驱动连接。

进一步的，所述的竖轴驱动为竖轴驱动电机。

进一步的，所述的竖轴驱动电机包括竖轴电机定子和竖轴电机转子，竖轴电机定子与竖轴定子安装板连接，竖轴定子安装板与竖轴轴承座连接，竖轴电机转子位于竖轴电机定子内，竖轴电机转子与竖轴转子连接轴连接，竖轴转子连接轴与竖轴主轴连接。

进一步的，所述的横轴主轴与横轴驱动连接。

进一步的，所述的横轴驱动为横轴驱动电机。

进一步的，所述的横轴驱动电机包括横轴电机定子和横轴电机转子，横轴电机定子与横轴定子安装板连接，横轴定子安装板与横轴轴承座连接，横轴电机转子位于横轴电机定子内，横轴电机转子与横轴转子连接轴连接，横轴转子连接轴与横轴主轴连接。

进一步的，所述的横轴轴承座上设有防护横轴驱动的横轴驱动罩壳。

进一步的，所述的竖轴测角单元位于竖轴轴承座靠近正交回转轴线交点的一侧。

进一步的，所述的竖轴测角单元包括竖轴读数头和竖轴编码器，竖轴编码器设在竖轴主轴上，竖轴读数头设在竖轴轴承座上。

进一步的，所述的竖轴读数头设有至少两个。

进一步的，所述的横轴测角单元位于横轴轴承座靠近正交回转轴线交点的一侧。

进一步的，所述的横轴测角单元包括横轴编码器和横轴读数头，横轴编码器设在横轴主轴上，横轴读数头设在横轴轴承座上。

进一步的，所述的横轴读数头设有至少两个。

进一步的，所述的横轴轴承座上设有防护横轴测角单元的测量组件罩壳。

进一步的，所述的横轴轴承座为L型横轴轴承座，L型横轴轴承座的水平端与竖轴主轴连接，横轴主轴设在L型横轴轴承座的竖直端，负载安装板为L型负载安装板，横轴主轴与L型负载安装板的竖直端连接，L型负载安装板的水平端为连接端。

进一步的，所述的L型横轴轴承座的水平端中部与竖轴主轴连接，L型横轴轴承座水平端的端部设有配重。

进一步的，所述的横轴轴承座为U型横轴轴承座，U型横轴轴承座的水平端与竖轴主轴连接，U型横轴轴承座的两竖直端均设有横轴主轴，负载安装板为U型负载安装板，两侧的横轴主轴分别与U型负载安装板的两竖直端连接，U型负载安装板的水平端为连接端。

进一步的，所述的U型横轴轴承座的水平端中部与竖轴主轴连接，一侧的横轴主轴与横轴驱动连接，另一侧的横轴主轴与U型横轴轴承座之间设有横轴测角单元。

进一步的，所述的连接端上设有连接孔。

进一步的，所述的水平轴系和垂直轴系中流体静压轴承之外的结构材质为高强度铝合金。

一种上述的激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置的测量方法，横轴主轴和竖轴主轴的旋转轴线正交于点O，以点O为测量原点，利用测量模块测量与目标位置间的长度d，测量模块在旋转过程中利用横轴测角单元记录俯仰角α，利用竖轴测角单元记录方位角β，基于球坐标系测量原理即可确定空间目标位置的三维坐标，如下式所示：

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、提供了一种简单、可靠的正交回转轴测量装置，可以实现空间坐标高精度测量；

2、采用流体润滑轴承作为各轴系支承，其高回转精度实现了轴系的高回转精度，同时降低轴系跳动对光学模块测量精度的影响；

3、采用多读数头的配置方式，基于误差平均原理可进一步提高测角的精度；

4、采用编码器放置于靠近正交回转轴线交点的一侧，能够降低阿贝误差对角度测量精度的影响；

5、整体结构尺寸较为紧凑，大部分部件采用高强度铝合金材料，可大幅降低其整体重量，便于便携化发展。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图I。

图2为本发明结构示意图II。

图3为本发明结构剖视图。

图中：1-水平轴系，2-垂直轴系，3-横轴驱动，4-L型横轴轴承座，5-横轴流体润滑轴承，6-横轴主轴，7-横轴测角单元，8-测量模块，9-L型负载安装板，10-竖轴测角单元，11-竖轴主轴，12-竖轴流体润滑轴承，13-竖轴轴承座，14-竖轴驱动，15-U型负载安装板，16-U型横轴轴承座；17-横轴驱动罩壳，18-横轴定子安装板，19-横轴电机定子，20-横轴电机转子，21-横轴转子连接轴，22-气浮轴承，24-横轴安装板，25-横轴读数头，26-横轴编码器，27-测量组件罩壳，28-负载连接轴，30-竖轴安装板，31-竖轴编码器，32-竖轴读数头，33-竖轴定子安装板，34-竖轴电机定子，35-竖轴电机转子，36-竖轴转子连接轴；221-上止推板，222-轴承转子，223-间隙，224-轴承定子，225-下止推板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1～3所示，一种激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置，包括水平轴系1和垂直轴系2，垂直轴系2包括竖轴轴承座13，竖轴轴承座13上设有竖轴主轴11，竖轴主轴在竖轴轴承座上旋转布置，竖轴轴承座13与竖轴主轴11之间设有竖轴测角单元10，竖轴测角单元10用于竖轴主轴在旋转过程中的记录方位角β。

水平轴系1包括横轴轴承座，竖轴主轴11与横轴轴承座连接，横轴轴承座上设有横轴主轴6，横轴主轴在横轴轴承座上旋转布置，横轴轴承座与横轴主轴6之间设有横轴测角单元7，横轴测角单元7用于横轴主轴在旋转过程中记录俯仰角α。

横轴主轴6与负载安装板连接，负载安装板上设有测量模块8，测量模块8为光学测量模块，优选为激光干涉相对或绝对测距模块。横轴主轴6和竖轴主轴11的旋转轴线正交。即横轴主轴和竖轴主轴的旋转轴线相交并垂直。通过竖轴主轴带动横轴轴承座的绕一竖直的旋转轴线旋转，通过横轴主轴带动负载安装板绕一水平的旋转轴线旋转。

负载安装板旋转时，可带动测量模块转动，使测量模块测量数据，其中测量模块可选择激光干涉测量模块用于获取测量长度。其中横轴主轴和竖轴主轴的旋转轴线正交点设为其起始测量原点，此点作为正交回转轴系统使用的基准点，此基准原点也是测量模块的光轴轴线、横轴主轴和竖轴主轴的旋转轴线的交点，以此原点来建立球坐标系。

竖轴主轴11通过竖轴流体润滑轴承12支承安装在竖轴轴承座13内，并相对于竖轴轴承座旋转。横轴主轴6通过横轴流体润滑轴承5支承安装在横轴轴承座内，并相对于横轴轴承座旋转。优选的，竖轴流体润滑轴承12和横轴流体润滑轴承5均为气浮轴承22，旋转时，在间隙内形成均密的气压，保证主轴的旋转精度。气浮轴承的回转精度在50nm～100nm之间，可以提高水平轴系1和垂直轴系2旋转过程中的角度测量精度，同时降低轴系精度对测量模块的影响，进一步的提高测量精度。

竖轴主轴11与竖轴驱动14连接，优选的，竖轴驱动14为竖轴驱动电机，通过竖轴驱动控制竖轴主轴的旋转运动。横轴主轴6与横轴驱动3连接，优选的，横轴驱动3为横轴驱动电机，通过横轴驱动控制横轴主轴的旋转运动。横轴轴承座上设有防护横轴驱动3的横轴驱动罩壳17，防止外界干扰、灰尘及油雾。

竖轴测角单元10位于竖轴轴承座靠近正交回转轴线交点的一侧，横轴测角单元7位于横轴轴承座靠近正交回转轴线交点的一侧，测角单元用于轴系在旋转过程中的角度测量。由于测角单元布置在靠近正交回转轴线交点的一侧，有助于降低阿贝误差对于测角精度的影响。横轴轴承座上设有防护横轴测角单元7的测量组件罩壳27，防止外界干扰、灰尘及油雾。

具体的，竖轴主轴包括竖轴转子连接轴36、竖轴流体润滑轴承的转动件和竖轴安装板30，横轴主轴包括横轴转子连接轴21、横轴流体润滑轴承的转动件和横轴安装板24。

竖轴流体润滑轴承12和横轴流体润滑轴承5均包括通过螺钉固定在轴承座上的轴承定子224，轴承定子224内设有轴承转子222，轴承转子222的上下两端通过螺钉分别连接上止推板224、下止推板225，上止推板221、轴承转子222和下止推板225之间形成工字型结构，上止推板221、轴承转子222和下止推板225均与轴承定子224之间形成间隙223。

竖轴驱动电机包括竖轴电机定子34和竖轴电机转子35，竖轴电机定子34通过螺钉与竖轴定子安装板33连接，竖轴定子安装板33通过螺钉与竖轴轴承座13连接，竖轴电机转子35位于竖轴电机定子34内，竖轴电机转子35通过螺钉与竖轴转子连接轴36连接，竖轴转子连接轴36与竖轴主轴11的下止推板连接。

横轴驱动电机包括横轴电机定子19和横轴电机转子20，横轴电机定子19通过螺钉与横轴定子安装板18连接，横轴定子安装板18通过螺钉与横轴轴承座连接，横轴电机转子20位于横轴电机定子19内，横轴电机转子20通过螺钉与横轴转子连接轴21连接，横轴转子连接轴21与横轴主轴6的上止推板连接。

竖轴测角单元10包括竖轴读数头32和竖轴编码器31，竖轴编码器31通过螺钉设在竖轴主轴11的竖轴安装板30上，竖轴读数头32通过螺钉设在竖轴轴承座13上，竖轴读数头32设有至少两个。横轴测角单元7包括横轴编码器26和横轴读数头25，横轴编码器26通过螺钉设在横轴主轴6的横轴安装板24上，横轴读数头25通过螺钉设在横轴轴承座上，竖轴读数头25设有至少两个。采取多读数头的方法，利用误差平均原理来进一步提高旋转过程中的测角精度。

如图1和3所示，横轴轴承座为L型横轴轴承座4，L型横轴轴承座4的水平端通过螺钉与竖轴安装板30连接，竖轴安装板通过螺钉与上止推板连接。横轴主轴6设在L型横轴轴承座4的竖直端，负载安装板为L型负载安装板9，横轴安装板24与负载连接轴28连接，负载连接轴28与L型负载安装板9的竖直端连接，横轴安装板24通过螺钉与上止推板连接。L型负载安装板9的水平端为连接端，连接端上设有连接孔。

L型横轴轴承座4的水平端中部与竖轴主轴11连接，L型横轴轴承座4水平端的端部设有配重。配重用于平衡流体静压轴承的重量，便于水平轴系的装调。此外，平衡后有助于提高垂直轴系的动态性能，避免偏载对轴承的损坏和对系统测量精度的影响。

如图2所示，横轴轴承座为U型横轴轴承座16，U型横轴轴承座16的水平端与竖轴主轴11连接，U型横轴轴承座16的两竖直端均设有横轴主轴6。负载安装板为U型负载安装板15，两侧的横轴主轴6分别与U型负载安装板15的两竖直端连接，U型负载安装板15的水平端为连接端，连接端上设有连接孔。

U型横轴轴承座16的水平端中部与竖轴主轴11连接，一侧的横轴主轴6与横轴驱动3连接，另一侧的横轴主轴6与U型横轴轴承座16之间设有横轴测角单元7。

U型负载安装板实现流体润滑轴承的对称布置，不但能够平衡两侧的重量，同时能够对负载安装板的两端进行限位，保证旋转精度。横轴驱动和横轴测角单元分别设在两侧，便于垂直轴系旋转过程中整体受力平衡，能够有效降低偏载对于轴承的损坏，提高动态性能和测量精度。

水平轴系1和垂直轴系2中流体静压轴承之外的结构材质为高强度铝合金，可大幅降低其整体重量，便于便携化发展。

一种上述的激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置的测量方法，横轴主轴6和竖轴主轴11的旋转轴线正交于点O，以点O为测量原点，利用测量模块8测量与目标位置间的长度d，测量模块8在旋转过程中利用横轴测角单元7记录俯仰角α，利用竖轴测角单元10记录方位角β，基于球坐标系测量原理即可确定空间目标位置的三维坐标，如下式所示：

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置，包括水平轴系(1)和垂直轴系(2)，其特征在于：所述的垂直轴系(2)包括竖轴轴承座(13)，竖轴轴承座(13)上竖轴主轴(11)，竖轴主轴(11)在竖轴轴承座(13)上旋转布置，竖轴轴承座(13)与竖轴主轴(11)之间设有竖轴测角单元(10)，水平轴系(1)包括横轴轴承座，竖轴主轴(11)与横轴轴承座连接，横轴轴承座上设有横轴主轴(6)，横轴主轴(6)在横轴轴承座上旋转布置，横轴轴承座与横轴主轴(6)之间设有横轴测角单元(7)，横轴主轴(6)与负载安装板连接，负载安装板上设有测量模块(8)，横轴主轴(6)和竖轴主轴(11)的旋转轴线正交。

2.根据权利要求1所述的激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置，其特征在于：所述的测量模块(8)为光学测量模块。

3.根据权利要求1所述的激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置，其特征在于：所述竖轴主轴(11)通过竖轴流体润滑轴承(12)支承安装在竖轴轴承座(13)内，并相对于竖轴轴承座(13)旋转。

4.根据权利要求3所述的激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置，其特征在于：所述的竖轴流体润滑轴承(12)包括固定在轴承座上的轴承定子(224)，轴承定子(224)内设有轴承转子(222)，轴承转子(222)的上下两端分别连接上止推板(224)、下止推板(225)，上止推板(221)、轴承转子(222)和下止推板(225)之间形成工字型结构，上止推板(221)、轴承转子(222)和下止推板(225)均与轴承定子(224)之间形成间隙(223)。

5.根据权利要求1所述的激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置，其特征在于：所述的竖轴测角单元(10)位于竖轴轴承座靠近正交回转轴线交点的一侧。

6.根据权利要求1所述的激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置，其特征在于：所述的横轴轴承座为L型横轴轴承座(4)，L型横轴轴承座(4)的水平端与竖轴主轴(11)连接，横轴主轴(6)设在L型横轴轴承座(4)的竖直端，负载安装板为L型负载安装板(9)，横轴主轴(6)与L型负载安装板(9)的竖直端连接，L型负载安装板(9)的水平端为连接端。

7.根据权利要求6所述的激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置，其特征在于：所述的L型横轴轴承座(4)的水平端中部与竖轴主轴(11)连接，L型横轴轴承座(4)水平端的端部设有配重。

8.根据权利要求1所述的激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置，其特征在于：所述的横轴轴承座为U型横轴轴承座(16)，U型横轴轴承座(16)的水平端与竖轴主轴(11)连接，U型横轴轴承座(16)的两竖直端均设有横轴主轴(6)，负载安装板为U型负载安装板(15)，两侧的横轴主轴(6)分别与U型负载安装板(15)的两竖直端连接，U型负载安装板(15)的水平端为连接端。

9.根据权利要求8所述的激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置，其特征在于：所述的U型横轴轴承座(16)的水平端中部与竖轴主轴(11)连接，一侧的横轴主轴(6)与横轴驱动(3)连接，另一侧的横轴主轴(6)与U型横轴轴承座(16)之间设有横轴测角单元(7)。

10.一种权利要求1～9任一所述的激光跟踪测量系统的正交回转轴测量装置的测量方法，其特征在于：横轴主轴(6)和竖轴主轴(11)的旋转轴线正交于点O，以点O为测量原点，利用测量模块(8)测量与目标位置间的长度d，测量模块(8)在旋转过程中利用横轴测角单元(7)记录俯仰角α，利用竖轴测角单元(10)记录方位角β，基于球坐标系测量原理即可确定空间目标位置的三维坐标，如下式所示：

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