CN114061872A - 一种三维高精度标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维高精度标定系统及方法，其由锤击系统、激光水平仪、旋转台、升降台、立柱和电磁铁底座组成；电磁铁底座吸附于地面或地轨；立柱连接于电磁铁底座之上；立柱之上分别连接升降台、旋转台，用于微调锤击系统的高度和角度，配合激光水平仪保证锤击系统与地面保持垂直；锤击系由锤头力传感器、第一直线轴承、第二直线轴承、减震弹簧、第一垫片、第二垫片、第三垫片、触发弹簧、第一传动轴、第二传动轴、外壳和电吸盘组成。本发明实现对标定盘上不同位置的加载点的多次重复敲击，产生重复性好的冲激信号；同时能够有效防止二次撞击；通过高精度调节，控制加载点位置，控制锤击角度垂直于标定盘。

Description

一种三维高精度标定系统及方法

技术领域

本发明涉及一种三维高精度标定系统及方法，能够实现对标定盘上不同位置加载点的多维标定，通过高精度调节保证锤头与标定盘间完全垂直，防止锤头与标定盘二次撞击，产生重复性好的冲激信号。

背景技术

航天器在轨工作时，会产生一种振动幅值小、振动频率小于1KHz的振动，这类振动通常被称为微振动。活动部件的微振动会对航天器的成像质量和指向精度等关键性能产生较大影响。航天器上存在较多的活动部件，如动量轮、控制力矩陀螺、太阳翼驱动机构、数传天线、制冷机以及相机快门组件等。因此，通过地面试验测试各活动部件的微振动特性对航天器的减振、隔振设计至关重要。

针对地面微振动测试，实验室特设计了一款微振动测试台，可以实现六分量扰振力的测试。对于该微振动测试台，传统的标定过程是利用力锤在频域上完成的，它是通过力锤敲击对标定装置施加已知的冲激载荷来实现的。冲击锤一般在其头部内嵌有一个力传感器，用以测量冲击激励信号。冲击锤不仅操作简单、携带方便，而且可以产生较宽频率范围的激励。传统力锤通过操作者手持敲击被试件产生响应。这种激励方法所能产生的敲击力有限，且完全依靠检验人员的测试经验，在敲击过程中很容易出现连击、敲击力不稳定、敲击重复性差等问题，大大降低了试验效率。为此，有必要设计一款多维高精度标定系统，用以解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服传统力锤敲击标定方法的局限性，提供一种能够对标定盘上不同位置加载点实现多维标定，保证锤头与标定盘间完全垂直，通过高精度调节控制加载点位置并有效防止二次撞击，产生重复性好的冲激信号的标定系统，为实现微振动测试台的标定提供条件。

本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的一种三维高精度标定系统，包括：锤击系统(1)、激光水平仪(2)、旋转台(3)、升降台(4)、立柱(5)和电磁铁底座(6)；

锤击系统(1)包括：锤头(1.1)、力传感器(1.2)、第一直线轴承(1.3)、第二直线轴承(1.4)、减震弹簧(1.5)、第一垫片(1.6)、第二垫片(1.7)、第三垫片(1.8)、触发弹簧(1.9)、第一传动轴(1.10)、第二传动轴(1.11)、外壳(1.12)和电吸盘(1.13)；力传感器(1.2)安装于锤头(1.1)后在标定时实时测得冲击力的大小；第一传动轴(1.10)安装于力传感器(1.2)后，第一传动轴(1.10)上依次安装有：第一直线轴承(1.3)、减震弹簧(1.5)、第一垫片(1.6)、第二直线轴承(1.4)；第二传动轴(1.11)上依次安装有第二垫片(1.7)、触发弹簧(1.9)、第三垫片(1.8)；外部套有外壳(1.12)；外壳(1.12)后部安装电吸盘(1.13)；

所述锤击系统(1)前端安装有锤头(1.1)，锤头(1.1)尺寸统一，材料选择为不锈钢、橡胶、尼龙或塑料材料，不同材料能够产生不同的激励频带，其中选用的锤头越软，产生频响的带宽越窄，能量集中在低频区域，适用于基频集中在低频区的结构，而选用的锤头越硬，产生频响的带宽越宽，能量集中在高频区域，适用于基频集中在高频区的结构；当对不同的结构进行振动测试时，也能够选用不同的锤头进行锤击；第一直线轴承(1.3)和第二直线轴承(1.4)套在第一传动轴(1.10)外部，起到限位、传动以及减小摩擦的作用；第一直线轴承(1.3)、第二直线轴承(1.4)内接于外壳(1.12)，并与外壳(1.12)固连；减震弹簧(1.5)套在第一传动轴(1.10)上，且一端连接于第一直线轴承(1.3)；第一垫片(1.6)固连于第一传动轴(1.10)中部；第二垫片(1.7)连接于第二传动轴(1.11)端部；第三垫片(1.8)连接于外壳(1.12)底部；触发弹簧(1.9)夹在第二垫片(1.7)、第三垫片(1.8)之间，与第二垫片(1.7)和第三垫片(1.8)固连；

所述激光水平仪(2)安装于锤击系统(1)上方，以螺钉固定，安装前用水平尺测量，保证激光射线与锤头(1.1)所在轴线的平行度；

所述旋转台(3)安装于锤击系统(1)下方，以螺钉固定，能够通过调节旋转台(3)改变锤击系统(1)所对方向，从而改变锤击方向；

所述升降台(4)安装于旋转台(3)下方，以螺钉连接，能够通过调节升降台(4)微调锤击系统(1)高度，从而精确控制敲击点；

所述立柱(5)安装于升降台(4)下方，以螺钉连接，初始安装时粗调立柱(5)高度，使锤击系统(1)的高度位于标定盘高度范围内，方便后续通过升降台(4)微调；

所述电磁铁底座(6)安装于立柱(5)下方，通过开关控制电磁铁，利用电磁铁的吸力将整个系统固定在地面或地轨上。

所述减震弹簧(1.5)通过实验设计，选取合适刚度K的弹簧，根据F＝K·x计算得到第一垫片(1.10)碰撞减震弹簧(1.5)瞬间的恢复力F大小，其中K为减震弹簧刚度，x为弹簧恢复行程，F为初始恢复力大小；通过仿真与实验验证得到：当减震弹簧(1.5)与触发弹簧(1.9)的刚度比为0.1-0.2区间时，一方面缩短碰撞时间，另一方面保证碰撞力的大小几乎不损失，此时减震弹簧(1.5)刚度选取最合适，以此为设计原则，通过实验选取长度为50mm-80mm范围、弹簧外径为14mm-16mm、弹簧钢丝直径为1mm-1.4mm的弹簧组，达到以上所述效果；在触发过程中第一垫片(1.10)向前碰撞减震弹簧(1.5)，一方面解决传统力锤标定过程中经常发生的二次碰撞问题，另一方面缩短锤头(1.1)与标定盘的脱离时间，使冲激力信号更接近阶跃信号；通过实验表明，增加减震弹簧(1.5)使冲激信号的阶跃时间控制在0.01s以内。

所述触发弹簧(1.9)采用模块化设计，通过计算仿真与实验设计，选取多组不同规格的弹簧组；弹簧长度选取80mm、100mm、120mm三种长度，弹簧外径选取30mm、35mm、40mm三种规格，弹簧钢丝直径选取2mm、3mm、4mm三种规格，能够组合出27种弹簧组搭配形式；根据公式

F＝K·x，计算得到提供的恢复力范围可覆盖5N-50N区间，其中K为弹簧刚度，G为弹簧材料切变模量，材料选用结构钢，d为弹簧钢丝直径，n为弹簧有效圈数，D为弹簧外径，x为弹簧恢复行程，配合不同锤头使用，实现敲击力的大小可调节。

所述激光水平仪(2)安装时通过水平尺测量，保证激光射线与锤头(1.1)所在轴线在同一竖直平面内，平行度误差不超过0.5mm/m；激光水平仪(2)发生形成激光射线，同时标定盘上安装有反射镜，激光入射到反射镜上，不断通过旋转台(3)进行角度调节，调节精度达到5′；当激光垂直反射回激光水平仪(2)上的接收孔，则说明入射方向与标定盘垂直，即锤头(1.1)敲击方向与标定盘垂直；根据激光光束宽度与光程差之比，计算得到垂直角度误差不超过0.5°。

所述升降台(4)与立柱(5)配合，调节锤击系统(1)的高度；初始安装时调节立柱(5)高度，使锤头(1.1)的敲击点落在标定盘的范围内；随后通过微调升降台(4)的高度，精确调节敲击点的位置，调节精度保证在0.02mm之内。

本发明的一种三维高精度标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1、安装：将电磁铁底座(6)固定于地面或地轨，依次安装立柱(5)、升降台(4)、旋转台(3)；按照如下顺序安装锤击系统：将力传感器(1.2)安装于锤头(1.1)后；第一传动轴(1.10)安装于力传感器(1.2)后，第一传动轴(1.10)上依次安装有：第一直线轴承(1.3)、减震弹簧(1.5)、第一垫片(1.6)、第二直线轴承(1.4)；第二传动轴(1.11)上依次安装有第二垫片(1.7)、触发弹簧(1.9)、第三垫片(1.8)；外部套有外壳(1.12)；外壳(1.12)后部安装电吸盘(1.13)；将锤击系统(1)安装完成后，按动锤头(1.1)，力传感器(1.2)、第一传动轴(1.10)、第二传动轴(1.11)会受力沿直线轴承向后运动，此时第二垫片(1.7)会压缩触发弹簧(1.9)，直至第二传动轴(1.11)的末端穿过第三垫片(1.8)，打开电吸盘(1.13)开关，将第二传动轴(1.11)吸附于电吸盘(1.13)上；此后触发弹簧(1.9)处于压缩状态；

步骤S2、粗调：首先调整电磁铁底座(6)的位置，在水平面内将锤头(1.1)敲击点大致对准标定盘的范围；接着调整立柱(5)的高度，在垂直面内将锤头(1.1)敲击点大致对准标定盘的范围；此步骤主要根据目测进行调节；

步骤S3、微调：调节升降台(4)高度，调节旋转台(3)角度，使锤头(1.1)正对标定盘；打开激光水平仪(2)，发射激光入射到标定盘上的反射镜；观察反射光线，当反射光线能够垂直反射回激光水平仪(2)时，则锤头(1.1)敲击方向与标定盘垂直；

步骤S4、标定：调节锤头(1.1)方向垂直于标定盘后，断开电吸盘(1.13)开关，触发弹簧(1.9)触发，带动第二垫片(1.7)弹出；第二垫片(1.7)带动第二传动轴(1.11)，第二传动轴(1.11)推动第一传动轴(1.10)，第一传动轴(1.10)头部的锤头(1.1)敲击标定盘，完成标定；同时，第一垫片(1.6)撞击减震弹簧(1.5)，给第一传动轴(1.10)一个向后的力，在锤头(1.1)敲击标定盘后立即分开，防止二次撞击；安装在锤头(1.1)后的力传感器(1.2)实时测得敲击产生的力；

步骤S5、完成标定后，再次选择敲击点，重复步骤S2-S4，实现多次重复标定。

对于该三维高精度标定系统，通过粗调、微调，可以实现对不同位置敲击点的多位标定；通过配合激光水平仪(2)，可以实现高精度调节，保证锤头(1.1)与标定盘之间完全垂直；通过设计减震弹簧(1.5)，能够使锤头(1.1)在敲击标定盘后快速脱开，有效防止二次撞击；可以实现多次重复标定，产生重复性好的冲激信号。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)通过锤击系统合理设计，可以有效还原传统力锤手动标定过程，将手动操作过程转换为机械操作过程，避免了对操作人员测试经验要求高的问题，减少敲出过载信号的机会；

(2)通过机械操作，可以产生重复性好的冲激信号，避免了传动力锤手动标定过程中敲击力、敲击点重复性差的问题；通过实验验证，相同实验条件下，相邻多次敲击力的大小误差在5％以内；

(3)可以实现对标定盘上不同位置加载点的三维标定，敲击点位置可调节，调节精度控制在0.02mm范围内；

(4)可以通过高精度调节保证锤头与标定盘垂直，角度误差可控制在0.5°范围内；

(5)通过合理设计减震弹簧，可以有效解决传统力锤手动标定过程中容易发生的二次撞击问题，同时可将冲激力的阶跃时间缩短至0.01s以内；

(6)可通过模块化设计，研制触发弹簧组，控制敲击力的大小。

附图说明

图1为本发明的三维高精度标定系统结构示意图；

图2为本发明的三维高精度标定系统中锤击系统)结构分解图；

图3为本发明中的旋转台结构图；

图4为本发明中的升降台结构图。

其中：锤击系统1、激光水平仪2、旋转台3、升降台4、立柱5和电磁铁底座6；

锤头1.1、力传感器1.2、第一直线轴承1.3、第二直线轴承1.4、减震弹簧1.5、第一垫片1.6、第二垫片1.7、第三垫片1.8、触发弹簧1.9、第一传动轴1.10、第二传动轴1.11、外壳1.12和电吸盘1.13。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的三维高精度标定系统包括：锤击系统1、激光水平仪2、旋转台3、升降台4、立柱5和电磁铁底座6；锤击系统1由锤头1.1、力传感器1.2、第一直线轴承1.3、第二直线轴承1.4、减震弹簧1.5、第一垫片1.6、第二垫片1.7、第三垫片1.8、触发弹簧1.9、第一传动轴1.10、第二传动轴1.11、外壳1.12和电吸盘1.13组成；力传感器1.2安装于锤头1.1后，可在标定时实时测得冲击力的大小；第一传动轴1.10安装于力传感器1.2后，第一传动轴1.10上依次安装有：第一直线轴承1.3、减震弹簧1.5、第一垫片1.6、第二直线轴承1.4；第二传动轴1.11上依次安装有第二垫片1.7、触发弹簧1.9、第三垫片1.8；外部套有外壳1.12；外壳1.12后部安装电吸盘1.13。

锤击系统1前端安装有锤头1.1，锤头1.1尺寸统一，材料可替换为不锈钢、橡胶、尼龙和塑料等材料，不同材料可产生不同的激励频带。根据经验，当选用的锤头越软，敲击产生频响的带宽越窄，能量集中在低频区域，适用于基频集中在低频区的结构，而选用的锤头越硬，产生频响的带宽越宽，能量集中在高频区域，适用于基频集中在高频区的结构。因此当对不同的物体进行振动测试时，也可以选用不同的力锤进行锤击，以适配不同结构的不同频带；

第一直线轴承1.3、第二直线轴承1.4套在第一传动轴1.10外部，起到限位、传动以及减小摩擦的作用；轴承内部添加润滑油，减小轴承与传动轴之间的摩擦阻力，使传动过程中速度不损失；第一直线轴承1.3、第二直线轴承1.4内接于外壳1.12，并与外壳1.12固连；

第二垫片1.7连接于第二传动轴1.11端部；第三垫片1.8连接于外壳1.12底部；触发弹簧1.9夹在第二垫片1.7、第三垫片1.8之间，与第二垫片1.7、第三垫片1.8固连；在安装时，通过压缩锤头，整个锤击系统会向后运动，此时第二垫片带动第二传动轴向后运动，第二传动轴穿过第三垫片中心的圆孔，吸附在电吸盘上，此时触发弹簧处于压缩状态。通过计算仿真与实验验证，对触发弹簧进行了模块化设计，可以配合不同材质的锤头以及标定行程，提供不同大小的敲击力。弹簧长度选取80mm、100mm、120mm三种长度，弹簧外径选取30mm、35mm、40mm三种规格，弹簧钢丝直径选取2mm、3mm、4mm三种规格，可组合出27种弹簧组搭配形式。根据公式

F＝K·x，计算得到提供的恢复力范围可覆盖5N-50N区间，其中K为弹簧刚度，G为弹簧材料切变模量，材料选用结构钢，d为弹簧钢丝直径，n为弹簧有效圈数，D为弹簧外径，x为弹簧恢复行程；

减震弹簧1.5套在第一传动轴1.10上，且一端固定连接于第一直线轴承1.3；第一垫片1.6固连于第一传动轴1.10中部。在第一传动轴1.10向前运动过程中，第一垫片1.6会与减震弹簧1.5发生碰撞，从而间接施加给第一传动轴1.10一个向后的力，从而缩短锤头与标定盘的碰撞时间，同时有效防止二次撞击。减震弹簧的弹簧刚度根据所选用的触发弹簧进行选择，通过仿真与实验验证得到：当减震弹簧1.5与触发弹簧1.9的刚度比为0.1-0.2区间时，一方面可以缩短碰撞时间至0.01s以内，另一方面保证碰撞力的大小几乎不损失，此时减震弹簧1.5刚度选取最合适。以此为设计原则，通过实验选取长度为50mm-80mm范围、弹簧外径为14mm-16mm、弹簧钢丝直径为1mm-1.4mm的弹簧组，可达到以上所述效果；

所述激光水平仪2安装于锤击系统1上方，以螺钉固定，安装前用水平尺测量，保证激光射线与锤头1.1所在轴线的平行度，激光射线与锤头所在轴线的平行度精度可达到0.5mm/m以内。激光水平仪2发生形成激光射线，同时标定盘上安装有反射镜，激光入射到反射镜上，若激光可以垂直反射回激光水平仪2，则说明入射方向与标定盘垂直，即锤头1.1敲击方向与标定盘垂直；激光射线的线宽d在1mm以内，激光发射位置巨标定盘上的平面镜的距离D一般在100mm以上，根据公式

可保证锤头与标定盘间的角度误差θ在0.5°范围内；

旋转台3安装于锤击系统1下方，以螺钉固定，可通过调节旋转台3改变锤击系统1与激光水平仪2整体所对方向，从而改变锤击方向；如前所述，激光水平仪2发生形成激光射线，同时标定盘上安装有反射镜，激光入射到反射镜上，若激光可以垂直反射回激光水平仪2，则说明入射方向与标定盘垂直，即锤头1.1敲击方向与标定盘垂直。旋转台的调节精度可达到5′，满足激光水平仪的调节要求。

电磁铁底座6固连于立柱5底部，当开关闭合时，电磁铁底座6可以吸附于地面或地轨；在安装时，需先将电磁铁底座的开关断开，在X轴方向内调节电磁铁底座6的吸附位置，大致将锤头1.1的敲击点调整到标定盘的范围之内；同时在Y轴方向内调节电磁铁底座6的吸附位置，控制锤头与标定盘间的距离在100mm至150mm范围内；

升降台4与立柱5配合，可以调节锤击系统1的高度。初始安装时在Z轴内大致调节立柱5高度，使锤头1.1的敲击点落在标定盘的大致范围内；随后通过微调升降台4的高度，精确调节敲击点的位置，在锤头到达敲击点位置后，锁死升降台，保证敲击质量；升降台的调节精度为0.02mm，因此敲击点的位置误差不超过0.02mm；

本发明的三维高精度标定方法实现步骤如下：

步骤S1、安装：首先将电磁铁底座6固定于地面或地轨，依次安装立柱5、升降台4、旋转台3；按照前述安装顺序将锤击系统1安装完成，用手按动锤头1.1，力传感器1.2、第一传动轴1.10、第二传动轴1.11会受力沿直线轴承向后运动，此时第二垫片1.7会压缩触发弹簧1.9，直至第二传动轴1.11的末端穿过第三垫片1.8，打开电吸盘1.13开关，将第二传动轴1.11吸附于电吸盘1.13上；此后触发弹簧1.9处于压缩状态；

步骤S2、粗调：首先调整电磁铁底座6的位置，在X轴范围面内将锤头1.1敲击点大致对准标定盘的范围，在Y轴范围内使得锤头与标定盘间的距离大致在100mm至150mm范围；接着调整立柱5的高度，在Z轴范围内将锤头1.1敲击点大致对准标定盘的范围；此步骤主要根据目测进行调节；

步骤S3、微调：调节升降台4高度，调节旋转台3角度，打开激光水平仪2，发射激光入射到标定盘上的反射镜；观察反射光线，当反射光线能够垂直反射回激光水平仪2时，说明锤头1.1敲击方向与标定盘垂直；

步骤S4、标定：调节锤头1.1方向垂直于标定盘后，断开电吸盘1.13开关，触发弹簧1.9触发，带动第二垫片1.7弹出；第二垫片1.7带动第二传动轴1.11，第二传动轴1.11推动第一传动轴1.10，第一传动轴1.10头部的锤头1.1敲击标定盘，完成标定；同时，第一垫片1.6撞击减震弹簧1.5，给第一传动轴1.10一个向后的力，在锤头1.1敲击标定盘后立即分开，防止二次撞击；安装在锤头1.1后的力传感器1.2可以实时测得敲击产生的力；

步骤S5、完成标定后，再次选择敲击点，重复步骤S2-S4，实现多次重复标定；

本发明首次通过设计机械式锤击系统，有效模拟了传统手动力锤敲击的过程，实现了由人工向机械、由手动到自动的转变；通过由机械代替人工，可以避免传统手动敲击力锤的方法对操作人员测试经验要求高的问题，减少敲出过载信号的机会。

本发明能实现对敲击点的精确控制与高精度调节。敲击点的位置误差可控制在0.02mm范围内；锤头与标定盘间的垂直度误差可控制在0.5°范围内；敲击产生的冲激力信号重复性良好，通过实验验证，相邻多次敲击力的大小误差在5％以内。通过实验验证得到，传统的手动力锤敲击法，敲击点的位置误差可达到毫米甚至厘米量级，角度误差可达到20°，多次重复敲击产生冲击力的大小误差可达到50％。两者相比较，本发明敲击点的位置误差减小了两个量级，角度误差提升约40倍，产生冲激信号的重复性指标提升约10倍。

本发明通过模块化设计触发弹簧，选取不同刚度的触发弹簧组成弹簧组，方便更换。通过多次实验，涉及的弹簧组产生的敲击力大小可精确控制在5N-50N范围内，满足任何标定实验条件下对力锤敲击力大小的要求。传统的手动力锤敲击法很难控制敲击力的大小，特别是当需要以几牛的微小力进行敲击时，很容易敲出过载信号，本发明则可以解决该问题。

通过仿真与实验验证得到：当减震弹簧与触发弹簧的刚度比为0.1-0.2区间时，既可以缩短碰撞时间，避免二次撞击问题，又可以保证碰撞力的大小几乎不损失，据此选取减震弹簧刚度选取最合适。引入减震弹簧可使得敲击时间缩短至0.01s以内。通过实验得到，传统的手动力锤敲击法的敲击时间一般在0.05-0.1s范围内，两者相比，本发明的敲击时间缩短5-10倍。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三维高精度标定系统，其特征在于，包括：锤击系统(1)、激光水平仪(2)、旋转台(3)、升降台(4)、立柱(5)和电磁铁底座(6)；

锤击系统(1)包括：锤头(1.1)、力传感器(1.2)、第一直线轴承(1.3)、第二直线轴承(1.4)、减震弹簧(1.5)、第一垫片(1.6)、第二垫片(1.7)、第三垫片(1.8)、触发弹簧(1.9)、第一传动轴(1.10)、第二传动轴(1.11)、外壳(1.12)和电吸盘(1.13)；力传感器(1.2)安装于锤头(1.1)后在标定时实时测得冲击力的大小；第一传动轴(1.10)安装于力传感器(1.2)后，第一传动轴(1.10)上依次安装有：第一直线轴承(1.3)、减震弹簧(1.5)、第一垫片(1.6)、第二直线轴承(1.4)；第二传动轴(1.11)上依次安装有第二垫片(1.7)、触发弹簧(1.9)、第三垫片(1.8)；外部套有外壳(1.12)；外壳(1.12)后部安装电吸盘(1.13)；

所述锤击系统(1)前端安装有锤头(1.1)，锤头(1.1)尺寸统一，材料选择为不锈钢、橡胶、尼龙或塑料材料；当对不同的结构进行振动测试时，选用不同的力锤进行锤击；第一直线轴承(1.3)和第二直线轴承(1.4)套在第一传动轴(1.10)外部，起到限位、传动以及减小摩擦的作用；第一直线轴承(1.3)、第二直线轴承(1.4)内接于外壳(1.12)，并与外壳(1.12)固连；减震弹簧(1.5)套在第一传动轴(1.10)上，且一端连接于第一直线轴承(1.3)；第一垫片(1.6)固连于第一传动轴(1.10)中部；第二垫片(1.7)连接于第二传动轴(1.11)端部；第三垫片(1.8)连接于外壳(1.12)底部；触发弹簧(1.9)夹在第二垫片(1.7)、第三垫片(1.8)之间，与第二垫片(1.7)和第三垫片(1.8)固连；

所述激光水平仪(2)安装于锤击系统(1)上方，保证激光射线与锤头(1.1)所在轴线的平行度；

所述旋转台(3)安装于锤击系统(1)下方，能够通过调节旋转台(3)改变锤击系统(1)所对方向，从而改变锤击方向；

所述升降台(4)安装于旋转台(3)下方，能够通过调节升降台(4)微调锤击系统(1)高度，从而精确控制敲击点；

所述立柱(5)安装于升降台(4)下方，初始安装时粗调立柱(5)高度，使锤击系统(1)的高度位于标定盘高度范围内，方便后续通过升降台(4)微调；

所述电磁铁底座(6)安装于立柱(5)下方，通过开关控制电磁铁，利用电磁铁的吸力将整个系统固定在地面或地轨上。

2.根据权利要求1所述的三维高精度标定系统，其特征在于：所述减震弹簧(1.5)通过实验设计，选取刚度K的弹簧，根据F＝K·x，计算得到第一垫片(1.10)碰撞减震弹簧(1.5)瞬间的恢复力F大小，其中K为减震弹簧刚度，x为弹簧恢复行程，F为初始恢复力大小；当减震弹簧(1.5)与触发弹簧(1.9)的刚度比为0.1-0.2区间时，一方面缩短碰撞时间，另一方面保证碰撞力的大小几乎不损失，此时减震弹簧(1.5)刚度选取最合适，以此为设计原则，通过实验选取长度为50mm-80mm范围、弹簧外径为14mm-16mm、弹簧钢丝直径为1mm-1.4mm的弹簧组，达到将碰撞时间缩短至0.01s以内，同时完全避免二次撞击；在触发过程中第一垫片(1.10)向前碰撞减震弹簧(1.5)，一方面解决传统力锤标定过程中经常发生的二次碰撞问题，另一方面缩短锤头(1.1)与标定盘的脱离时间，使冲激力信号更接近阶跃信号；增加减震弹簧(1.5)使冲激信号的阶跃时间控制在0.01s以内。

3.根据权利要求1所述的三维高精度标定系统，其特征在于：所述触发弹簧(1.9)采用模块化设计，通过计算仿真与实验设计，选取多组不同规格的弹簧组；弹簧长度选取80mm、100mm或120mm三种长度，弹簧外径选取30mm、35mm或40mm三种规格，弹簧钢丝直径选取2mm、3mm或4mm三种规格，能够组合出27种弹簧组搭配形式；根据公式

F＝K·x，计算得到提供的恢复力范围覆盖5N-50N区间，其中K为弹簧刚度，G为弹簧材料切变模量，材料选用结构钢，d为弹簧钢丝直径，n为弹簧有效圈数，D为弹簧外径，x为弹簧恢复行程，配合不同锤头使用，实现敲击力的大小可调节。

4.根据权利要求1所述的三维高精度标定系统，其特征在于：所述激光水平仪(2)安装时通过水平尺测量，保证激光射线与锤头(1.1)所在轴线在同一竖直平面内，平行度误差不超过0.5mm/m；激光水平仪(2)发生形成激光射线，同时标定盘上安装有反射镜，激光入射到反射镜上，通过旋转台(3)进行角度调节，调节精度达到5′；当激光垂直反射回激光水平仪(2)上的接收孔，则表明入射方向与标定盘垂直，即锤头(1.1)敲击方向与标定盘垂直；根据激光光束宽度与光程差之比，计算得到垂直角度误差不超过0.5°。

5.根据权利要求1所述的三维高精度标定系统，其特征在于：所述升降台(4)与立柱(5)配合，调节锤击系统(1)的高度；初始安装时调节立柱(5)高度，使锤头(1.1)的敲击点落在标定盘的范围内；随后通过微调升降台(4)的高度，精确调节敲击点的位置，调节精度保证在0.02mm之内。

6.一种实现权利要求1-5任意之一所述三维高精度标定系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1、安装：将电磁铁底座(6)固定于地面或地轨，依次安装立柱(5)、升降台(4)、旋转台(3)；按照如下顺序安装锤击系统：将力传感器(1.2)安装于锤头(1.1)后；第一传动轴(1.10)安装于力传感器(1.2)后，第一传动轴(1.10)上依次安装有：第一直线轴承(1.3)、减震弹簧(1.5)、第一垫片(1.6)、第二直线轴承(1.4)；第二传动轴(1.11)上依次安装有第二垫片(1.7)、触发弹簧(1.9)、第三垫片(1.8)；外部套有外壳(1.12)；外壳(1.12)后部安装电吸盘(1.13)；将锤击系统(1)安装完成后，按动锤头(1.1)，力传感器(1.2)、第一传动轴(1.10)、第二传动轴(1.11)会受力沿直线轴承向后运动，此时第二垫片(1.7)会压缩触发弹簧(1.9)，直至第二传动轴(1.11)的末端穿过第三垫片(1.8)，打开电吸盘(1.13)开关，将第二传动轴(1.11)吸附于电吸盘(1.13)上；此后触发弹簧(1.9)处于压缩状态；

步骤S2、粗调：首先调整电磁铁底座(6)的位置，在水平面内将锤头(1.1)敲击点大致对准标定盘的范围；接着调整立柱(5)的高度，在垂直面内将锤头(1.1)敲击点大致对准标定盘的范围；此步骤主要根据目测进行调节；

步骤S3、微调：调节升降台(4)高度，调节旋转台(3)角度，使锤头(1.1)正对标定盘；打开激光水平仪(2)，发射激光入射到标定盘上的反射镜；观察反射光线，当反射光线能够垂直反射回激光水平仪(2)上的接收孔时，则锤头(1.1)敲击方向与标定盘垂直；

步骤S4、标定：调节锤头(1.1)方向垂直于标定盘后，断开电吸盘(1.13)开关，触发弹簧(1.9)触发，带动第二垫片(1.7)弹出；第二垫片(1.7)带动第二传动轴(1.11)，第二传动轴(1.11)推动第一传动轴(1.10)，第一传动轴(1.10)头部的锤头(1.1)敲击标定盘，完成标定；同时第一垫片(1.6)撞击减震弹簧(1.5)给第一传动轴(1.10)一个向后的力，在锤头(1.1)敲击标定盘后立即分开，防止二次撞击；安装在锤头(1.1)后的力传感器(1.2)实时测得敲击产生的力；

步骤S5、完成标定后，再次选择敲击点，重复步骤S2-S4，实现多次重复标定。

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